Znanost

Mehanizmi djelovanja, kemijski sastav i reverzni inženjering BioNTech Pfizer cjepiva - 2. dio

Igor Berecki subota, 9. siječnja 2021. u 06:15

Prvi dio naše "cijepne trilogije", koji je bio vrlo čitan i potaknuo živahne rasprave na društvenim mrežama i Bugovom forumu, dobija svoj jednako uzbudljiv nastavak

Današnji, drugi dio „cijepne trilogije“, trodjelnog teksta u nastavcima u kojem analitički prekopavamo po građi, strukturi, biološkim učincima i mehanizmima djelovanja BioNTrch/Pfizerovog cjepiva BNT162b2 (tozinameran, Comirnaty®) posvetili smo objašnjenju i ilustriranju načina na koji mRNA iz cjepiva u konačnici u našem organizmu dovodi do poticanja imunosti protiv SARS-CoV-2 virusa.

Prvi nastavak je analizirao temeljne genetičke osnove i biokemijski sastav tog cjepiva. Bez osnovnog baratanja tim pojmovima, praćenje današnjeg teksta moglo bi biti unekoliko otežano. Stoga toplo preporučamo onima koji ga nisu pročitali da krenu ispočetka, slijedeći ovaj link.

Cjepivo kao slamka spasa

Njemačka tvrtka BioNTech udružila se s tvrtkom Pfizer u razvoju i testiranju anti-koronavirusnog cjepiva poznatog kao BNT162b2, generičkog naziva tozinameran, brendiranog kao Comirnaty®. Kliničko ispitivanje pokazalo je da cjepivo ima učinkovitost od 95 posto u prevenciji Covid-19, a u prosincu 2020. je – nakon službenog odobrenja za masovnu primjenu – započelo cijepljenje i istovremena distribucija cjepiva državama koje su ga tjednima i mjesecima unaprijed rezervirale i naručile.

To naručivanje unaprijed nije začuđujuće, jer zdravstvene službe (ambulantni djelatnici, laboratorijski inženjeri i tehničari, sanitetski transport, epidemiolozi, infektolozi, intenzivisti, anesteziolozi, medicinske sestre i tehničari, pomoćno i nemedicinsko osoblje), baš kao i oprema u njima (dijagnostički aparati, krevetni fond, instalacije za kisik, agregati, laboratorijski resursi, anesteziološki traktovi, respiratori i drugi strojevi za potporu disanju…) u mnogim državama su već mjesecima bili napregnuti do rubova ekonomskih,  fizičkih i mentalnih kapaciteta: od COVID-19 se tijekom 2020. godine ukupno razboljelo preko 87.000.000 ljudi u svijetu (prosječno skoro 240.000 novih slučajeva svakoga dana, odnosno prosječno 10.000 novooboljelih svakoga pojedinog sata tijekom punih godinu dana), od kojih je najmanje 60% u nekom trenutku zatražilo neki oblik liječničke pomoći. Čak i kada se te brojke rasporede po cijelom globusu, i dalje su velike i fascinantne.

Covid-centar za respiratornu potporu: angažiranje velikih količina sofisticirane opreme i velikog broja subspecijalistički educiranog zdravstvenog osoblja tijekom dugotrajnog vremenskog razdoblja, uz visoke troškove
Covid-centar za respiratornu potporu: angažiranje velikih količina sofisticirane opreme i velikog broja subspecijalistički educiranog zdravstvenog osoblja tijekom dugotrajnog vremenskog razdoblja, uz visoke troškove

Kako za COVID-19 još uvijek nije pronađen specifičan lijek unatoč brojnim pokušajima liječenja do sada poznatim lijekovima i njihovim kombinacijama, za lakše oblike bolesti (one „poput malo jače gripe“) djelotvornima su se pokazale standardne mjere protiv viroze (mirovanje, simptomatsko liječenje temperature i bolova, češnjak, slanina, čvarci, rakija, pileća juhica…), no teži oblici su zahtijevali hospitalizaciju i intenzivno liječenje, snažne protuupalne lijekove, a nerijetko i strojnu potporu disanju (intubacija, stavljanje na respirator).

