เอ็มอาร์เอ็นเอที่ดัดแปลงนิวคลีโอไซด์

เอ็มอาร์เอ็นเอที่ดัดแปลงนิวคลีโอไซด์ (อังกฤษ: nucleoside-modified messenger RNA ตัวย่อ modRNA อ่านว่า ม็อดอาร์เอ็นเอ) เป็นเอ็มอาร์เอ็นเอสังเคราะห์ที่นิวคลีโอไซด์บางตัวจะแทนที่ด้วยนิวคลีโอไซด์ที่เกิดตามธรรมชาติ หรือด้วยนิวคลีโอไซด์แอนะล็อกที่สังเคราะห์ขึ้น (synthetic nucleoside analogue) อื่น ๆ ม็อดอาร์เอ็นเอสามารถใช้ชักนำให้ให้เซลล์บางอย่างผลิตโปรตีนตามที่ต้องการ การประยุกต์ใช้สำคัญก็คือการสร้างวัคซีนเอ็มอาร์เอ็นเอ และที่อนุมัติใช้เป็นอย่างแรกก็คือวัคซีนโควิด-19 (เช่น วัคซีนของไฟเซอร์-ไบออนเทคและของโมเดอร์นา)

พื้นเพ

 

ไรโบโซม (สีเขียว) สร้างโปรตีน (โซ่ลูกกลม ๆ ที่ใช้แสดงกรดอะมิโน) ที่เอ็มอาร์เอ็นเอ (แถบนิวคลีโอไทด์) เข้ารหัส ซึ่งสามารถดัดแปลงเพื่อลดการอักเสบอันเป็นการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันโดยกำเนิดในเซลล์

เอ็มอาร์เอ็นเอผลิตโดยสังเคราะห์สายกรดไรโบนิวคลีอิกจากชิ้นส่วนที่ทำจากนิวคลีโอไทด์โดยใช้แม่แบบดีเอ็นเอ เป็นกระบวนการที่เรียกว่า การถอดรหัส (transcription) ถ้าชิ้นส่วนที่ส่งให้กับเอนไซม์สังเคราะห์อาร์เอ็นเอ คือ RNA polymerase รวมนิวคลีโอไซด์แบบไม่มาตรฐาน (non-standard) เช่น pseudouridine (ชิ้นส่วนมาตรฐานรวม adenosine, cytidine, guanosine และ uridine) เอ็มอาร์เอ็นเอที่เป็นผลิตภัณฑ์ก็จะจัดได้ว่าแปลงนิวคลีโอไซด์ (nucleoside-modified)

การผลิตโปรตีนเริ่มด้วยการรวมไรโบโซมไปที่เอ็มอาร์เอ็นเอ โดยอาร์เอ็นเอทำหน้าที่เป็นแบบสังเคราะห์โปรตีน คือระบุลำดับกรดอะมิโนตามรหัสพันธุกรรม เป็นกระบวนการสังเคราะห์โปรตีนที่เรียกว่า การแปลรหัส (translation)

สาระสำคัญ

เพื่อชักนำให้เซลล์สร้างโปรตีนนอกเหนือจากปกติ สามารถใส่เอ็มอาร์เอ็นเอแปลกปลอม (heterologous) เข้าไปในไซโทพลาซึมของเซลล์ จึงไม่ต้องถอดรหัสจากดีเอ็นเอเลย เท่ากับเป็นการ "ลอบนำ" เอาแผนการผลิตโปรตีนแปลกปลอมเข้าไปในเซลล์ แต่จะทำอย่างนี้ได้ก็ต้องเลี่ยงระบบของเซลล์ที่ป้องกันการเข้าไปและการแปลรหัสของเอ็มอาร์เอ็นเอแปลกปลอม เช่น มีเอนไซม์ซึ่งพบเกือบทั่วไปที่เรียกว่า ribonuclease (หรือ RNAse) และทำหน้าที่สลายอาร์เอ็นเอซึ่งไม่ได้ป้องกัน อนึ่ง ยังมีอุปสรรคในเซลล์ด้วย เช่น หน่วยรับของระบบภูมิคุ้มกันโดยกำเนิด คือ TLR7 (toll-like receptor 7) และ TLR8 ซึ่งอยู่ที่เยื่อหุ้มเอนโดโซม หน่วยรับเช่นนี้สามารถลดการสังเคราะห์โปรตีนในเซลล์ได้อย่างสำคัญ โดยจุดชนวนให้ปล่อยไซโตไคน์ เช่น อินเตอร์เฟียรอน และ TNF-alpha และถ้าเกิดมากพอ ก็จะโปรแกรมให้เซลล์ตาย

