Het ontwikkelen en testen van een nieuw vaccin duurt doorgaans minimaal twaalf tot achttien maanden. Iets meer dan tien maanden nadat de genetische sequentie van het SARS-CoV-12-virus was gepubliceerd, hebben twee farmaceutische bedrijven echter bij de FDA toestemming gevraagd voor gebruik in noodgevallen van vaccins die zeer effectief lijken te zijn tegen het virus.

Beide vaccins zijn gemaakt van messenger-RNA, het molecuul dat cellen van nature gebruiken om de instructies van DNA naar de eiwitbouwmachines van cellen te brengen. Een vaccin op basis van mRNA is nog nooit eerder door de FDA goedgekeurd. Er is echter al vele jaren onderzoek gedaan naar RNA-vaccins, wat één van de redenen is waarom wetenschappers zulke vaccins tegen Covid-19 zo snel konden gaan testen. Toen de virale sequenties in januari bekend werden gemaakt, duurde het slechts enkele dagen voordat de farmaceutische bedrijven Moderna en Pfizer, samen met hun Duitse partner BioNTech, mRNA-vaccinkandidaten hadden gegenereerd.

“Wat vooral uniek is aan mRNA is het vermogen om snel vaccins tegen nieuwe ziekten te genereren. Dat is volgens mij een van de meest opwindende verhalen achter deze technologie”, zegt Daniel Anderson, hoogleraar chemische technologie aan het MIT en lid van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research en Institute for Medical Engineering and Science.

De meeste traditionele vaccins bestaan ​​uit gedode of verzwakte vormen van een virus of bacterie. Deze veroorzaken een immuunreactie waardoor het lichaam later de eigenlijke ziekteverwekker kan bestrijden.

In plaats van een virus of een viraal eiwit af te leveren, leveren RNA-vaccins genetische informatie waardoor de lichaamseigen cellen een viraal eiwit kunnen produceren. Synthetisch mRNA dat codeert voor een viraal eiwit kan deze machinerie lenen om veel kopieën van het eiwit te produceren. Deze eiwitten stimuleren het immuunsysteem om een ​​reactie op te zetten, zonder enig risico op infectie te vormen. 

Een belangrijk voordeel van mRNA is dat het heel gemakkelijk te synthetiseren is zodra onderzoekers de sequentie kennen van het virale eiwit waarop ze zich willen richten. De meeste vaccins voor SARS-CoV-2 lokken een immuunreactie uit die zich richt op het coronavirus-spike-eiwit, dat zich op het oppervlak van het virus bevindt en het virus zijn karakteristieke stekelige vorm geeft. Messenger-RNA-vaccins coderen voor segmenten van het spike-eiwit, en die mRNA-sequenties zijn veel gemakkelijker in het laboratorium te genereren dan het spike-eiwit zelf.

“Bij traditionele vaccins moet je veel ontwikkelen. Je hebt een grote fabriek nodig om het eiwit of het virus te maken, en het duurt lang om ze te laten groeien”, zegt Robert Langer, professor aan het David H. Koch Institute aan het MIT, lid van het Koch Institute en een van de grondleggers van Moderna. “Het mooie van mRNA is dat je dat niet nodig hebt. Als je nano-ingekapseld mRNA in een persoon injecteert, gaat het de cellen in, en dan is het lichaam je fabriek. Van daaruit regelt het lichaam de rest.”

Langer heeft tientallen jaren besteed aan het ontwikkelen van nieuwe manieren om medicijnen af ​​te leveren, waaronder therapeutische nucleïnezuren zoals RNA en DNA. In de jaren zeventig publiceerde hij de eerste studie die aantoonde dat het mogelijk was om nucleïnezuren, evenals andere grote moleculen, in kleine deeltjes in te kapselen en deze in het lichaam af te geven. (Werk van professor Phillip Sharp van het MIT Institute en anderen over RNA-splitsing, dat ook werd gelegd basis voor de huidige mRNA-vaccins, begon ook in de jaren '70.)

“Het was destijds erg controversieel”, herinnert Langer zich. “Iedereen vertelde ons dat het onmogelijk was, en mijn eerste negen subsidies werden afgewezen. Ik heb er ongeveer twee jaar aan gewerkt en ik heb meer dan 200 manieren gevonden om het niet te laten werken. Maar uiteindelijk vond ik toch een manier om het werkend te krijgen.”

ZIJN papier, die verscheen NATUUR uit 1976 bleek dat kleine deeltjes gemaakt van synthetische polymeren grote moleculen zoals eiwitten en nucleïnezuren veilig konden vervoeren en langzaam konden afgeven. Later toonden Langer en anderen aan dat wanneer polyethyleenglycol (PEG) aan het oppervlak van nanodeeltjes werd toegevoegd, deze veel langer in het lichaam konden blijven, in plaats van vrijwel onmiddellijk te worden vernietigd.  

In de daaropvolgende jaren hebben Langer, Anderson en anderen vetmoleculen ontwikkeld die lipide-nanodeeltjes worden genoemd en die ook zeer effectief zijn in het afleveren van nucleïnezuren. Deze dragers beschermen het RNA tegen afbraak in het lichaam en helpen het door de celmembranen te transporteren. Zowel de Moderna- als de Pfizer-RNA-vaccins worden gedragen door lipide nanodeeltjes met PEG.

“Messenger-RNA is een groot hydrofiel molecuul. Het dringt op natuurlijke wijze niet vanzelf de cellen binnen, en dus zijn deze vaccins verpakt in nanodeeltjes die de afgifte ervan in de cellen vergemakkelijken. Hierdoor kan het RNA in de cellen worden afgeleverd en vervolgens in eiwitten worden vertaald”, zegt Anderson.

In 2018 keurde de FDA de eerste drager van RNA-lipidenanodeeltjes goed, die door Alnylam Pharmaceuticals was ontwikkeld om een ​​type RNA te leveren dat siRNA wordt genoemd. In tegenstelling tot mRNA legt siRNA zijn doelgenen stil, wat patiënten ten goede kan komen door gemuteerde genen uit te schakelen die ziekten veroorzaken.

Een nadeel van mRNA-vaccins is dat ze bij hoge temperaturen kunnen afbreken. Daarom worden de huidige vaccins bij zulke lage temperaturen bewaard. Het SARS-CoV-2-vaccin van Pfizer moet worden bewaard bij -70 graden Celsius (-94 graden Fahrenheit), en het Moderna-vaccin bij -20 C (-4 F). Eén manier om RNA-vaccins stabieler te maken, zo benadrukt Anderson, is door stabilisatoren toe te voegen en water uit het vaccin te verwijderen via een proces dat lyofilisatie wordt genoemd. Er is aangetoond dat sommige mRNA-vaccins in een koelkast kunnen worden bewaard in plaats van in een vriezer.

De opvallende effectiviteit van beide Covid-19-vaccins in klinische fase 3-onderzoeken (ongeveer 95 procent) biedt hoop dat deze vaccins niet alleen zullen helpen de huidige pandemie te beëindigen, maar ook dat RNA-vaccins in de toekomst kunnen helpen in de strijd tegen andere ziekten zoals HIV en kanker, zegt Anderson.

“Mensen in het veld, waaronder ikzelf, zagen veel beloftes in de technologie, maar je weet het pas echt als je menselijke gegevens hebt. Dus als we zien dat dat beschermingsniveau, niet alleen met het Pfizer-vaccin maar ook met Moderna, het potentieel van de technologie echt valideert – niet alleen voor Covid, maar ook voor al die andere ziekten waar mensen aan werken”, zegt hij. “Ik denk dat dit een belangrijk moment is voor het veld.”