Polscy naukowcy nominowani do Nagrody Europejskiego Wynalazcy 2018

Przełom dotyczący mRNA może pozwolić na tworzenie spersonalizowanych metod leczenia raka i wad genetycznych: polski zespół naukowców nominowany do Nagrody Europejskiego Wynalazcy 2018.

– Warunkiem powstania w pełni spersonalizowanej medycyny o maksymalnej skuteczności jest oferowanie terapii dostosowanych do poszczególnych pacjentów i ich konkretnych chorób, również na poziomie komórkowym.

To cel, który przyświeca polskim naukowcom: Jackowi Jemielitemu, Joannie Kowalskiej, Edwardowi Darżynkiewiczowi i ich zespołowi.

Opracowali oni trwałą, bardziej skuteczną i łatwą do wyprodukowania końcówkę cząsteczki mRNA – tzw. kap, który przekazuje w komórce polecenia dotyczące produkcji określonych białek.

Zaproponowana przez naukowców technika pozwala myśleć o rozwiązaniach medycznych, które korygują genetyczny system informacyjny organizmu bez wprowadzania bezpośrednich zmian w DNA pacjenta.

Za swoje osiągnięcia, Jemielity, Kowalska, Darżynkiewicz i zespół naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego zostali nominowani do finału Nagrody Europejskiego Wynalazcy 2018 w kategorii „Badania". Zwycięzcy tegorocznej edycji nagrody EPO zostaną ogłoszeni podczas ceremonii, która odbędzie się 7 czerwca w Paryżu.

„Koncepcja zaproponowana przez polskich naukowców może rozszerzyć zakres wykorzystywania spersonalizowanej medycyny opartej na biologii molekparnej”, powiedział Benoît Battistelli, prezes EPO. „Ten wynalazek odzwierciedla sposób, w jaki europejskie badania z zakresu medycyny pomagają tworzyć nowe koncepcje leczenia raka i innych śmiertelnych chorób, z których potencjalnie będą mogły skorzystać miliony ludzi”.

Osobiste doświadczenie, które przyczyniło się do rozwoju spersonalizowanej medycyny

Dla Jacka Jemielitego, zajmującego się chemią bioorganiczną na Uniwersytecie Warszawskim, kwestia opracowania nowych metod leczenia takich chorób jak rak miała szczególne znaczenie.

Gdy jego zespół prowadził badania nad stworzeniem bardziej stabilnego, chemicznie zmodyfikowanego mRNA jako nośnika leków, jego córka zachorowała na białaczkę.

„Spędziłem bardzo dużo czasu w szpitalu, gdzie widziałem wiele dzieci walczących o życie”, mówi Jemielity. „Jej choroba stanowiła niezwykle ważną motywację dla mojej pracy”.

I chociaż córka naukowca w pełni wyzdrowiała, to każdego roku diagnozuje się ponad 10 milionów nowych przypadków różnych form raka.

Choroba nowotworowa, w każdej postaci, stanowi drugą wiodącą przyczynę śmierci na świecie. W standardowych metodach leczenia, takich jak operacje, radioterapia i chemioterapia, dokonuje się znacznych postępów.

Jednak fakt, iż – wedle szacunków - u dwóch z pięciu osób przez cały okres życia może rozwinąć się rak, a także wynikające z tego ogromne koszty finansowe oraz wpływ na życie pacjentów sprawiły, że badania nad nowymi koncepcjami leczenia raka stały się priorytetem medycyny.

Obiecującym kierunkiem leczenia jest obszar medycyny spersonalizowanej, oferującej terapie oparte na DNA pacjenta.

Celem jest poznanie genetycznej przyczyny choroby, poprzez lokalizację obszarów DNA, które doprowadziły do jej rozwoju lub znalezienie mutacji genetycznej odpowiedzialnej za nieprawidłowy wzrost komórek typowych dla raka.

Nowa koncepcja modyfikacji mRNA

DNA człowieka zawiera około 20 tysięcy genów, w których zapisane są instrukcje tworzenia białek, enzymów i innych cząstek wchodzących w skład organizmu.

Jednak wprowadzanie zmian w DNA jest tak kosztowne, trudne i ryzykowne, że do tej pory zatwierdzono niewiele terapii genowych.

Opierają się one przeważnie na zmodyfikowanych retrowirusach, które mogą prześlizgnąć się przez mechanizmy obrony komórkowej i wprowadzić nową informację bezpośrednio do jądra komórki.

Znacznie mniej inwazyjnym podejściem jest skoncentrowanie się na sposobie, w jaki informacja zapisana w DNA przekazywana jest do rybosomów komórki, gdzie wykonywane są polecenia dotyczące produkcji białek zakodowane w DNA.

Za przekazywanie tych informacji odpowiedzialne są cząsteczki, które określa się matrycowym RNA (mRNA). Z natury jest ono krótkotrwałe, więc enzymy i białka człowieka przeważnie doprowadzały do degradacji każdego zmodyfikowanego, zewnętrznie wprowadzonego mRNA, zanim przekazało ono do rybosomu informację o zamierzonym efekcie terapeutycznym.