คุณสมบัติก่อการอักเสบ/การตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของอาร์เอ็นเอแปลกปลอม สามารถอำพรางโดยแปลงนิวคลีโอไซด์ในเอ็มอาร์เอ็นเอ เช่น uridine สามารถแทนด้วยนิวคลีโอไซด์คล้าย ๆ กัน เช่น pseudouridine (Ψ) หรือ N1-methyl-pseudouridine (m1Ψ) และ cytosine ก็สามารถแทนด้วย 5-methylcytosine นิวคลีโอไซด์คล้ายกันบางอย่าง เช่น pseudouridine และ 5-methylcytosine ก็เกิดโดยธรรมชาติในเซลล์ยูแคริโอตด้วย การมีนิวคลีโอไซด์ดัดแปลงเหล่านี้เปลี่ยนโครงสร้างทุติยภูมิ (secondary structure) ของเอ็มอาร์เอ็นเอ ซึ่งลดการรู้จำของระบบภูมิคุ้มกันโดยกำเนิดในขณะที่ก็ยังให้แปลรหัสเป็นโปรตีนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ความสำคัญของบริเวณที่ไม่ได้แปลรหัส

 

รูปเปรียบเทียบการนำม็อดอาร์เอ็นเออย่างสำเร็จเข้าไปในเซลล์ กับการนำอาร์เอ็นเอที่ไม่สำเร็จ ความหมายอย่างคร่าว ๆ - (เมื่อส่งยีนได้อย่างสำเร็จ) No activation of TLR7/8 = ไม่กระตุ้นให้หน่วยรับอาร์เอ็นเอแปลกปลอมคือ TLR7 และ TLR8 ทำงาน, Endosomal escape = อาร์เอ็นเอหลุดออกจากเอนโดโซม, Low RNase activity = ไม่กระตุ้นเอนไซม์สลายอาร์เอ็นเอคือ RNase ให้ทำการ, Translation = อาร์เอ็นเอได้การแปลรหัส, Protein = เกิดโปรตีนที่ต้องการ, (เมื่อส่งยีนได้ไม่สำเร็จ) Activation of TLR7/8 = กระตุ้นให้หน่วยรับอาร์เอ็นเอแปลกปลอมคือ TLR7 และ TLR8 ทำงาน, High RNase activity = กระตุ้นเอนไซม์สลายอาร์เอ็นเอคือ RNase ให้ทำการ, No Translation = อาร์เอ็นเอไม่ได้การแปลรหัส, No Protein = ไม่เกิดโปรตีนที่ต้องการ

เอ็มอาร์เอ็นเอปกติจะเริ่มแล้วยุติด้วยส่วนที่ไม่ได้เข้ารหัสกรดอะมิโน ลำดับเช่นนี้ที่ปลายข้าง 5′ และ 3′ ของสายเอ็มอาร์เอ็นเอเรียกว่า untranslated regions (UTRs) แปลว่า บริเวณที่ไม่ได้แปลรหัส โดยทั้งสองสำคัญต่อเสถียรภาพของเอ็มอาร์เอ็นเอ ของม็อดอาร์เอ็มเอ และต่อประสิทธิภาพของการแปลรหัสคือจำนวนโปรตีนที่ผลิตด้วย ดังนั้น ถ้าเลือก UTRs ที่ดีเมื่อสังเคราะห์ม็อดอาร์เอ็นเอ ก็อาจผลิตโปรตีนที่ต้องการในเซลล์เป้าหมายได้มากสุด

