Η BioNTech πρόκειται μέσα στις επόμενες βδομάδες να ξεκινήσει σε ανθρώπους τις πρώτες δοκιμές mRNA εμβολίων κατά της ελονοσίας, της φυματίωσης και του έρπητα των γεννητικών οργάνων. Η εταιρεία σε συνεργασία επίσης με την Pfizer θα δοκιμάσει ένα εξελιγμένο εμβόλιο mRNA για τον έρπητα ζωστήρα, παράλληλα με τη Moderna που λανσάρει επίσης υποψήφια εμβόλια mRNA για τον έρπητα των γεννητικών οργάνων και τον έρπητα ζωστήρα. Τον Νοέμβριο του 2022 η BioNTech και η Pfizer ξεκίνησαν δοκιμή φάσης Ι ενός εμβολίου mRNA διπλής προστασίας από COVID-19 και γρίπη, το οποίο περιέχει κλώνους mRNA που κωδικοποιούν πρωτεΐνες σύνδεσης για SARS-CoV-2, για Omicron BA.4/BA.5 και για τέσσερις παραλλαγές του ιού της γρίπης. Άλλες εταιρείες διερευνούν τη δυνατότητα χορήγησης εμβολίων για τον κορωνοϊό μέσω ρινικών εκνεφωμάτων (σπρέι) ταχείας δράσης, που φαίνονται αποτελεσματικά στα πειραματόζωα, αλλά απέχουν πολύ από τις δοκιμές σε ανθρώπους.
Η επιτυχία των εμβολίων Pfizer-BioNTech και Moderna κατά του κορωνοϊού αποδίδεται κυρίως στα λιπιδικά νανοσωματιδία (Lipid Nano Particles, LNPs), που λειτούργησαν ως ένας τύπος “νανο-κούριερ” του mRNA και που χωρίς αυτά, το βιολογικό μόριο δεν θα είχε φυσική και βιολογική σταθερότητα και θα δυσκολευόταν να διαπεράσει τις κυτταρικές μεμβράνες. «Τα νανοτεχνολογικά “οχήματα” που χρησιμοποιούνται στα εμβόλια είναι υψηλής τεχνολογίας και προστατεύουν το υπερευαίσθητο mRNA κατά την χορήγηση του στον οργανισμό αλλά και κατά τη μεταφορά και την αποθήκευση του πριν να χορηγηθεί στον άνθρωπο», εξηγεί ο Καθηγητής Φαρμακευτικής Νανοτεχνολογίας, του ΕΚΠΑ, κ. Κωνσταντίνος Δεμέτζος, ο οποίος είναι ο μοναδικός Έλληνας επιστήμονας που ειδικεύεται σε αυτόν τον τομέα στην Ελλάδα, διευθύνοντας ένα εργαστήριο που πρωτοπορεί σε εθνικό και διεθνές επίπεδο στην ανάπτυξη νανοτεχνολογικών θεραπευτικών προϊόντων.
O Καθηγητής Φαρμακευτικής Νανοτεχνολογίας, του ΕΚΠΑ, κ. Κωνσταντίνος Δεμέτζος
Σύμφωνα με τον ίδιο, στη μετα-COVID εποχή τα λιπιδικά νανσωματίδια (LNPs) εμπλέκονται σε νέες προκλήσεις παγκόσμιου χαρακτήρα που σχετίζονται με βελτιωμένη παρασκευή, αποθήκευση και παράδοση εμβολίων RNA. Για να συνεχιστεί η επιτυχία των εμβολίων, τα σκευάσματα θα πρέπει να βελτιωθούν τόσο ως προς το ωφέλιμο φορτίο RNA όσο και ως προς το είδος των LNPs «οχημάτων» μεταφοράς. Και ακριβώς σε αυτά επικεντρώνεται η μελλοντική έρευνα.
Focus στα λιπιδικά νανοσωματίδια
Τα LNPs είναι λιπιδικά νανοσυστήματα που προσφέρουν μια σειρά πλεονεκτημάτων συγκριτικά με άλλες προσεγγίσεις για την ανάπτυξη εμβολίων και θα μπορούσαν να αποτελέσουν σημαντικό μέρος οποιουδήποτε επιτυχημένου προγράμματος παραγωγής εμβολίων RNA/DNA. Το πρόθεμα νανο- αντιστοιχεί σε διάσταση ενός δισεκατομμυριοστού του μέτρου, δηλαδή εκατοντάδες φορές μικρότερη από το πλάτος της ανθρώπινης τρίχας, άρα μιλάμε για ουσιαστικά αόρατα με γυμνό μάτι συστήματα.
