Vắc-xin mRNA: Từ sau Bức Màn Sắt Thế chiến II đến khoảnh khắc cứu thế giới khỏi COVID-19

Ngày 11/12 tại Mỹ, 17/22 thành viên hội đồng cố vấn của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ đã bỏ phiếu chấp thuận cho vắc-xin COVID-19 do hãng dược phẩm Mỹ Pfizer và công ty công nghệ sinh học Đức BioTech nghiên cứu sản xuất. Trước đó, 3 quốc gia là Anh, Bahrain và Canada đã cấp phép tiêm chủng cho loại vắc-xin này.

Pfizer và BioTech tuyên bố loại vắc-xin COVID-19 mà họ đang phát triển cho hiệu lực hơn 90% . Moderna, một công ty công nghệ sinh học có trụ sở tại Cambridge, Massachusetts cũng đang phát triển một loại vắc-xin COVID-19 có hiệu lực tới 94,5 %.

Điểm chung của các loại vắc-xin cán đích đầu tiên trong đại dịch COVID-19 là chúng đều sử dụng một công nghệ hoàn toàn mới: mRNA. Khác với vắc-xin truyền thống dựa trên virus bất hoạt, các protein hoặc vector virus là những virus vô hại đều phải trải qua quá trình nuôi sinh học, mRNA là một công nghệ sản xuất vắc-xin tổng hợp hoàn toàn.

Nó cho phép các nhà khoa học thiết kế vắc-xin ngay trên máy tính cá nhân, tại phòng ngủ của mình, ngay sau khi mẫu gen di truyền của virus SARS-CoV-2 được giải mã và chia sẻ trên mạng. mRNA cũng có thể được tinh chỉnh để chống lại các đột biến của virus.

Ít ai biết nền tảng của công nghệ này đã được ươm mầm phía sau Bức Màn Sắt ở Châu Âu, trong một phòng thí nghiệm thiếu kinh phí ở Hungary hậu Thế chiến II. Sau hàng chục năm bị ghẻ lạnh, các công nghệ sinh học dựa trên mRNA bây giờ đã tỏa sáng để đem lại hi vọng trong đại dịch COVID-19, và cho cả tương lai, khi các loại vắc-xin ung thư cũng đang được phát triển dựa trên mRNA.

Ngay từ những ngày đầu của đại dịch COVID-19, các cơ quan y tế đã nhận ra chỉ có vắc-xin mới có thể kết thúc một đại dịch lây lan mạnh và nguy hiểm như vậy. COVID-19 có tỷ lệ tử vong thấp hơn nhưng lây lan mạnh hơn so với đại dịch SARS năm 2003. Nhiều bệnh nhân không có triệu chứng mà vẫn có thể lây bệnh cho người khác.

Các chuyên gia y tế nhận định SARS-CoV-2 vì thế sẽ không tự nhiên biến mất. Chúng ta chỉ có thể chấm dứt đại dịch này bằng vắc-xin, thông qua việc tạo ra được miễn dịch cộng đồng. Và nhiệm vụ ấy đã được đặt lên vai hàng ngàn nhà khoa học tại hàng trăm cơ sở nghiên cứu trên khắp thế giới.

Tính đến nay, một nửa trong số họ với gần 50 loại vắc-xin đã bước vào giai đoạn thử nghiệm lâm sàng để tiến gần đến vạch đích. Đó là một tốc độ phát triển thần tốc. Bởi trong quá khứ, các công nghệ vắc-xin truyền thống dựa trên virus bất hoạt hoặc protein của chúng thường mất ít nhất vài năm thậm chí hàng chục năm để đưa vắc-xin từ phòng thí nghiệm ra đến thị trường.

Lý do xuất phát từ việc các nhà nghiên cứu phải "nuôi" vắc-xin của họ trong trứng gà (nếu là virus bất hoạt), hoặc ủ bằng các lò phản ứng sinh học lớn (nếu là vắc-xin dựa trên protein). Cả hai quá trình này tốn rất nhiều thời gian và công sức. Một nghiên cứu năm 2013 công bố trên tạp chí PLOSOne cho thấy các loại vắc-xin phát triển theo công nghệ truyền thống thường mất trung bình hơn một thập kỷ để đi tới thành công.