การส่ง

การส่งม็อดอาร์เอ็นเอเข้าไปในเซลล์เป้าหมายมีปัญหาหลายอย่าง หนึ่ง จะต้องป้องกันม็อดอาร์เอ็นเอจากเอนไซม์ ribonuclease ที่ย่อยสลายอาร์เอ็นเอ ซึ่งสามารถทำได้โดยหุ้มมันด้วยลิโปโซม เป็นต้น การทำเป็น "ห่อ" เช่นนี้สามารถช่วยให้ม็อดอาร์เอ็นเอเข้าไปในเซลล์เป้าหมายได้ นี่เป็นประโยชน์ในการสร้างวัคซีน เพราะทั้งเซลล์ dendritic cell และ macrophage จะกลืนอนุภาคนาโนที่ประกอบด้วยลิโปโซมแลอาร์เอ็นเอเข้าไปในตัว และทั้งสองก็มีบทบาทสำคัญในการกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกัน

อนึ่ง ยังอาจต้องการส่งม็อดอาร์เอ็นเอไปที่เซลล์ร่างกายโดยเฉพาะ ๆ เช่น ถ้าต้องการกระตุ้นเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจให้แบ่งตัว ก็สามารถฉีดม็อดอาร์เอ็นเอที่หุ้มไว้เข้าไปในหลอดเลือดหัวใจโดยตรง

การประยุกต์ใช้

การประยุกต์ใช้ที่สำคัญก็คือวัคซีนเอ็มอาร์เอ็นเอ และที่อนุมัติใช้เป็นอย่างแรกก็คือวัคซีนโควิด-19 เพื่อป้องกันไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่ (SARS-CoV-2) ตัวอย่างวัคซีนโควิด-19 รวมทั้งโทซินาเมแรนของบริษัทไบออนเทค/ไฟเซอร์/Fosun International, CVnCoV ของบริษัท CureVac และ mRNA-1273 ของบริษัทโมเดิร์นา โดยวัคซีนของไบออนเทคและโมเดิร์นาใช้ม็อดอาร์เอ็นเอ ส่วนของ Curevac ใช้อาร์เอ็นเอที่ไม่ได้แปลง การประยุกต์ใช้ม็อดอาร์เอ็นเออย่างอื่นรวมการเจริญทดแทน (regeneration) เนื้อเยื่อกล้ามเนื้อหัวใจ และมะเร็งบำบัด

เชิงอรรถ

1. ลิโปโซม (อังกฤษ: liposome) เป็นถุงเล็ก ๆ รูปกลมที่มีเยื่อหุ้มสองชั้นเป็นลิพิด (lipid bilayer) อย่างน้อยหนึ่งชุด สามารถใช้เป็นถุงเพื่อส่งสารอาหารและยาเข้าไปในเซลล์ ลิโปโซมสามารถทำได้โดยแตกเยื่อหุ้มชีวภาพที่มีอยู่ (เช่น ใช้เสียงความถี่สูง)
2. macrophage (มาโครเฟจ มาจากคำกรีกคือ μακρός (makrós) แปลว่า ตัวกินใหญ่) เป็นเซลล์เม็ดเลือดขาวอย่างหนึ่งที่กลืนแล้วสลายเศษเซลล์, วัสดุแปลกปลอม, จุลินทรีย์ เซลล์มะเร็ง และอะไรอย่างอื่นที่ไม่มีโปรตีนชนิดที่เซลล์ของร่างกายซึ่งยังดีมีที่ผิว เป็นกระบวนการที่เรียกว่าฟาโกไซโทซิส