«Στη δημιουργία λιπιδικών νανο-οχημάτων για τη μεταφορά mRNA στα κύτταρα εμπλέκονται διαφορετικές κατηγορίες λιπιδίων. Ορισμένα λιπίδια διευκολύνουν την ενθυλάκωση του mRNA και την ενδοσωμική διαφυγή (π.χ ιονιζόμενα λιπίδια), ενώ άλλα λιπίδια όπως η χοληστερόλη και τα φωσφολιπίδια έχουν δομικούς ρόλους και βοηθούν τα LNPs να συγχωνεύονται με τις κυτταρικές μεμβράνες. Τέλος, η προσθήκη PEGylated λιπιδίων βοηθά στην παρατεταμένη κυκλοφορία των LNPs στον ανθρώπινο οργανισμό και στην βιολογική σταθερότητα τους», διευκρινίζει ο Καθηγητής Δεμέτζος.
Για παράδειγμα, τα βασικά λιπίδια που χρησιμοποιούνται στο γνωστό εμπορικά ως Spikevax, εμβόλιο κατά του κορωνοιού για ενήλικες άνω των 18 ετών της Moderna είναι ιονισμένα λιπίδια που επηρεάζουν τη σταθερότητα του εμβολίου μέσω της δημιουργίας ισχυρών ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων και του σχηματισμού σταθερού συμπλόκου μεταξύ LNP και mRNA. Η αποικοδόμηση αυτών των δεσμών κατά την αποθήκευση διαταράσσει τη δομική ακεραιότητα του LNP και οδηγεί σε κακή παράδοση του mRNA στα κύτταρα-«στόχους».
Σε ένα άλλο παράδειγμα, οι ερευνητές προτιμούν τη χορήγηση θεραπευτικών μορίων με εισπνοή απευθείας στους πνεύμονες, μεγιστοποιώντας τη συγκέντρωση του φαρμάκου τοπικά. Έτσι, η Moderna αναπτύσσει τώρα μια νέα σύνθεση LNPs για την απελευθέρωση mRNA στους πνεύμονες, ενώ μελετά και άλλα σκευάσματα LNP για ενδομυϊκή χορήγηση ή ενδοογκικά.
Για να είναι όμως αποτελεσματικά τα παραπάνω απαιτείται η πλήρης κατανόηση της συνολικής μορφολογίας των LNPs, η μελέτη των παραμέτρων που διαμορφώνουν την σταθερότητα του mRNA και η απαλοιφή παραγόντων που επηρεάζουν την αποτελεσματική σύνδεση και κατά συνέπεια τον απεγκλωβισμό και παράδοση του συμπλόκου mRNA-LNPs στα κύτταρα. Και σε αυτά εστιάζουν τώρα ερευνητές και φαρμακοβιομηχανίες.
Γρίφος η πολυπλοκότητα των λιπιδικών νανοσωματιδίων
Η προσπάθεια κατανόησης της πολυπλοκότητας και του εγγενούς χαοτικού χαρακτήρα των φυσικών συστημάτων απέφερε Νόμπελ Φυσικής το 2021 στον Αμερικανοϊάπωνα Syukuro Manabe, στον Γερμανό Klaus Hasselmann και στον Ιταλό Giorgio Parisi. Τα λιπιδικά νανοσωματίδια (LNPs) χαρακτηρίζονται ως πολύπλοκα νανοσυστήματα (complex nanosystems) και η μελέτη της μορφολογίας και της πολυπλοκότητάς τους είναι εξαιρετικά δύσκολη.
