Vaccinurile ARN sunt fragile și au nevoie, în prezent, de condiții stricte de păstrare la rece. Cercetătorii de la MIT au folosit inteligența artificială pentru a găsi o formulă de nanoparticule lipidice care protejează ARN-ul la temperaturi mult mai ridicate. În experimente, vaccinurile au rămas biologic active după mai mult de două luni la 37 °C și după un an la temperatura camerei. Rezultatele au fost obținute la animale, astfel că metoda mai trebuie testată înainte de a putea fi utilizată pentru vaccinuri destinate oamenilor.
Vaccinurile ARN au schimbat modul în care oamenii de știință privesc dezvoltarea vaccinurilor. În loc să introducă direct în organism o proteină sau o formă atenuată a unui agent patogen, aceste vaccinuri folosesc o moleculă de ARN mesager care oferă celulelor instrucțiunile necesare pentru a produce temporar o anumită proteină. Sistemul imunitar recunoaște apoi proteina și își construiește răspunsul de apărare.
Există însă o problemă: ARN-ul este o moleculă foarte fragilă. Pentru a ajunge intact în interiorul celulelor, el este învelit în nanoparticule lipidice, cunoscute sub abrevierea LNP. Aceste structuri au rolul de a proteja ARN-ul și de a facilita pătrunderea sa în celule.
Chiar și așa, vaccinurile ARN au rămas dependente de lanțul frigorific. În funcție de formulare, temperaturile de depozitare pot ajunge la aproximativ −20 până la −80 °C. O asemenea cerință nu este doar o problemă tehnică. Ea poate face mult mai dificil transportul vaccinurilor în regiuni unde infrastructura de refrigerare și congelare este limitată.
Iar aici apare una dintre cele mai interesante întrebări ale cercetătorilor: dacă ARN-ul poate fi protejat suficient de bine, mai este oare necesară păstrarea lui la temperaturi atât de scăzute?
Inteligența artificială caută combinația potrivită
Echipa de la MIT, coordonată de Ana Jaklenec și Robert Langer, a încercat să rezolve problema modificând mediul din jurul nanoparticulelor lipidice. Cercetătorii au pornit de la aproape 50 de substanțe aprobate pentru utilizare farmaceutică, numite excipienți. Acestea pot include zaharuri, săruri sau polimeri și pot influența stabilitatea unei formulări.
Problema este că numărul combinațiilor posibile devine foarte mare. Testarea tuturor variantelor prin metoda tradițională, una câte una, ar necesita foarte mult timp și foarte multe experimente.
În loc să caute pur și simplu printr-un număr enorm de combinații, cercetătorii au apelat la un algoritm de inteligență artificială numit AGENT – Algorithm-Guided Experimental design for lipid Nanoparticle Thermostabilization. Sistemul utilizează optimizare bayesiană pentru a învăța din rezultatele experimentelor și pentru a decide ce combinații merită testate în continuare.
Este un exemplu interesant despre modul în care AI poate fi folosit în cercetarea biomedicală: nu înlocuiește experimentul de laborator, ci ajută cercetătorii să aleagă mai inteligent următorul experiment.
În cazul de față, algoritmul a ajuns la o formulă promițătoare în doar șase iterații, desfășurate într-o perioadă de aproximativ o lună. Cercetătorii spun că, înainte de utilizarea AI, căutarea combinațiilor potrivite le consumase deja luni de muncă.
Vaccinurile ARN au rezistat la 37 °C
După identificarea formulei promițătoare, cercetătorii au trecut la teste mai dificile. ARN-ul a fost încorporat în nanoparticule lipidice și apoi formularea a fost transformată într-o stare solidă printr-un proces de uscare în vid. Această etapă este importantă deoarece eliminarea apei poate crește semnificativ stabilitatea materialului biologic.
