COVID-19 Salgınından Nobel’e: mRNA Aşı Teknolojisindeki Öncüler
Yusuf Çiçek
2023 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü, ‘‘COVID-19’a karşı etkili mRNA aşılarının geliştirilmesini sağlayan nükleosid baz modifikasyonlarına ilişkin keşifleri” nedeniyle Macar biyokimyager Katalin Karikó ve Amerikalı immünolog Drew Weissman’a verildi. Bu iki bilim insanın öncü çalışmaları, %95 etkinliği olan COVID-19 aşılarının bir yıldan kısa bir sürede geliştirilmesine imkân tanıyarak on milyonlarca ölümün önlenmesine ve insanlığın son yüzyılın en büyük salgınından kurtulmasına olanak sağlamıştır.1 İki araştırmacının geliştirdiği mesajcı RNA (mRNA) tabanlı yaklaşım, 2020 yılından itibaren dünya genelinde milyarlarca kez uygulanan COVID-19 aşılarının temelini oluşturarak aşı teknolojisinde büyük bir dönüşümü başlatmıştır. Bu gelişme, gelecekte kanser gibi ölümcül hastalıklara karşı koruyucu aşıların geliştirilmesinin de temelini atmıştır.
İnsan vücudu zararlı patojenlere karşı koruma konusunda hayati bir rol üstlenen lenfosit, makrofaj, dentritik ve doğal katil hücreleri gibi elemanların yer aldığı karmaşık bir bağışıklık sistemine sahiptir. Bu sistem aynı zamanda, DNA ve RNA gibi farklı nükleik asit türlerini ayırt edebilme ve bu nükleik asit türlerine farklı şekilde yanıt verebilme gibi ilginç bir yeteneğe sahiptir. Bu özellik ağırlıklı olarak bağışıklık hücrelerinin zarlarında yer alan Toll-benzeri reseptörler (TBR) [Toll-like receptor] ismindeki bir grup protein aracılığıyla gerçekleşmektedir. TBR’lar, bakteri, virüs veya mantar gibi patojenlerin komponentlerine (bu organizmaların DNA ve/veya RNA parçaları da dahil) bağlanarak onların vücut hücrelerine girdiğini algılayarak bağışıklık yanıtını başlatmaktadır. TBR’ler, doğuştan gelen bağışıklık sisteminin tepkisini düzenlemek ve patojenlere karşı hızlı bir savunma oluşturmak için büyük önem taşımaktadır.
Bilim tarihinde uzun süre boyunca, bakteri ve memeli DNA’sının aynı kimyasal yapıya sahip olduğu düşünülmüş ve bu durum neden memeli DNA’sının değil de yalnızca bakteri DNA’sının bağışıklığı uyarıcı etkiye sahip olduğunun anlaşılmasını engellemiştir. Ancak son yıllarda DNA’nın dizisi ve yapısal çeşitliliğinin daha iyi anlaşılmasıyla, bakteriyel ve viral DNA’lar için karakteristik olan metillenmemiş CpG (sitozin-fosfat-guanin) motiflerini içeren DNA’ların bağışıklığı uyarıcı etkisinin olduğu gösterilmiştir. Ardından Dr. Kariko ve Dr. Wissman’ın çalışmaları, “Çeşitli TBR’ler üzerinden bağışıklığı uyarıcı etkinliği bulunan RNA’ların da acaba benzer modifikasyonlar aracılığıyla bağışıklığı uyarıcı etkinliği düzenlenebilir mi?” sorusu üzerine yoğunlaşmıştır. İki araştırmacının 2005 yılında birlikte yayımladıkları çalışmada dendritik hücrelerin çeşitli modifikasyonlarına uğramış RNA’lara maruz bırakıldıklarında modifikasyona uğramamış in vitro üretilen RNA’lara maruz bırakılmalarına kıyasla daha az bir sitokin salınımı ve bağışıklık aktivasyon belirteci ortaya çıktığını göstermişlerdir. RNA’nın TBR ailesinden 3,7 ve 8 üzerinden etki gösterdiğini ve bu etkinin birtakım modifikasyonlarla (üridin yerine psödoüridin gelmesi, ek olarak 5-metilsitidin (m5C), 6-metiladenosin (m6A), inosin ve birçok 2’-O-metillenmiş nükleosid gibi) zayıflatılabileceğini kanıtlamışlardır. Bu çalışma doğuştan gelen bağışıklık sisteminin, özellikle nükleozit değişiklikleri içermeyen belirli RNA tiplerine karşı seçici bir yanıtının olduğu göstermiştir ki bu da vücudun patojenler ile kendi bileşenleri arasında ayrım yapabilme yetisinin nasıl gerçekleştiğini açıklayabilmektedir.2