Stoga je cjepivo – kao sredstvo individualne i masovne zaštite od obolijevanje i daljnjeg eksplozivnog širenja COVID-19 – bilo dočekano kao slamka spasa za ljudske živote, ali i za zdravstvene službe i nadasve za posrnule ekonomije većine država u svijetu.

Rasprave o (ne)ispravnosti, (ne)upitnosti i (ne)uspješnosti različitih strateških pristupa epidemiološko-ekonomsko-sociološkom tretiranju pandemije COVID-19 na razini pojedinih država ostavit ćemo za neke druge tekstove i prilike, a ovdje ćemo nastaviti što smo započeli u prvom dijelu „cijepne trilogije“: pokušat ćemo jednostavnim rječnikom i uz puno lijepih sličica objasniti biološke mehanizme kojima BioNTrch/Pfizerovo cjepivo BNT162b2 mRNA uspijeva u našem organizmu potaknuti obrambeni odgovor i imunološku memoriju protiv virusa SARS-CoV-2.

Šiljak: dio coronavirusa za vezivanje i prepoznavanje

Kako već znamo, virus SARS-CoV-2 je izvana načičkan izdancima, tipično oblikovanim šiljcima građenim od proteina (tzv. spike-proteini) koje virus koristi kako bi se njima „zakačio“ na ljudske stanice i omogućio svoj ulazak u njih. Treba još jednom naglasiti da virusni šiljci i njihovi spike-proteini nisu uzročnici COVID-19, nego po naše zdravlje bezopasan vezivni mehanizam za prianjanje virusa na stanicu; tek nakon što cijeli virus uđe u stanicu, posve druge molekule iz njegove unutrašnjosti uzrokuju bolest.

No, s obzirom da se nezaštićeni i istaknuti nalaze na površini virusa, ti šiljci predstavljaju vrlo primamljivu metu za imunološki sustav obrane našeg organizma: kao što mi ne prepoznajemo ljude po njihovoj unutrašnjosti nego po vanjštini („Jao, gospođo, vaše mi je lice dobro poznato, ali vaš želudac, bubreg, jetru i slezenu nikada ne bih prepoznao otprve“), tako i imunološki sustav najprije prepoznaje „nepoželjne goste“ po njihovim „surface-antigenima“, proteinima koji se nalaze u vanjskim dijelovima virusa ili bakterije.

U prethodnom članku razjašnjen je postupak kojim se od šiljaka SARS-CoV-2 virusa i njihovih spike-proteina u laboratoriju proizvodi mRNA, 4284 znaka dugačak genski kôd koji sadrži kompletno „uputstvo“ za proizvodnju spike-proteina u stanicama do kojih uspije doprijeti nakon cijepljenja.

mRNA unutar masne ljuske

U cjepivu se dakle nalazi messenger RNA, kratki kôd od genetskog materijala kojega naše stanice „čitaju“ kako bi stvorile spike-protein. Molekula - koja se ukratko naziva mRNA - je nestabilna i krhka; naši bi je prirodni enzimi razgradili u komadiće kada bi u svojoj originalnoj formi bila ubrizgana izravno u naše tijelo. Kako bi zaštitili krhku mRNA u cjepivu, Pfizer i BioNTech su ju „zapakirali“ u masne (lipidne) mjehuriće i nazvali ih lipidne nanočestice.

Lipidi unutar kojih je „upakirana“ mRNA imaju dvije uloge: zaštititi nestabilne kôdne molekule mRNA i olakšati transport mRNA u unutrašnjost stanice (jer kôd za stvaranje spike-proteina treba doći do ribosoma, stanične tvornice proteina koja se nalazi u njenoj unutrašnjosti) - podsjetite se o tome u prvom nastavku trilogije.