Opierając się na badaniach, których początki sięgają czterech dziesięcioleci wcześniej, Jemielity i jego zespół zaproponowali inne podejście, koncentrując się na delikatnych strukturach kończących każdą cząsteczkę mRNA, zwanych kapem 5’. „Struktura kapu jest bardzo ważna dla metabolizmu mRNA, ponieważ bez niej mRNA pega bardzo szybkiemu rozpadowi i nie może wykonywać swoich funkcji. Kap chroni więc mRNA przed degradacją”.

Zespół naukowców zmienił jeden z około 80 tysięcy atomów typowej cząsteczki mRNA, zastępując atom tlenu atomem siarki. Stworzono w ten sposób syntetyczny kap dla mRNA.

Opatentowany wynalazek – nazwany Beta-S-ARCA – doprowadził do powstania stabilnego mRNA, pięciokrotnie skuteczniejszego i trzykrotnie trwalszego w komórce niż naturalnie występująca cząsteczka, otwierając szansę na opracowanie terapii opartych na mRNA.

Od laboratorium do rynku

Po rozpoczęciu europejskiego procesu patentowego w 2008 roku, zespół utworzył spółkę partnerską z firmą BioNTech z Uniwersytetu w Moguncji (Niemcy), która specjalizuje się w terapiach genowych.

Wstępne badania kliniczne z zastosowaniem kapów mRNA opracowanych przez zespół UW rozpoczęły się dwa lata później. W 2013 roku BioNTech udzielał licencji na stabilną technologię mRNA najważniejszym firmom farmaceutycznym, w tym francuskiemu Sanofi S.A. i Genetech Inc.

W lipcu 2017 roku BioNTech opublikował obiecujące rezptaty pierwszych prób z udziałem ludzi nad spersonalizowaną szczepionką przeciwnowotworową opartą na mRNA i wykorzystującą kapy opracowane przez Jemielitego i jego zespół.

U 8 z 13 uczestników badania, u których dochodziło do regparnych nawrotów czerniaka, stwierdzono brak obecności komórek rakowych w trakcie 23 miesięcy badania.

U jednej z pozostałych pięciu osób, u których rozwinęły się nowe guzy, zaobserwowano natomiast zmniejszenie się nowotworu.

Badana szczepionka, która może być także dostosowana do leczenia innych rodzajów nowotworów, opiera się na sekwencjonowaniu DNA guza pacjenta i porównywaniu go z DNA zdrowej tkanki.

Po identyfikacji mutacji sztucznie zmienione mRNA jest wstrzykiwane do organizmu pacjenta, umożliwiając układowi odpornościowemu wykrywanie i niszczenie komórek raka.

BionTech planuje badanie tej technologii w połączeniu z lekiem przeciwnowotworowym o nazwie Tecentriq.

Zespół badawczy

Już w latach 80. poprzedniego wieku pracownicy UW znacznie wyprzedzali swoich kolegów zajmujących się stabilizacją mRNA, na długo przed uznaniem go za element strukturalny, który potencjalnie może zostać wykorzystany w terapiach ratujących życie.

Edward Darżynkiewicz, doświadczony członek zespołu, uzyskał tytuł magistra w 1970 roku i obronił pracę doktorską z zakresu chemii organicznej na UW w roku 1976, a od 2009 roku pracował na UW jako profesor zwyczajny fizyki.

Jest kierownikiem Laboratorium Ekspresji Genu w katedrze fizyki UW oraz Interdyscyplinarnego Laboratorium Biologii i Biofizyki Molekparnej w Centrum Nowych Technologii UW.

W 2015 roku został uhonorowany Medalem im. Leona Marchlewskiego za nadzwyczajne osiągnięcia w zakresie biochemii i biofizyki. Jest współautorem 208 publikacji naukowych, trzech patentów europejskich i jednego patentu USA.

Jacek Jemielity od 2013 roku również pracuje w Centrum Nowych Technologii UW jako profesor chemii organicznej i obecnie pełni tam funkcję kierownika Laboratorium Chemii Organicznej.

Jest autorem trzech europejskich patentów i prawie 100 publikacji naukowych. Za swoje naukowe osiągnięcia otrzymał Nagrodę Rektora UW oraz Nagrodę Wydziału Fizyki UW.

Joanna Kowalska od 2011 roku pełni funkcję adiunkta na Wydziale Fizyki, w Zakładzie Biofizyki UW. Obecnie jest również kierownikiem projektu.

Pani Joanna jest autorką ponad 50 prac naukowych i trzech europejskich patentów. Otrzymała Nagrodę Rektora UW Drugiego Stopnia, Nagrodę Wydziału Fizyki UW oraz Nagrodę Prof. Pieńkowskiego.

W 2018 roku Jemielity, Kowalska, Darżynkiewicz i ich zespół zostali również uhonorowani za swoje wynalazki Nagrodą Gospodarczą Prezydenta Polski w kategorii „Badanie i Rozwój”.