RNA’nın her biri farklı rollere sahip; mRNA, taşıyıcı RNA (tRNA), susturucu RNA (siRNA) ya da ribozomal RNA (rRNA) gibi birçok çeşidi mevcuttur. Bunların içinden mRNA molekülleri ise proteinlerin biyosentezi sırasında ‘‘kalıp’’ görevi görmektedir. 1980’lerde hücre kültürlerine olan gereksinimi ortadan kaldıran ve “in vitro transkripsiyon” olarak bilinen etkili yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemlerin geliştirilmesi, in vitro mRNA üretim süreçlerini hızlandırarak yeni aşıların geliştirilmesi ve gen terapileri başta olmak üzere birçok kritik tıbbi uygulama alanında potansiyel oluşturmuştur. Ancak bu potansiyel iki büyük engel ile karşı karşıya kalmıştır. Bunlardan birincisi, in vitro transkripsiyon ile üretilen mRNA moleküllerinin son derece kırılgan halde olması ve bu nedenle organizmaya taşınmaları için karmaşık taşıma sistemlerine ihtiyaç duyulmasıdır. İkincisi ise in vitro transkripsiyon ile üretilen mRNA’ların bağışıklığı uyarıcı etkisi nedeniyle vücutta inflamasyona neden olmasıdır. Dr. Katalin Karikó ve Dr. Drew Weissman bu sorunlarına çözüm getirmek amacıyla çeşitli araştırmalar gerçekleştirmiştir. 2008 yılında yayımlanan çalışmalarında mRNA’ları baz modifikasyonuna uğratarak üridin yerine psödoüridin içeren mRNA formlarını üretmişler ve ardından memeli hücreleri ile deney hayvanları üzerine uygulamışlardır. Bu uygulama sonucunda modifiye edilmiş mRNA’ların, modifiye edilmemiş olanlara kıyasla çok daha fazla protein üretimine yol açtığı ve bu mRNA’lara karşı bağışıklık yanıtını gösteren interferon-α üretiminin çok daha az gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Bu araştırmanın umut verici sonuçları bu alandaki çalışmaları hızlandırmış ve iki araştırmacının öncülüğünde çok daha iyi protein üretiminin sağlandığı, çok daha az yangı oluşuma neden olan kararlı forma sahip bir dizi RNA modifikasyonu gerçekleştirilmiştir.3
Bununla birlikte araştırmacılar modifiye edilen RNA’ların organizmaya ulaştırılması sırasında yaşanan sorunları çözebilmek için çeşitli ileri düzey taşıyıcıyı kullanıma sokmaya çalışmıştır. 2015 yılında yayımlanan çalışmalarında daha saf halde ettikleri 1-metilpsödouridin içeren modifiye mRNA’ları ‘‘Lipid nanopartikülleri’’ adı verilen taşıyıcılara yükleyerek deney hayvanlarına 6 farklı yoldan (deri altına, deri içine, kas içine, damar içine, trakea içine, periton içine) enjekte etmişler. Sonuç olarak hem lokal olarak hem de sistemik olarak hedeflenen proteinlerin üretiminin etkili bir şekilde gerçekleştiği sonucuna ulaşmışlardır.4 Dr. Katalin Karikó ve Dr. Drew Weissman’ın öncülük ettiği bu alanda üretilen bilimsel çalışmalar, kararlı formdaki modifiye mRNA’ların verimli olarak üretimi ve in vivo taşınımının sağlanmasıyla, etkinliği yüksek ve yan tesiri düşük yeni terapötiklerin geliştirilmesine olanak sağlamıştır. Bu terapötiklerin yakın gelecekte farklı tedavi modaliteleri aracılığıyla tıp alanında geniş bir yelpazede kendine yer bulması öngörülmektedir.5
mRNA tabanlı terapötiklerin; kanser immünoterapisinde, bulaşıcı ajanlara karşı mücadelede, otoimmün hastalıkların durdurulmasında ve genetik hastalıkların tedavisindeki potansiyeli heyecan verici olsa da 2023 Nobel Tıp ve Fizyoloji ödülünü Dr. Katalin Karikó ve Dr. Drew Weissman’a götüren en büyük etken, şüphesiz ki, dünyayı bütünüyle etkisi altına alan ve insanlık tarihinde büyük bir iz bırakan COVID-19 salgınının mRNA teknolojisinin ürünleri sayesinde global ölçekteki yıkıcı etkisini yitirmesi olmuştur.