Formulările dezvoltate de cercetători și-au păstrat 100% din bioactivitate după mai mult de două luni de depozitare la 37 °C. Pentru comparație, 37 °C este aproximativ temperatura corpului uman și este mult peste temperaturile obișnuite de depozitare pentru vaccinurile ARN. Cercetătorii au demonstrat, de asemenea, stabilitatea la temperatura camerei timp de până la un an.
Important este că nu a fost suficient ca molecula de ARN să rămână prezentă. Ea trebuia să rămână și funcțională. În experimente, vaccinurile păstrate în aceste condiții au produs răspunsuri imune comparabile cu cele obținute folosind vaccinuri proaspăt preparate. Testele au fost efectuate pe rozătoare și pe primate neumane.
Asta înseamnă că rezultatul nu este doar o simplă demonstrație a stabilității chimice a materialului. Molecula de ARN a continuat să-și îndeplinească funcția biologică după depozitarea la temperaturi ridicate.
De la frigider la plasture
Poate că cea mai interesantă consecință a studiului nu este doar posibilitatea de a transporta mai ușor vaccinurile. Odată ce un vaccin ARN devine suficient de stabil în stare solidă, apar și noi posibilități de administrare.
Cercetătorii de la MIT au folosit formularea lor pentru a crea plasturi cu microace. Aceștia conțin sute de ace microscopice care pot pătrunde în stratul superficial al pielii și pot elibera substanța activă. Microacele sunt suficient de mici încât administrarea să fie mult diferită de o injecție convențională.
În experimente, plasturii care conțineau antigenul SARS-CoV-2 au produs răspunsuri imune comparabile cu cele obținute prin administrarea injectabilă a vaccinului.
Imaginea de ansamblu începe astfel să se schimbe. Un vaccin ARN viitor ar putea, cel puțin în principiu, să fie produs într-o formă solidă, transportat fără congelare profundă și administrat printr-un plasture. Pentru zonele în care infrastructura medicală este limitată, o asemenea combinație ar putea avea avantaje importante.
Aceeași idee ar putea fi folosită și pentru alte vaccinuri ARN
Un alt rezultat important este că metoda nu pare să fie limitată la o singură formulare. Cercetătorii au lucrat cu nanoparticule lipidice reprezentative pentru formulele asociate vaccinurilor dezvoltate de Moderna și Pfizer-BioNTech. În cazul celor două sisteme lipidice testate, algoritmul a reușit să identifice formule termostabile.
Mai mult, cercetătorii consideră că, odată ce o formulare de nanoparticule lipidice devine suficient de stabilă, aceeași platformă poate fi adaptată pentru a transporta diferite tipuri de ARN. Acest aspect este important deoarece ARN-ul mesager nu este interesant doar pentru vaccinurile împotriva bolilor infecțioase. Tehnologia este investigată și pentru tratamente împotriva cancerului și pentru alte aplicații medicale.
Prin urmare, o metodă care rezolvă problema stabilității ar putea avea efecte mult mai largi decât simpla îmbunătățire a depozitării vaccinurilor.
Un pas important, dar nu încă o soluție pentru vaccinurile din farmacii
Rezultatele MIT sunt impresionante, însă este important să nu confundăm o demonstrație experimentală cu un produs medical gata de utilizare. Până acum, cercetătorii au demonstrat stabilitatea și eficiența formulărilor în experimente de laborator și în modele animale. Studiul a inclus rozătoare și primate neumane, nu pacienți umani.
Înainte ca o asemenea tehnologie să poată fi utilizată pe scară largă, vor fi necesare numeroase teste privind siguranța, eficiența, producția la scară industrială și stabilitatea pe termen lung. Vor trebui evaluate, de asemenea, toate aspectele legate de calitatea și controlul unei astfel de formulări.
Totuși, studiul demonstrează ceva esențial: dependența vaccinurilor ARN de temperaturile foarte scăzute nu trebuie neapărat privită ca o limită imposibil de depășit. Cu ajutorul unei combinații între biologie, chimie, nanotehnologie și inteligență artificială, cercetătorii au găsit o cale de a modifica tocmai componenta care protejează ARN-ul.
Sursa: MIT News