Nhưng bây giờ, với một công nghệ vắc-xin hoàn toàn mới dựa trên mRNA, quá trình phát triển vắc-xin có thể được rút ngắn xuống từ 5-10 lần. Công nghệ vắc-xin hoàn toàn mới này như một bông hoa nở giữa đại dịch COVID-19 để đem đến niềm hi vọng.

Các loại vắc-xin đang được phát triển nhanh nhất hiện nay như của Moderna, Pfizer và BioNtech đều dựa trên công nghệ mRNA.

mRNA hay còn gọi là RNA thông tin là một vật chất di truyền được tìm thấy trong tế bào. Nó có nhiệm vụ mang các gói hướng dẫn mã hóa bên trong DNA ra ngoài tế bào để hướng dẫn tế bào thực hiện các chỉ dẫn của DNA.

Can thiệp vào quá trình làm việc của mRNA sẽ giúp các nhà khoa học biến chính tế bào bên trong cơ thể chúng ta thành những nhà máy sản xuất vắc-xin, thay vì phải nuôi protein bên ngoài các bể chứa sinh học khổng lồ, tốn thời gian và cũng rất tốn kém.

Với công nghệ mRNA, việc phát triển vắc-xin được biến thành thành một vấn đề kỹ thuật hơn là một thách thức khoa học. Mục tiêu là trích xuất mRNA của virus, tiêm các phân tử này vào bên trong cơ thể người để kích hoạt quá trình sản xuất protein virus ngay trong đó.

Tế bào miễn dịch sẽ nhận diện các protein này để tạo ra kháng thể chống lại chúng. Một khi đã đào tạo được cơ thể tạo ra kháng thể, người tiêm vắc-xin mRNA sẽ chống lại được virus SARS-CoV-2 bằng cách vô hiệu hóa các protein trên bề mặt của chúng.

Bởi dựa hoàn toàn trên việc thiết kế mRNA, các công ty công nghệ sinh học có thể bắt tay vào việc thiết kế vắc-xin mRNA ngay sau khi họ biết trình tự di truyền của mầm bệnh. Đó chính là điều đã giúp Moderna tạo nên kỷ lục với khoảng thời gian chế tạo vắc-xin ngắn nhất trong lịch sử cho một căn bệnh hoàn toàn mới.

Các nhà khoa học ở Moderna xuất xưởng lô vắc-xin COVID-19 đầu tiên phục vụ thử nghiệm lâm sàng chỉ 42 ngày sau khi các nhà khoa học ở Trung Quốc công bố trình tự gen của virus SARS-CoV-2 vào tháng 2.

Nhưng Moderna không phải công ty duy nhất độc chiếm những kỷ lục trong giai đoạn phát triển vắc-xin COVID-19. Một khi trình tự bộ gen của virus đã được giải mã, cơ hội ấy sẽ được chia đều cho bất cứ nhà khoa học nào trên thế giới nắm được công nghệ mRNA.

BioNTech, một công ty công nghệ sinh học của Đức nằm trong số đó. Ngay từ ngày 25 tháng 1, họ cũng đã có được bản thảo của ít nhất 10 loại vắc-xin mRNA để chống lại COVID-19. Đến thời điểm hiện tại, một trong số 10 bản thảo xuất sắc nhất đó đã được BioNTech phát triển thành vắc-xin dưới sự hợp tác với hãng dược phẩm Pfizer của Mỹ.

Bác sĩ Ugur Sahin - đồng sáng lập kiêm giám đốc điều hành của BioNTech - là người đã thiết kế cả 10 "bản thảo" vắc-xin mRNA. Và ông ấy làm điều đó ngay trên chiếc máy tính tại nhà riêng của mình. Đối với một nhà khoa học đã nghiên cứu mRNA trên 25 năm, thiết kế vắc-xin cho một mầm bệnh mới sau khi biết mã di truyền của nó chỉ đơn giản như trò chơi ghép tranh.

Bác sĩ Sahin và vợ của mình, Özlem Türeci, thành lập BioNTech vào năm 2008. Sau 10 năm đi tiên phong phát triển công nghệ mRNA, năm 2018, họ đã ký hợp tác với hãng dược phẩm Mỹ Pfizer để sản xuất vắc-xin cúm dựa trên công nghệ này.

