תַקצִיר
נָנוֹ-חלקיקים הם מְכָלִים זעירים שמדענים מהנדסים כדי לשׂאת מולקולות. עד כמה זעירים? ניתן לומר שנָנו-חלקיק קטן בערך פי 100,000 מסוכריית m&m אחת. מדענים משתמשים בננו-חלקיקים מיוחדים כדי לטפל במחלות שונות. לדוגמה, חיסוני ה-mRNA החדשים הם ננו-חלקיקים הנושאים מולקולות mRNA במטרה להגן על אנשים מפני מחלת נגיף הקורונה (קוֹבִיד-19). במאמר זה נענה על כמה שאלות מעניינות. ממה הננו-חלקיקים הללו עשויים, ואיך הם פועלים? מָהֵן מולקולות ה-mRNA הארוזות בתוך הננו-חלקיקים? כיצד מדענים יוצרים חיסוני mRNA חדשים ו'חכמים', ובאיזה אופן חיסונים אלה מגינים עלינו מפני קוֹבִיד-19?
קצת על אודות חיסונים
כל החיסונים פועלים באופן דומה. הרעיון הוא להכניס לגוף גורם מחוֹלל-מחלה מוחלש (כמו נגיף או חיידק), או אפילו רק חלק ממנו, אשר לא יגרום נזק, אך בכל זאת יעורר תגובה במערכת החיסונית של הגוף. כך הגוף יכול 'להתאמן' על גרסה בלתי מזיקה של הגורם מחולל-המחלה, ולהיות מוכן להגן עלינו בהגיע גרסה אלימה של הנגיף או החיידק. מערכת החיסון בגוף האדם מדויקת מאוד, ובעלת זיכרון חיסוני. לדוגמה, אם אנו מתחסנים כנגד נגיף, המערכת החיסונית מזהה אותו ומגינה עלינו מפניו לפֶרֶק זמן ממושך לאחר שהגוף חוסן. ברוב המקרים, מערכת החיסון האנושית מזהה חלבונים מסוימים של הנגיף, המצויים על פני השטח הפנים שלו.
התגובה החיסונית היא מורכבת, וכוללת כמה סוגים של תאים חיסוניים. בהם, תאי T (סוג של תא דם לבן, בעלי תפקיד בתגובה החיסונית התאית) שיכולים להיקשר לתאים הנגועים בנגיפים ולהשמידם, ותאי B (סוג נוסף של תא דם לבן) המייצרים חלבונים שנקראים נוֹגדנים. הנוגדנים מסייעים להגן על הגוף בכך שהם מזהים את הנגיפים ונצמדים אליהם, ומסמנים אותם להשמדה. לאחר ייצורם, הנוגדנים נשארים בגוף כך שהמערכת החיסונית יכולה להגיב במהירות אם היא נחשפת שוב לאותו נגיף.
החיסונים הראשונים שנוצרו, נתנו למערכת החיסונית הזדמנות להגיב כנגד רכיבים נגיפיים, על ידי הכנסַת נגיפים שלמים לגוף בצורתם המוחלשת או המתה. הודות לחידושים טכנולוגיים, כיום מדענים יכולים ליצור חיסונים המתבססים על החלבונים המסוימים שכנגדם המדענים מעוניינים שהמערכת החיסונית תגיב. זאת, בלי להכניס את הנגיף השלם אל תוך הגוף. ישנן כמה שיטות לעשות זאת, ואנו נתמקד בדרך שבה מדענים משתמשים בחיסוני נָנוֹ-חלקיקים שומניים (LNP) של mRNA, שנמצאו יעילים מאוד במאבק במגפת הקורונה (קוֹבִיד 19) [1]. חיסונים אלה עשויים משני רכיבים עיקריים: mRNA, וננו-חלקיקים שומניים. ראשית, נתמקד בתפקיד מולקולת ה-mRNA, ונתאר כיצד משתמשים בה בחיסונים.
''הדּוֹגְמָה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית''–מדנ''א לחלבון
רצף האירועים שמתרגמים את המידע מהדנ''א לייצור חלבונים מכונה ''הדּוֹגְמָה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית'' [2]. הדנ''א הוא מולקולה יציבה מאוד אשר מכילה את הקוד לייצור חלבונים. אולם הדנ''א ממוקם בתוך גרעין התא, והסִּינְתֶּזָה (תהליך הייצור) של חלבונים מתרחשת בצִיטוֹפְּלַזְמָה, מחוץ לגרעין, במפעל מולקולרי שנקרא רִיבּוֹזוֹם. שליח מולקולרי בשם חומצה רִיבּוֹנוּקְלֵאִית שְׁלִיחָה (mRNA), נושא את הקוד מהדנ''א בגרעין אל הריבוזומים שבציטופלזמה. לכן, כל מולקולת mRNA היא עותק של גֶּן דנ''א, המנחָה לגבי הסינתזה של חלבון מסוים. ההוראה לגבי סוג החלבון שיש לסנתֵּז, מועברת הלאה באמצעות הקוד הגנטי. חלבונים הם שרשראות ארוכות של חומצות אָמִינו. באופן טבעי, יש לנו 20 חומצות אמינו שיכולות להיקשר יחד בשילובים ובאורכים שונים, ליצירת חלבונים שונים על ידי הריבוזומים. הריבוזומים יודעים איזו חומצת אמינו לשלֵּב בהתבסס על הקוד ב-mRNA. כעת נסביר על אודות הקודים בחומצות הגרעין–דנ''א ו-mRNA.