Zbog svoje krhkosti, molekule mRNA bi se na sobnoj temperaturi vrlo brzo razgradile. Zato su osmišljeni posebni spremnici hlađeni suhim ledom, opremljeni termičkim senzorima (koji su pak centralno kontrolirani GPS-sustavom!) kako bi se osiguralo da se cjepiva mogu transportirati na –70°C (±10°C) i pritom održati stabilnu biokemijsku strukturu molekule mRNA.

GPS-om opremljeni termički senzori povezani su 24 sata dnevno, sedam dana u tjednu s kontrolnim sustavom koji pratiti lokaciju i temperaturu svake pošiljke cjepiva na njihovim unaprijed postavljenim rutama. Ovakvim kontrolnim sustavom Pfizer proaktivno sprečava neželjena odstupanja temperature spremnika sa cjepivom i prije nego što temperatura „pobjegne“ izvan propisanih limita.

Ulazak mRNA iz cjepiva u stanicu

No, prijeđimo napokon s tehnikalija na imunologiju! Nakon injekcije u mišić, lipidne nanočestice iz cjepiva dolaze u dodir s tjelesnim stanicama (mišićnim, vezivnim, krvnim, epitelnim), te se pomoću lipidne ovojnice stapaju s membranom tih stanica (koja je slične višeslojne lipidne građe), oslobađajući „golu“ mRNA u unutrašnjost stanice. U stanici se mRNA ponaša kao svaka druga mRNA: dolazi do ribosoma koji očitavaju slijed kodona u mRNA („dešifriraju“ poruku) i na temelju te informacije stvaraju lance spike-proteina građene od aminokiselina koje do ribosoma donose stanični nosači (tRNA, transportne RNA molekule).

Cijeli postupak očitavanja mRNA u ribosomu i sinteze spike-proteina traje samo 2-3 minute; nakon dovršenog očitavanja, stanični enzimi uništavaju mRNA iz cjepiva, ne ostavljajući nikakav trajni trag, što nalikuje scenama (ako ih se sjećate) iz filmova franšize Mission Impossible, gdje glavni junak prima šifriranu informaciju o svojem zadatku, nakon čega se aparat i medij sa zapisom informacije samouništavaju bez traga.

Zbog brzine proizvodnje u ribosomima i brzine enzimskog uništavanja mRNA, prosječni poluživot molekule mRNA u stanici je jedva 5 minuta, upravo koliko je potrebno da se po njenom „kalupu“ započne s proizvodnjom spike-proteina, nakon čega se mRNA nepovratno razgradi. Dakle, ne postoji nikakvo „upisivanje“ podataka s mRNA iz cjepiva u naše gene na DNA, koja se štoviše nalazi iza još jednog „zida“, unutar membrane stanične jezgre, u koju mRNA ionako više ne može ući jer je svoj lipidni omotač („propusnicu“ za prolaz kroz membrane) izgubila pri ulasku u sâmu stanicu.

Sada „cijepljena“ stanica u sebi ima spike-proteine koje je sâma izgradila po uputi upisanoj na (već raspadnutoj) mRNA iz cjepiva. Jedan dio tih spike-proteina se uzajamno spaja u „šiljke“ koji iz unutrašnjosti migriraju na površinu stanice i tamo strše iz stanične membrane baš kao što inače strše iz SARS-CoV-2 virusa. Kažemo da stanica „prezentira“ šiljke. Osim stvaranja kompletnih šiljaka, „cijepljene“ stanice razgrade dio spike-proteina u manje fragmente koje također „prezentiraju“ na svojoj površini.

Prezentiraju – kome ili čemu? Odgovor na to pitanje ključ je početka prepoznavanja SARS-CoV-2 virusa kao „nepoželjnog“: prezentirane šiljke i fragmente spike-proteina prepoznaje naš imunološki sustav. A prepoznaje ih kao nepoželjnu, stranu, opasnu tvar. U biologiji se takve imunološki „neželjene“ tvari u organizmu nazivaju zajedničkim imenom „antigen“. A na kontakt s antigenom naš imunološki sustav pokreće snažnu obrambenu reakciju.