อ้างอิง

1. Chien, KR; Zangi, L; Lui, KO (October 2014). "Synthetic chemically modified mRNA (modRNA): toward a new technology platform for cardiovascular biology and medicine". Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 5 (1): a014035. doi:10.1101/cshperspect.a014035. PMC 4292072. PMID 25301935.
2. Alberts, B; Johnson, A; Lewis, J; Raff, M; Roberts, K; Walter, P (2002). From DNA to RNA (4 ed.). Garland Science.
3. Pardi, N; Weissman, D (2017). "Nucleoside Modified mRNA Vaccines for Infectious Diseases". RNA Vaccines. Methods in Molecular Biology. 1499. Clifton, N.J. pp. 109–121. doi:10.1007/978-1-4939-6481-9_6. ISBN 978-1-4939-6479-6. PMID 27987145.
4. Lodish, H; Berk, A; Zipursky, SL; Matsudaira, P; Baltimore, D; Darnell, J (2000). The Three Roles of RNA in Protein Synthesis (4th ed.). New York: W. H. Freeman. pp. Sec 4.4.
5. Schlake, T; Thess, A; Fotin-Mleczek, M; Kallen, KJ (November 2012). "Developing mRNA-vaccine technologies". RNA Biology. 9 (11): 1319–30. doi:10.4161/rna.22269. PMC 3597572. PMID 23064118.
6. Dalpke, A; Helm, M (June 2012). "RNA mediated Toll-like receptor stimulation in health and disease". RNA Biology. 9 (6): 828–42. doi:10.4161/rna.20206. PMC 3495747. PMID 22617878.
7. Karikó, K; Buckstein, M; Ni, H; Weissman, D (August 2005). "Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors: the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA". Immunity. 23 (2): 165–75. doi:10.1016/j.immuni.2005.06.008. PMID 16111635.
8. Svitkin, YV; Cheng, YM; Chakraborty, T; Presnyak, V; John, M; Sonenberg, N (June 2017). "N1-methyl-pseudouridine in mRNA enhances translation through eIF2α-dependent and independent mechanisms by increasing ribosome density". Nucleic Acids Research. 45 (10): 6023–6036. doi:10.1093/nar/gkx135. PMC 5449617. PMID 28334758.
9. Hoernes, TP; Clementi, N; Faserl, K; Glasner, H; Breuker, K; Lindner, H; และคณะ (January 2016). "Nucleotide modifications within bacterial messenger RNAs regulate their translation and are able to rewire the genetic code". Nucleic Acids Research. 44 (2): 852–62. doi:10.1093/nar/gkv1182. PMC 4737146. PMID 26578598.
10. von Niessen AG, Orlandini; Poleganov, MA; Rechner, C; Plaschke, A; Kranz, LM; Fesser, S; และคณะ (April 2019). "Improving mRNA-Based Therapeutic Gene Delivery by Expression-Augmenting 3' UTRs Identified by Cellular Library Screening". Molecular Therapy. 27 (4): 824–836. doi:10.1016/j.ymthe.2018.12.011. PMC 6453560. PMID 30638957.
11. Zhao, L; Seth, A; Wibowo, N; Zhao, CX; Mitter, N; Yu, C; Middelberg, AP (January 2014). "Nanoparticle vaccines". Vaccine. 32 (3): 327–37. doi:10.1016/j.vaccine.2013.11.069. PMID 24295808.
12. Carlsson, L; Clarke, JC; Yen, C; Gregoire, F; Albery, T; Billger, M; และคณะ (June 2018). "VEGF-A mRNA Improves Cardiac Function after Intracardiac Injection 1 Week Post-myocardial Infarction in Swine". Molecular Therapy. Methods & Clinical Development. 9: 330–346. doi:10.1016/j.omtm.2018.04.003. PMC 6054703. PMID 30038937.
13. "Pfizer and BioNTech Celebrate Historic First Authorization in the U.S. of Vaccine to Prevent COVID-19". www.businesswire.com. 2020-12-12. จากแหล่งเดิมเมื่อ 2020-12-12.
14. Polack, FP; Thomas, SJ; Kitchin, N; Absalon, J; Gurtman, A; Lockhart, S; และคณะ (December 2020). "Safety and Efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid-19 Vaccine". The New England Journal of Medicine. doi:10.1056/NEJMoa2034577. PMC 7745181. PMID 33301246. S2CID 228087117.