מהן חומצות הגרעין ומה תפקידן בהיווצרות החלבונים?
כשם שחלבונים הם שרשראות ארוכות של חומצות אמינו, כך חומצות הגרעין הן שרשראות של נוּקְלֵאוֹטִידִים מחוברים. תאי הגוף מכילים שני סוגים של חומצות גרעין: חומצה דֶּאוֹקְסִירִיבּוֹנוּקְלֵאִית (DNA, דנ''א), וחומצה רִיבּוֹנוּקְלֵאִית (RNA, רנ''א). הדנ''א מורכב מארבעה אבני בניין של נוקלאוטידים: אַדֶנִין (A), תִימִין (T), גוּאַנִין (G) וצִיטוֹזִין (C). הם מתחברים זה לזה ליצירת שני גדילים ארוכים. שני גדילי הדנ''א מחוברים על ידי זִוּוּג בסיסים של הנוקלאוטידים (A עם T, ו-G עם C) [2]. גם למולקולות רנ''א יש ארבע אבני בניין של נוקלאוטידים, מתוכָן, שלוש זהות לאלה של הדנ''א: A, G ו-C, אך במקום ,T מולקולות הרנ''א מכילות את הנוקלאוטיד אוּרָצִיל (U). שילובים שונים של שלושה נוקלאוטידים בשרשראות מקוֹדדים חומצות אמינו שונות. לדוגמה, אם מופיע הקידוד GUU, הריבוזום ישלב בשרשרת החלבונים חומצת אמינו שנקראת וָלין, בעוד שאם מופיע הקידוד GCU, הריבוזום ישלב בשרשרת חומצת אמינו בשם אַלָנִין.
לאחר שמדענים גילו את הקוד הגנטי, הם יכלו לייצר הוראות לכל חלבון על ידי יצירה של מולקולות ה-mRNA שמקודדות עבור החלבון הרצוי. במקרה של חיסוני נָנוֹ-חלקיקים שומניים (LNP) של mRNA (להלן: חיסוני mRNA-LNP), ה-mRNA מקודד באופן ייחודי לחלבון שנמצא על שטח הפָּנים של הנגיף, שעליו המדענים מעוניינים שהמערכת החיסונית תתאמן. אולם, האתגר הטמון במולקולות mRNA הוא שהן שבריריות, ואינן נכנסות בקלות לתאים. מסיבה זו, מדענים המציאו את הרכיב השני בחיסוני ה-mRNA-LNP–הננו-חלקיקים השומניים, אשר מגינים על מולקולות ה-mRNA, ונושאים אותן אל תוך התאים.
עולם הנָּנוֹ
נָנוֹ-חלקיקים הם חלקיקים זעירים שגודלם נע בין 1 ל-100 נָנוֹמֶטֶר (nm). ננומטר אחד קטן פי מיליון ממילימטר (מילימטר אחד הוא גודלו הממוצע של גרגיר חול). הננו-חלקיקים הם כה קטנים שלא ניתן לראותם בעין האנושית, ואפילו לא באמצעות מיקרוסקופ אור. כדי לצלם אותם נדרש מיקרוסקופ מתקדם מאוד, שנקרא מיקרוסקופ אלקטרונים (איור 1). מיקרוסקופ זה מייצר תמונות ברזוֹלוּציה גבוהה יותר ממיקרוסקופ אור רגיל (איור 2). במהלך השנים, מדענים הִנדסו סוגים רבים של ננו-חלקיקים העשויים חומרים שונים.
- איור 1 - הנָּנוֹ-סקאלה.
- הננו-סקאלה היא הטווח שבין נָנוֹמֶטֶר אחד ל-100 ננומטרים. ננו-חלקיקים שומניים הם מבנים עגולים על הננו-סקאלה. מקרא (מלמעלה למטה ומשמאל לימין):
Nucleotides = נוקלאוטידים
Lipid nanoparticles = ננו-חלקיקים שומניים
Immune cell = תא חיסוני
Sand grains = גרגירי חול
m&m = סוכריית שוקולד
Baby = תינוק
Giraffe = ג'ירף
Nanoscale = ננו-סקאלה
Visible by eye = ניתן לראות בעין
Light microscope = מיקרוסקופ אור
Electron microscope = מיקרוסקופ אלקטרונים.