Prezentiranje, prepoznavanje, aktiviranje

Nakon što „cijepljena“ stanica prezentira virusne antigene (tj. virusne šiljke i njihove fragmente), na nju „nasrnu“ obrambene stanice s prvih borbenih crta našeg imuniteta i uništavaju ih. Raspadnuta cijepljena stanica sadrži veliku količinu spike-proteina i njihovih fragmenata, koji sada zajedno sa ostacima stanice predstavljaju debris, „stanični otpad“ kojega tjelesni „čistači dođu počistiti i razgraditi. Među tim „čistačima“ nalazi se i posebna klasa imunoloških stanica, poznatih po nekoliko naziva: dendritičke stanice, akcesorne stanice ili stanice koje prezentiraju antigen ili APC (antigen-presenting cells).

One fagocitiraju („pojedu“) ostatke spike-proteina i fragmenata, te ih potom – kako im ime kaže – prezentiraju (izlože, predstave) drugim imunološkim stanicama u našem organizmu. Kao da govore: „Hej, vojsko, pazi 'vamo, slušaj kad ti govorim! Ovo je neprijateljski antigen, ovako izgleda naš novi, do sada nepoznati protivnik!

APC-stanice prezentiraju spike-proteine (sada ih već možemo zvati virusni antigeni) na svojoj površini, te pokreću naš imunološki odgovor u dva osnovna smjera, angažiranje naših dvaju osnovnih „rodova imunološke vojske“: staničnu imunost (u vidu imunoloških stanica-ubojica, tzv. killer-stanica)  i tzv. humoralnu imunost (u obličju imunoglobulina, tj. protutijela).

Na slici koja prikazuje APC-stanicu vidljivo je i kako ona aktivira tzv. helper T-limfocit, pomagačku stanicu koja nakon aktivacije virusnim antigenom podiže alarm i pomaže u masovnom angažiranju prvog roda imunološke vojske: stanične imunosti u borbi protiv infekcije virusom, ali istovremeno pomaže i u angažiranju humoralne imunosti.

Masovno stvaranje protutijela

Drugi rod imunološke vojske, humoralnu imunost, predstavljaju tzv. B-limfociti. One mogu „naletjeti“ na šiljke koronavirusa na površini „cijepljenih“ stanica ili na slobodno plutajuće fragmente spike-proteina, a kada ih još dodatno potaknu „nabrijani“ T-helperi, B-limfociti će se početi ubrzano razmnožavati i istovremeno proizvoditi veliku količinu imunoglobulina, imunoloških molekula koje služe kao protutijela (antitijela) protiv virusnih antigena.

Protutijela će se potom masovno „zakačiti“ za šiljke koronavirusa, i izvršiti dvije osnovne aktivnosti: označit će virus kao cilj uništavanje tzv. „killer-limfocitima“ (dakle, poslužit će poput „dimnih markera“ za označavanje ciljeva topništvu, avijaciji, tenkovima…), a s druge strane će svojim prianjanjem na virusne šiljke spriječiti ili barem snažno usporiti širenje infekcije (fizičkim sprečavanjem šiljaka da se prikače na naše stanice i inficiraju ih).

Koliko je to trajno rješenje?

Cjepivo Pfizer-BioNTech se primjenjuje u dvije doze u razmaku od 21 dan. No budući da je cjepivo posve novo – baš kao i COVID-19 i njegov uzročnik, virus SARS-CoV-2 koje poznajemo tek godinu dana – još uvijek se ne može pouzdano reći koliko bi dugo mogla trajati imunost postignuta cijepljenjem. Za sada se, logikom praćenja stanja imunosti nakon preboljenja COVID-19, pretpostavlja kako bi zaštita cjepivom trebala trajati najmanje 6 do 9 mjeseci, a vjerojatno i duže od toga (no, nemamo „kristalnu kuglu“ u kojoj možemo vidjeti u budućnost i predvidjeti koliko će imunost protiv ovoga koronavirusa zaista trajati – kako ona stečena bolešću, tako ni ona stečena cijepljenjem).