Kathrin Jansen, người đứng đầu bộ phận nghiên cứu vắc xin của Pfizer cho biết Pfizer bị thu hút bởi tốc độ sản xuất vắc-xin dựa trên mRNA. Không chỉ có vậy, nó còn có tiềm năng đánh bại mọi nền tảng vắc-xin truyền thống khác trong việc tạo ra phản ứng miễn dịch.

Tiến sĩ Jansen cho biết RNA dường như cung cấp nhiều kích thích hệ thống miễn dịch hơn so với các công nghệ vắc-xin cũ bằng cách tạo ra kháng thể và phản ứng từ tế bào T là những tế bào bạch cầu chuyên nhận biết và loại bỏ các tế bào bị nhiễm bệnh.

"mRNA về cơ bản là một nền tảng sản xuất vắc-xin tổng hợp từ đầu đều cuối", tiến sĩ Jansen cho biết. "Bởi vậy, bạn có thể tạo ra nó rất nhanh mà không cần đến bất cứ thứ gì sống - không có virus sống, không cần nuôi cấy tế bào sống, không cần trứng, không cần gì cả".

Những nỗ lực thiết kế mRNA để chống lại bệnh tật đã bắt đầu từ nhiều thập kỷ trước. Quá trình này được thúc đẩy bởi những tiến bộ nhanh chóng trong lĩnh vực nghiên cứu di truyền học.

Khoảng cuối thập niên 1990, nhà miễn dịch Drew Weissman và nhà sinh học phân tử Katalin Karikó tại Đại học Pennsylvania là hai trong số những người đi tiên phong trong miền đất hứa này.

Tiến sĩ Weissman cho biết ông không chỉ bị thu hút bởi tiềm năng của RNA trong việc kích hoạt sản xuất protein chống lại bệnh tật mà còn cả sự an toàn của nó. "mRNA sẽ không thể tích hợp vào bộ gen", Weissman nói. "Sẽ không có cơ hội nào cho chúng tạo ra các sự cố bất lợi về gen trên cơ thể bạn".

Trong bối cảnh của những năm 2000, mRNA rõ ràng là một điểm sáng bởi các công nghệ gen khác đang bị dè chừng vì tạo ra rất nhiều tác dụng phụ tiềm ẩn. Một liệu pháp gen khi đó thậm chí gây ung thư máu cho những bệnh nhân bị rối loạn hệ thống miễn dịch.

Trước cả Weissman, công việc của tiến sĩ Karikó đã bắt đầu ngay từ cuối thập niên 1970 một cách khó khăn tại quê nhà Hungary. Viện nghiên cứu của bà đặt tại thành phố Szeged, nằm phía sau Bức Màn Sắt nhìn từ Tây Âu là một cơ sở đặc biệt chú ý đến mRNA. Nhưng họ không có nhiều kinh phí để vận hành các nghiên cứu này. Để có các vật liệu sinh học thời đó tiến sĩ Karikó liên tục phải đến các lò mổ địa phương để chiết xuất chúng từ não bò.

Tệ hơn cả là các nghiên cứu về mRNA thời đó luôn bị dè chừng và hoài nghi. Nó đã không được công nhận trong suốt 3 thập kỷ, tiến sĩ Karikó nói. Phải đến tận đại dịch COVID-19 ngày hôm nay, công nghệ mRNA mới tự chứng minh được hiệu quả của mình. Và đó là cả một hành trình dài gian nan.

Khi tiến sĩ Weissman lấy vật liệu mRNA từ tiến sĩ Karikó, người trước đó đang thử nghiệm nó trong các tế bào khối u, ông đã chuyển sang một hướng nghiên cứu mới liên quan đến tế bào miễn dịch. "Những kết quả ban đầu không như ý muốn", Weissman nói.

Rất nhiều vấn đề đã nảy sinh khi họ thử nghiệm mRNA trên động vật. Tiêm vật chất di truyền vào chúng đã kích hoạt các phản ứng miễn dịch và từ đó gây ra viêm. Trong thử nghiệm, liều lượng cao mRNA thậm chí đã giết chết cả chuột thí nghiệm.