«Τα πολύπλοκα νανοσυστήματα μελετώνται υπό το πρίσμα τριών βασικών επιπέδων: της εσωτερικής τους μορφολογίας και πολυπλοκότητας (π.χ τα λιπιδικά τους συστατικά και η συγκέντρωσή τους), της εξωτερικής πολυπλοκότητας (π.χ φυσικοχημικές συνθήκες του μικροπεριβάλλοντος αποθήκευσης και εν συνεχεία του ανθρώπινου οργανισμού) και τέλος, της διεπιφανειακής πολυπλοκότητας που προκύπτει συνδυαστικά από την εσωτερική και εξωτερική πολυπλοκότητα του συστήματος. Όλα αυτά δημιουργούν ένα εξαιρετικά πολυπαραγοντικό σύστημα το οποίο είναι δύσκολο να “αποτυπωθεί” απόλυτα. Έτσι εξηγείται, για παράδειγμα, η ανάγκη αποθήκευσης των mRNA εμβολίων κατά της COVID σε διαφορετικές συνθήκες», εξηγεί ο Καθηγητής Δεμέτζος, στο Εργαστήριο του οποίου, οι ερευνητές εστιάζουν στην κατανόηση της πολυπλοκότητας αυτών των νανοτεχνολογικών συστημάτων και στην ανάπτυξη νανοφορέων φαρμάκων και γενετικού υλικού σε εργαστηριακή κλίμακα.
Μάλιστα, σε πρόσφατη δημοσίευσή τους αναφέρεται μια αιτιοκρατική χαοτική συμπεριφορά λιποσωμάτων αλλά και λιπιδικών νανοσυστημάτων που σχετίζεται με την σταθερότητα και κατά συνέπεια με την αποτελεσματικότητα του τελικού νανοτεχνολογικού προϊόντος, εμβολίου ή θεραπευτικού φαρμάκου. «Είναι σημαντική η προσέγγιση αυτή και είναι ίσως η μοναδική μελέτη που προσεγγίζει την πολυπλοκότητα στην μορφολογία των νανοφορέων και ερμηνεύει την συμπεριφορά λιπιδικών νανο- συστημάτων όσων αφορά στην σταθερότητα τους», συμπληρώνει ο κ. Δεμέτζος.
Ο ίδιος θεωρεί ότι η Τεχνητή Νοημοσύνη και η Μηχανική Μάθηση μπορούν να βοηθήσουν σημαντικά στη μελέτη της πολυπλοκότητας των νανοφορέων φαρμάκων και εμβολίων που είναι εξαιρετικά δύσκολη. «Η πολυπλοκότητα των νανοσυστημάτων είναι αυτή που εμποδίζει και την αντιγραφή θεραπευτικών προϊόντων όπως π.χ αντικαρκινικών φαρμάκων λιποσωμιακής τεχνολογίας που δεν καλύπτονται πλέον από πατέντες. Για αυτό τον λόγο δεν κυκλοφορούν στην αγορά. Η κατανόηση σε βάθος της μορφολογίας και της πολυπλοκότητας των λιπιδικών νανοσυστημάτων (LNPs) αλλά και άλλων, όχι μόνο θα βοηθήσει στην βιομηχανική παραγωγή, αλλά και στη δημιουργία ενός ρυθμιστικού πλαισίου έγκρισης αυτών, που θα στηρίζεται σε ασφαλή, επιστημονικά τεκμηριωμένα εργαλεία», προσθέτει ο Έλληνας επιστήμονας.
Η νανοτεχνολογία στη μετα-Covid εποχή
Σε ένα σύνολο περισσότερων από 250.000 δημοσιεύσεων στη συλλογή επιστημονικού περιεχομένου CAS Content Collection, που αφορούν τα λιπιδικά νανοσυστήματα, περίπου 190.000 μελέτες δημοσιεύτηκαν την τελευταία δεκαετία, αποτυπώνοντας το αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη νανοτεχνολογία. Αυτό το ενδιαφέρον προβλέπεται να ενισχυθεί με την εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στην αντιμετώπιση μολυσματικών ασθενειών υπό τη σκιά της COVID-19, εκτοξεύοντας την αγορά προϊόντων νανοϊατρικής στα 164 $ δισεκατομμύρια έως το 2027.
Η αγορά ανάπτυξης εμβολίων συνεχίζει να παρουσιάζει αυξημένο οικονομικό και αναπτυξιακό ενδιαφέρον. Υπολογίζεται ότι στο πρώτο τρίμηνο του 2022 πάνω από 137 φορείς (στον ακαδημαϊκό χώρο και τη βιομηχανία) εργάζονταν σε εμβόλια mRNA, σύμφωνα με στοιχεία του Coalition for Epidemic Preparedness Innovations (CEPI). Περίπου το 80% αυτών των ερευνητικών προσπαθειών επικεντρώθηκαν σε εμβόλια SARS-CoV-2 και το 14% σε άλλους στόχους.