Katalin Karikó: 1955 yılında Macaristan’ın Szolnok şehrinde doğdu. Doktora derecesini 1982 yılında Szeged Üniversitesinden aldı ve 1985 yılına kadar Szeged’deki Macar Bilimler Akademisinde doktora sonrası araştırmalar yaptı. Daha sonra Philadelphia’daki Temple Üniversitesi ve Bethesda Sağlık Bilimleri Üniversitesinde doktora sonrası araştırmalar yaptı. 1989 yılında Pensilvanya Üniversitesine doçent olarak atandı ve 2013 yılına kadar bu görevde kaldı. Daha sonra BioNTech RNA Pharmaceuticals’da başkan yardımcısı ve kıdemli başkan yardımcısı oldu. 2021 yılından bu yana Szeged Üniversitesinde profesör ve Pensilvanya Üniversitesi Perelman Tıp Fakültesinde Doçent olarak görev yapmaktadır.
Drew Weissman: 1959’da Lexington, Massachusetts, ABD’de doğdu. Tıp-Bilim doktoru (MD, PhD) derecelerini 1987 yılında Boston Üniversitesinden aldı. Klinik eğitimini Harvard Tıp Fakültesi Beth Israel Deaconess Tıp Merkezinde, doktora sonrası araştırmalarını ise Amerika Ulusal Sağlık Enstitülerinde yaptı. 1997 yılında Pennsylvania Üniversitesi Perelman Tıp Fakültesinde araştırma grubunu kurdu. Aşı araştırmalarında Roberts ailesi profesörü ve Penn RNA Yenilikleri Enstitüsü direktörüdür.
Kaynakça
1. Phizer. Pfizer and BioNTech Conclude Phase 3 Study of COVID-19 Vaccine Candidate, Meeting All Primary Efficacy Endpoints. https://www.pfizer.com/news/press-release/press-release-detail/ pfizer-and-biontech-conclude-phase-3-study-covid-19-vaccine. Erişim Tarihi: 8.11.2023
2. Karikó K, Buckstein M, Ni H, Weissman D. Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors: the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA. Immunity. 2005;23(2):165-175. doi:10.1016/j.immuni.2005.06.008
3. Karikó K, Muramatsu H, Welsh FA, Ludwig J, Kato H, Akira S, Weissman D. Incorporation of pseudouridine into mRNA yields superior nonimmunogenic vector with increased translational capacity and biological stability. Mol Ther. 2008;16(11):18331840. doi:10.1038/mt.2008.200
4. Pardi N, Tuyishime S, Muramatsu H, Kariko K, Mui BL, Tam YK, Madden TD, Hope MJ, Weissman D. Expression kinetics of nucleoside-modified mRNA delivered in lipid nanoparticles to mice by various routes. J Control Release. 2015;217:345-351. doi:10.1016/j.jconrel.2015.08.007
5. Sahin U, Karikó K, Türeci Ö. mRNA-based therapeutics–developing a new class of drugs. Nat Rev Drug Discov. 2014;13(10):759-780. doi:10.1038/ nrd4278