Za sada znamo da cjepivo osigurava snažnu zaštitu već za otprilike 10 dana nakon prve doze: u usporedbi s ljudima koji su tijekom treće faze dvostruko-slijepih kliničkih testiranja (double-blind je naziv za testove kod kojih ni oni koji primaju ni oni koji primjenjuju cjepivo ne znaju je li u injekciji zaista cjepivo ili je placebo) primili Pfizerovo cjepivo, dragovoljci koji su dobili placebo su se nakon kontakta s virusom razbolijevali od COVID-19 u skoro eksponencijalno rastućem kumulativnom broju, dok među cijepljenim osobama već 10 dana iza prve doze praktički nije bilo pojave COVID-19 bolesti.

U mjesecima nakon cijepljenja količina (titar) protutijela stvorenih u B-limfocitima i broj killer T-limfocita će postupno padati: i protutijela i killer-limfociti imaju svoj „rok trajanja“. No, naš imunološki sustav osim „borbenih“ B i T lifocita posjeduje i njihove „rođake“, posebne stanice nazvane memorijske B-stanice i memorijske T-stanice. One u sebi trajno nose „zapis“ o kontaktu našeg imunološkog sustava s antigenima, kao i podatke o načinu prepoznavanja i borbe protiv uzročnika svake bolesti koju smo preboljeli ili protiv koje smo cijepljeni.

Te stanice imaju sposobnost trajnog kloniranja samih sebe, te na taj način mogu zadržati informacije o svakom uzročniku bolesti, pa tako i o koronavirusu, tijekom znatno dužeg vremena: godinama ili čak desetljećima, pa i doživotno. Kod svakog idućeg kontakta s antigenom (dakle, ukoliko se SARS-CoV-2 virus odluči pokušati iznova inficirati osobu koja posjeduju imunološku memoriju), memorijske stanice prepoznaju antigen (spike-protein) i odmah pokreću vrlo snažan imunološki odgovor: angažiraju T-helpere da stimuliraju B-limfocite na umnožavanje i proizvodnju velike količine specifičnih protutijela protiv virusa, kao i T-killer limfocite da se „bace“ na viruse svojim ubojitim oružjima.

Za kraj, samo napomena: do sada su zapažena dva značajnija „mutirana“ oblika SARS-CoV-2 virusa (u Engleskoj i Južnoj Africi), no te mutacije nisu izmijenile način na koji mRNA iz cjepiva potiče našu imunost. Dakle, Pfizer-BioNTech mRNA cjepivo je djelotivorno i protiv tih varijanti SARS-CoV-2 virusa.

U trećem, posljednjem nastavku ove sage ćemo ukratko analizirati kôd mRNA iz cjepiva i uvrditi koje su mu instrukcijske domene u cijepljenim stanicama, te odgovoriti na nekoliko najčešćih pitanja o cjepivu i njegovoj primjeni. Stay connected!

 

 

 

Igor „Doc“ Berecki je pedijatar-intenzivist na Odjelu intenzivnog liječenja djece Klinike za pedijatriju KBC Osijek. Od posla se opušta antistresnim aktivnostima: od pisanja svojevremeno popularnih tekstova i ilustracija u tiskanom izdanju časopisa BUG, crtkanja grafika i dizajna, zbrinjavanja pasa i mačaka, fejsbučkog blogiranja o životnim neistinama i medicinskim trivijama, sve do kuhanja upitno pitkih craft-piva i posve probavljivih jela, te sviranja slabo probavljivog bluesa.



3-smjerni podni audiofilski zvučnici

FOCAL Aria 926

Klasičan i moderan dizajn, 45Hz - 28kHz, točka niske frekvencije 6 dB 37Hz, 91.5dB, 8 ohma, 40 - 250W.

18.999 kn Kupi

2-smjerni bookshelf zvučnici

MONITOR AUDIO SILVER 50

Snažan zvuk s impresivnim razmjerom i dinamikom, 100 W RMS, 52 Hz – 35 kHz, 8 ohma, 87 dB, 40 – 100 W, HiVe II sustav priključaka.

4.399 kn Kupi