- איור 2 - ננו-חלקיקים שומניים.
- ננו-חלקיקים שומניים נוצרים על ידי ערבוב מהיר של חומצות גרעין ושל ליפידים. ניתן להשתמש במיקרוסקופ אלקטרונים כדי לראות את גודלם ואת צורתם העגולה של ננו-חלקיקים אלה.
מקרא:
Ionizable lipid = ליפיד הניתן ליינון
Structural lipid = ליפיד מבני
Nucleic acid = חומצת גרעין
Rapid mixing = ערבוב מהיר
mRNA-LNPs = ננו-חלקיקים שומניים של mRNA
Electron microscope image of mRNA-LNPs = תמונת ננו-חלקיקים שומניים של mRNA שצולמה על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים.
מהם ננו-חלקיקים שומניים?
ננו-חלקיקים שומניים (LNPs) מיוצרים על ידי ערבוב של אבני בניין שניתן למצוא בטבע; לִיפִּידִים וחומצות גרעין. הן הליפידים והן חומצות הגרעין קיימים בכל תא בגוף האנושי. ליפידים הם המרכיב העיקרי של קרום התא (מֶמְבְּרָנָה). אם תסתכלו על מבנה הננו-חלקיקים השומניים, תבחינו בכך שמולקולות ה-RNA דחוסות בתוך מבני הליפידים (איור 2).
הרכיב המרכזי במבנה הננו-חלקיקים השומניים הוא ליפיד המכונה ליפיד הניתן ליינוּן. יוֹנִים הם מולקולות טעונות; יש להם מִטען חשמלי חיובי (+) או שלילי (-). בטבע, מולקולות בעלות מטען חיובי נמשכות למולקולות בעלות מטען שלילי, ויחד הן יוצרות מִכלוֹל. כאשר מייצרים ננו-חלקיקים שומניים, מערבבים במהירות ליפידים הניתנים ליינון עם מולקולות mRNA. בתערובת הזו, לליפידים הניתנים ליינון יש מטען חיובי (ליפיד +), בעוד שלמולקולות ה-mRNA (חומצות גרעיניות -) יש מטען שלילי, לכן, נוצר מכלול של שני הרכיבים הללו. כל מולקולת mRNA נמשכת לכמה מולקולות של ליפידים הניתנים ליינון. בדרך זו מתארגנות קבוצות זעירות של מולקולות mRNA המוקפות ליפידים. הליפידים האחרים בתערובת גם משתתפים בארגון המבנה של הננו-חלקיק, יחד עם החומצה הגרעינית והליפיד הניתן לינון [3]. כשאנו מתבוננים בננו-חלקיקים שומניים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, ניתן לראות שהם בעלי מבנה עגול בגודל של כ-60 עד 100 ננומטר, שבתוכו קבוצות של ליפידים וחומצות גרעין (איור 2).
מולקולות RNA–בעלוֹת יכולת ריפוי
השילוב של mRNA עם ננו-חלקיקים שומניים (LNP), מאפשר למדענים ליצור כל חלבון שיִרצו בתוך תאים, ויש בידיהם כלי המְּבצע זאת ביעילות. ניתן להשתמש בננו-חלקיקים שומניים גם כדי לשנע סוגים אחרים של מולקולות חומצות גרעין. לדוגמה, תרופת ה-LNP הראשונה שאושרה ב-2018 שינעה RNA המוֹנע יצירת חלבונים בתאי כבד של חולים שסבלו ממחלת כבד בשם עָמִילוֹאִידוֹזִיס. לאחרונה אושרו שני חיסוני mRNA-LNP שמטרתם להגן על האוכלוסייה מפני מחלת הקורונה. חיסונים אלה משתמשים ב-LNP כמשׁנעי מולקולות mRNA שמקודדות חלבון מסוים המצוי על פני השטח של נגיף הקורונה – חלבון הזיז (Spike)–לאימון מערכת החיסון.
כיצד פועל חיסון ה-mRNA כנגד מחלת הקורונה?