Tiến sĩ Weissman và Karikó sau đó đã phải khắc phục vấn đề viêm nhiễm bằng cách thực hiện các sửa đổi đối với mRNA. Họ phát hiện ra rằng việc thay đổi nucleoside - một khối cấu tạo của RNA - có thể giúp RNA được tiêm vào cơ thể vượt qua phản ứng miễn dịch gây viêm, trong khi vẫn cho phép RNA xâm nhập vào tế bào của con người để cung cấp các chỉ dẫn sản xuất protein.

Đột phá này đã đem lại cho hai nhà khoa học một bằng sáng chế. Đại học Pennsylvania sở hữu bằng sáng chế này sau đó đã cấp phép cho cả Moderna và BioNTech sử dụng công nghệ mRNA phát triển bởi Weissman và Karikó. Năm 2014, Tiến sĩ Karikó gia nhập BioNTech và giữ chức vụ phó chủ tịch cấp cao.

Moderna đã dành vài năm để trau dồi công nghệ của mình. Một trở ngại đối với họ là việc phải tìm ra một loại vỏ bọc phù hợp có thể mang mRNA. Nếu không, vật chất di truyền sau khi tiêm vào máu sẽ bị các enzym sản sinh tự nhiên của cơ thể phá hủy trước khi đạt tới tế bào mục tiêu.

Các nhà khoa học tại Moderna sau đó đã tìm thấy một phân tử chất béo mà họ gọi là hạt nano lipid có thể làm điều đó. Đó là năm 2015 và công ty bắt đầu thử nghiệm mRNA trên người.

Vài năm trước, Moderna bắt đầu hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ để tạo ra các mũi tiêm phòng chống một số bệnh truyền nhiễm. Sự hợp tác đó đã mở đường cho các nhóm ở cả hai tổ chức nhanh chóng bắt đầu công việc với vắc-xin COVID-19 ngay từ tháng 1.

Tiến sĩ Mark Mulligan, giám đốc Trung tâm vắc xin tại Đại học New York Langone Health, cho biết thành công ban đầu của vắc xin mRNA đã "mang lại cho chúng tôi một số khích lệ về công nghệ cho các mục tiêu vắc xin khác trong tương lai".

Moderna đang thử nghiệm một số loại vắc-xin mRNA, điển hình như vắc-xin phòng ngừa cytomegalovirus, một loại virus phổ biến có thể gây ra các vấn đề sức khỏe ở trẻ sơ sinh. Trong các thử nghiệm lâm sàng trên người, vắc-xin này đã đạt được tới phản ứng miễn dịch mong muốn và được công nhận là an toàn.

Kết hợp với Merck, Moderna cũng đang thử nghiệm một loại vắc-xin điều trị ung thư dựa trên mRNA. Phương pháp này dựa trên các đột biến khối u được tìm thấy trên người mỗi bệnh nhân. Từ đó, họ có thể thiết kế ra các mRNA tối ưu kích hoạt hễ miễn dịch trong cơ thể chiến đấu lại ung thư.

Đó cũng là mục tiêu mà BioNTech hướng đến. Họ đang tiếp tục phát triển vắc-xin mRNA để điều trị các khối u ở vú, da và tuyến tụy. Thậm chí, BioNTech còn đang tìm kiếm một mũi tiêm phòng ung thư.

Tiến sĩ Sahin cho biết một trong những ưu điểm quyết định tương lai của vắc-xin mRNA là chúng có thể được điều chỉnh nhanh chóng để đáp ứng tốt hơn với đột biến của virus. Điều này sẽ cho phép các dòng sản phẩm liên quan đến mRNA kéo dài thời gian phục vụ hơn bao giờ hết.

"Đó là khoa học của thế kỷ 21", William Schaffner, một giáo sư y tế dự phòng tại Đại học Y khoa Vanderbilt cho biết. Công nghệ vắc-xin mRNA đã cho thấy tiềm năng của nó trong việc chống lại sự bùng phát của các bệnh truyền nhiễm trong tương lai và cả các căn bệnh nan y khác như ung thư.