15. Hohmann-Jeddi, C (2020-11-10). "Hoffnungsträger BNT162b2: Wie funktionieren mRNA-Impfstoffe?". Pharmazeutische Zeitung (ภาษาเยอรมัน). จากแหล่งเดิมเมื่อ 2020-11-11. สืบค้นเมื่อ 2020-11-28.
16. Abbasi, J (September 2020). "COVID-19 and mRNA Vaccines-First Large Test for a New Approach". JAMA. 324 (12): 1125–1127. doi:10.1001/jama.2020.16866. PMID 32880613. S2CID 221476409.
17. Vogel, A; Kanevsky, I; Che, Y; Swanson, K; Muik, A; Vormehr, M; และคณะ (2020-09-08). "A prefusion SARS-CoV-2 spike RNA vaccine is highly immunogenic and prevents lung infection in non-human primates" (PDF). bioRxiv. doi:10.1101/2020.09.08.280818. S2CID 221589144. (PDF) จากแหล่งเดิมเมื่อ 2020-09-16. Explicit use of et al. in: |last7= (help)
18. "Conditions of Authorisation for Pfizer/BioNTech COVID-19 Vaccine" (Decision). Medicines & Healthcare Products Regulatory Agency. 2020-12-08. จากแหล่งเดิมเมื่อ 2020-12-07.
19. Office of the Commissioner (2020-12-14). "Pfizer-BioNTech COVID-19 Vaccine". www.fda.gov (Decision). US FDA. จากแหล่งเดิมเมื่อ 2020-12-12.
20. Krammer, F (October 2020). "SARS-CoV-2 vaccines in development". Nature. 586 (7830): 516–527. doi:10.1038/s41586-020-2798-3. PMID 32967006. S2CID 221887746. จากแหล่งเดิมเมื่อ 2020-09-23.
21. "COVID-19: Über CureVacs Entwicklung eines mRNA-basierten Impfstoffs". curevac.com (ภาษาเยอรมัน). CureVac. 2020-11-28. สืบค้นเมื่อ 2020-11-28.
22. "COVID-19". CureVac. จากแหล่งเดิมเมื่อ 2021-01-04. สืบค้นเมื่อ 2020-12-21.
23. "Moderna's Pipeline". Moderna. สืบค้นเมื่อ 2020-11-28.
24. Dolgin, Elie (2020-11-25). "COVID-19 vaccines poised for launch, but impact on pandemic unclear". Nature Biotechnology: d41587-020-00022-y. doi:10.1038/d41587-020-00022-y. PMID 33239758. S2CID 227176634.
25. Kaur, K; Zangi, L (December 2020). "Modified mRNA as a Therapeutic Tool for the Heart". Cardiovascular Drugs and Therapy. 34 (6): 871–880. doi:10.1007/s10557-020-07051-4. PMC 7441140. PMID 32822006.
26. Zangi, L; Lui, KO; von Gise, A; Ma, Q; Ebina, W; Ptaszek, LM; และคณะ (October 2013). "Modified mRNA directs the fate of heart progenitor cells and induces vascular regeneration after myocardial infarction". Nature Biotechnology. 31 (10): 898–907. doi:10.1038/nbt.2682. PMC 4058317. PMID 24013197.
27. McNamara, Megan A.; Nair, Smita K.; Holl, Eda K. (2015). "RNA-Based Vaccines in Cancer Immunotherapy". Journal of Immunology Research. 2015: 794528. doi:10.1155/2015/794528. PMC 4668311. PMID 26665011.
28. Verbeke, R; Lentacker, I; Wayteck, L; Breckpot, K; Van Bockstal, M; Descamps, B; Vanhove, C; De Smedt, SC; Dewitte, H (2017-11-28). "Co-delivery of nucleoside-modified mRNA and TLR agonists for cancer immunotherapy: Restoring the immunogenicity of immunosilent mRNA". Journal of Controlled Release : Official Journal of the Controlled Release Society. 266: 287–300. doi:10.1016/j.jconrel.2017.09.041. PMID 28987878. S2CID 20794075.

แหล่งข้อมูลอื่น

• Badieyan, ZS; Evans, T (August 2019). "Concise Review: Application of Chemically Modified mRNA in Cell Fate Conversion and Tissue Engineering". Stem Cells Translational Medicine. 8 (8): 833–843. doi:10.1002/sctm.18-0259. PMC 6646692. PMID 30891922.
• Espeseth, AS; Cejas, PJ; Citron, MP; Wang, D; DiStefano, DJ; และคณะ (2020). "Modified mRNA/lipid nanoparticle-based vaccines expressing respiratory syncytial virus F protein variants are immunogenic and protective in rodent models of RSV infection". NPJ Vaccines. 5: 16. doi:10.1038/s41541-020-0163-z. PMC 7021756. PMID 32128257.