Πολυεθνικοί μη κερδοσκοπικοί οργανισμοί, όπως o CEPI στη Νορβηγία, προωθούν την ανάπτυξη εμβολίων μέσω συνεργασιών, χρηματοδότησης, ενίσχυσης επιστημονικών ομάδων και δοκιμών σε όλο τον κόσμο, υποστηρίζοντας για παράδειγμα την κλινική ανάπτυξη εμβολίων mRNA για τη γρίπη, τον ιό Zika, τον Nipah, τον ιό της λύσσας και τον HIV.
Σύμφωνα με τον CEPI η βιομηχανία εμβολίων επικεντρώνεται τώρα σε τρία mRNA, στο μη ενισχυτικό mRNA (μη τροποποιημένο και τροποποιημένο), στο αυτοενισχυόμενο mRNA (που περιέχει γενετικό υλικό με την ικανότητα να δημιουργεί πολλαπλά αντίγραφα του εαυτού του όταν εισαχθεί στον ανθρώπινο οργανισμό) και στο κυκλικό mRNA. Οι περισσότεροι επιστήμονες εργάζονται στις τροποποιημένες ή αυτοενισχυόμενες προσεγγίσεις και λίγοι χρησιμοποιούν μη τροποποιημένο mRNA. Το κυκλικό mRNA (ομοιοπολικά κλειστού δακτυλίου RNA) αποτελεί μια αναδυόμενη τεχνολογία εμβολίων που θα μπορούσε να αυξήσει τη σταθερότητα του mRNA, την ανοσογονικότητα και την ανθεκτικότητα της προστασίας, αλλά και να μειώσει το κόστος τους.
Σύμφωνα με ειδικούς του CEPI υπάρχουν πολλά κενά στην νανοτεχνολογία εμβολίων mRNA αναφορικά με τη σταθερότητα σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία και τη διατήρηση της αποτελεσματικότητας και μορφολογίας των λιπιδικών νανοσωματιδίων. Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι η νανοτεχνολογία mRNA δεν είναι ευρέως προσβάσιμη από την παγκόσμια ερευνητική κοινότητα.
Η χρήση λιπιδικών νανοσωματιδίων ως “νανο-κούριερ” του mRNA θα διευρύνει το πεδίο για περαιτέρω έρευνα. Περισσότερο εξελιγμένες και ελεγχόμενες πολυλειτουργικές νανοπλατφόρμες σχεδιάζονται και θα αναπτυχθούν για να καλύψουν μελλοντικές εφαρμογές στην ευρύτερη θεραπευτική (εμβόλια, γενετικές θεραπείες και εξατομικευμένες θεραπείες).
Και μπορεί η χρήση των LNPs να καθιερώθηκε στην παράδοση φαρμακευτικών μορίων, ωστόσο υπάρχουν και άλλοι, διαφορετικοί κλάδοι όπου δοκιμάζονται, όπως στην ιατρική απεικόνιση και τη βιομηχανία καλλυντικών και συμπληρωμάτων διατροφής.
«Απαιτείται ισχυρή και αποτελεσματική επιστημονική “παρέμβαση” η οποία σήμερα εξελίσσεται, ώστε να κατανοήσουμε και να μελετήσουμε την πολυπλοκότητα των νανοσυστημάτων μεταφοράς θεραπευτικών και προστατευτικών προϊόντων. Χρειάζεται επίσης συνεργασία και χρηματοδότησης της έρευνας και της εκπαίδευσης νέων ερευνητών, ώστε να αναδείξουμε επιστήμονες υψηλού επιπέδου που θα βοηθήσουν σε αυτή την κατανόηση. Τέλος, απαιτείται εκπαίδευση της κοινωνίας με εκλαΐκευση της επιστήμης και προσαρμογή σε ένα νέο ψηφιακό περιβάλλον που θα βοηθήσει στην κατανόηση πολύπλοκων αλλά σπουδαίων εννοιών που σχετίζονται με την υγεία», καταλήγει ο Καθηγητής Δεμέτζος.
Σημείωση: Το σύγγραμμα του Καθηγητή Δεμέτζου με τίτλο «ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ» (εκδόσεις ΠΑΡΙΣΙΑΝΟΥ Α.Ε), αποτελεί το μοναδικό σύγγραμμα νανοτεχνολογίας φαρμάκων στην ελληνική βιβλιογραφία και αποτελεί διδακτικό σύγγραμμα σε Ιατρικές και Φαρμακευτικές σχολές της χώρας, και όχι μόνο.