חיסוני ה-mRNA-LNP החדשים מוזרקים לתוך שרירי הגוף, שָׁם הם נבלעים על ידי תאי שריר ותאי מערכת החיסון. אחרי שהם נכנסים לתאים, ה-mRNA-LNP משחררים את מולקולות ה-mRNA לתוך הציטופלזמה של התא. בציטופלזמה, הריבוזומים פועלים הדדית ו'קוראים' את הקוד על ה-mRNA, כדי לייצר את חלבון הזיז של הנגיף. בשלב זה חלבון הזיז מתפרק לחתיכות קטנות יותר. חתיכות אלה מועברות לממברנת התא, שָׁם הן מוצגות לתאים אחרים של מערכת החיסון; תאי T ותאי B [4]. הַתָּאים החיסוניים מזהים את חלבון הזיז כזָר, ויוצרים תגובה חיסונית יחודית כנגדו. לבסוף, התאים מְפרקים את ה-mRNA, והדבר היחיד שנותר הוא הזיכרון החיסוני (איור 3).
- איור 3 - תגובת מערכת החיסון לחיסוני mRNA-LNP.
- תאי שריר ותאים אחרים בולעים את ה-mRNA-LNPs. הריבוזום (Ribosome) מתרגם את הקוד שב-mRNA לכדי חלבון הזיז (Spike protein). חלבון הזיז מעורר תגובה של תאים חיסוניים מסוימים; תאי T (T cells) ותאי B (B cells), כנגד נגיף סַארְס קוֹב-2, המחולל את מחלת הקורונה (קוֹבִיד 19).
Antibodies = נוגדנים
Cell membrane = קרום התא
Cytoplasm = ציטופלזמה.
מדוע חיסוני ה-mRNA-LNP מהווים פריצת דרך?
חיסוני ה-mRNA-LNP הם בטוחים ויעילים מאוד, וניתן לייצרם במהירות. מדענים יכולים פשוט לייצר כל mRNA רצוי המקודד חלבון מסוים, ולארוז אותו בתוך ננו-חלקיקים שומניים. תהליך זה הופך את החלקיקים הללו לכלי שימושי במיוחד. כמו כן, כיוון שמולקולות ה-mRNA מפורקות בתוך הציטופלזמה, אינן נכנסות לגרעין ולא משפיעות על הדנ''א, החיסונים הללו נחשבים בטוחים. פלטפורמה זו היא תוצאה של שנות מחקר רבות שהושקעו על ידי טובי המדענים, אשר סייעו מאוד למאבק במגפת הקורונה.
מילון מונחים
נוגדנים (Antibodies): ↑ חלבונים המיוצרים על ידי תאים חיסוניים כדי להילחם בפלישת פָּתוֹגֶנִים–מיקרואורגניזמים מחוללי-מחלה.
רִיבּוֹזוֹם (Ribosome): ↑ ''מפעל'' תאי לייצור של חלבונים.
חומצה רִיבּוֹנוּקְלֵאִית שליחה (mRNA) (Messenger Ribonucleic Acid): ↑ זוהי מולקולת רנ''א המתאימה לרֶצֶף גנטי של דנ''א, שאותה הריבוזום קורא כדי לייצר חלבון.
חומצות אמינו (Amino Acids): ↑ אבני הביניין שמרכיבים את החלבונים.
חיסוני ננו-חלקיקים שומניים של mRNA (mRNA-LNP Vaccines): ↑ חיסונים המיוצרים מננו-חלקיקים שומניים עם mRNA המקודד לחלבון הנגיפי.
ננו-חלקיקים (Nanoparticles): ↑ חלקיקים קטנים שגודלם נע בין ננומטר אחד ל-100 ננומטרים.
ננו-חלקיקים שומניים (Lipid Nanoparticles): ↑ אלה הם ננו-חלקיקים המורכבים מליפידים ומחומצות גרעין.
ליפיד הניתן ליינוּן (Ionizable Lipid): ↑ סוג של ליפיד שיכול להיות טעון חיובית או ניטרלי (לא טעון).
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מקורות
[1] ↑ Tregoning, J. S., Flight, K. E., Higham, S. L., Wang, Z., and Pierce, B. F. 2021. Progress of the COVID-19 vaccine effort: Viruses, vaccines and variants vs. efficacy, effectiveness and escape. Nat. Rev. Immunol. 21:626–36. doi: 10.1038/s41577-021-00592-1
[2] ↑ Kon, E., Elia, U., and Peer, D. 2022. Principles for designing an optimal mRNA lipid nanoparticle vaccine. Curr. Opin. Biotechnol. 73:329–36. doi: 10.1016/J.COPBIO.2021.09.016
[3] ↑ Dammes, N., and Peer, D. 2020. Paving the road for RNA therapeutics. Trends Pharmacol. Sci. 41:755–75. doi: 10.1016/j.tips.2020.08.004
[4] ↑ Alameh, M. G., Tombácz, I., Bettini, E., Lederer, K., Sittplangkoon, C., Wilmore, J. R., et al. 2021. Lipid nanoparticles enhance the efficacy of mRNA and protein subunit vaccines by inducing robust T follicular helper cell and humoral responses. Immunity 54:2877–92.e7. doi: 10.1016/J.IMMUNI.2021.11.001