Các nhà khoa học của Viện công nghệ Massachusetts (MIT), Hoa Kỳ đã phát triển thành công một loại vắc xin thế hệ mới dựa trên vật liệu di truyền ARN và công nghệ nano. Vắc xin này có thể được sản xuất chỉ trong một tuần theo đơn đặt hàng và có khả năng đáp ứng nhanh chóng đối với các dịch bệnh mới nổi hoặc bùng phát đột ngột [1].
Vật liệu di truyền ARN thông tin (mARN) được thiết kế và tùy biến để mã hóa cho bất kỳ protein vi rút, vi khuẩn hay ký sinh trùng nào. Những phân tử ARN này sau đó được đóng gói dưới dạng hạt nano mang điện tích, cho phép chúng xâm nhập vào tế bào tương tự như cách xâm nhập của vi rút. Dựa trên hoạt động của tế bào, quá trình dịch mã xảy ra và sinh tổng hợp các protein được mã hóa với mầm bệnh đích, các protein này được khuyếch đại lên nhiều lần để kích thích sự đáp ứng miễn dịch đặc hiệu từ vật chủ [1,2].
Trong giai đoạn đầu, vắc xin ARN nano đã được các nhà nghiên cứu thiết kế, sản xuất và thử nghiệm trên chuột nhằm chống lại sự xâm nhiễm của vi rút Ebola, cúm A/H
1N
1, và
Toxoplasma gondii (một loại ký sinh đơn bào gây bệnh ở thai nhi). Chỉ với một liều tiêm duy nhất, khả năng đáp ứng miễn dịch trên chuột đạt hiệu quả 100% trong các lần thử nghiệm, chuột không bị nhiễm bởi các mầm bệnh trên. Kết quả nghiên cứu đã được nhóm tác giả công bố trên tập san khoa học hàng đầu của Mỹ (PNAS) tháng 7/2016 [3].
Hình 1. Vắc xin ARN nano: Cấu trúc vật liệu dạng dendrimer để đóng gói ARN thông tin (A); phân bố kích thước hạt vắc xin ARN nano đo bằng tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS) (B); hình ảnh hiển vi điện tử của các hạt vắc xin ARN nano, thang đo: 50 nm (C) [3].
Hiện nay, để phòng một hay một số bệnh nào đó, hầu hết các vắc xin được nghiên cứu sản xuất theo công nghệ truyền thống (vắc xin giải độc tố; vắc xin chết toàn thể/ kháng nguyên tinh chế; vắc xin sống giảm độc lực) hoặc công nghệ gene tái tổ hợp. Tuy nhiên, quá trình này phải mất một thời gian dài nghiên cứu và thử nghiệm trước khi đưa vắc xin ra thị trường. Do vậy, tính rủi ro cao và khó có khả năng đáp ứng nhanh trong các trường hợp dịch bệnh mới nổi hoặc bùng phát đột ngột. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu của MIT tuyên bố có thể tạo ra vắc xin ARN chỉ trong vài ngày theo đơn đặt hàng. Ý tưởng sử dụng các phân tử ARN thông tin làm vắc xin đã được đề cập từ 30 năm trước, tuy nhiên một trong những trở ngại lớn là việc tìm ra một phương thức an toàn và hiệu quả để dẫn chúng vào trong tế bào. Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã thiết kế ARN thông tin có khả năng tùy biến để mã hóa cho từng loại bệnh, sau đó đóng gói chúng dưới dạng hạt nano. Bằng cách tùy biến ARN, có thể sản xuất bất cứ vắc xin ARN nano để chống lại bất cứ mầm bệnh chủ đích nào. Sau khi đưa vắc xin vào tế bào vật chủ, chính những ARN này sẽ tham gia vào quá trình dịch mã trong tế bào, sử dụng bộ máy di truyền của tế bào chủ để sinh tổng hợp tạo ra nhiều bản sao protein đã được mã hóa, từ đó có thể kích thích tế bào tạo ra sự đáp ứng miễn dịch đặc hiệu và mạnh mẽ hơn [1,3].
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phần tử cấu trúc dendrimer (cấu trúc nhánh) để đóng gói các phân tử ARN thông tin thành hạt nano sau khi đã mã hóa mầm bệnh đích. Chìa khóa của công nghệ là việc có thể cung cấp cho vật liệu này một điện tích dương tạm thời, cho phép tạo thành những gắn kết gần với ARN - tích điện âm. Cấu trúc và hình dáng cuối cùng của vắc xin ARN nano có thể điều khiển và kiểm soát được. Với cấu trúc dendrimer-ARN, phần tử này có thể gấp lại nhiều lần kích thước chính nó. Do vậy, các hạt vắc xin được tạo ra có đường kính ~150 nm khi đo bằng tán xạ ánh sáng động (DLS) và dưới 100 nm khi đo bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Điều đó làm cho chúng có kích thước tương tự như nhiều loại vi rút, thuận lợi trong việc tiếp cận và thâm nhập vào trong tế bào [3]. Dựa trên công nghệ này, các nhà nghiên cứu của MIT cũng đã thử nghiệm thành công trên chuột trong việc tạo ra vắc xin ARN phòng bệnh Zika đạt hiệu quả 100% [2].
Vắc xin ARN nano được thiết kế để tiêm bắp và dưới da, khi vào trong tế bào, vắc xin này có thể kích thích cả hai nhánh của hệ thống miễn dịch – đáp ứng tế bào T lympho và đáp ứng kháng thể. Các nhà nghiên cứu cũng tin rằng vắc xin của họ sẽ an toàn hơn so với vắc xin tái tổ hợp ADN. Bởi vì không giống như ADN, ARN không được tích hợp vào hệ gene của vật chủ - nguyên nhân có thể gây ra đột biến, nguồn gốc hiện tượng tái độc lực của một số loại vắc xin hiện hành [1,3].
Nguồn tham khảo: - http://news.mit.edu/2016/programmable-rna-vaccines-0704;
- http://www.reuters.com/article/us-science-vaccines-idUSKCN10C2XR
- Chahala JS, Khan OF, Cooper CL et al. Dendrimer-RNA nanoparticles generate protective immunity against lethal Ebola, H1N1 influenza, and Toxoplasma gondii challenges with a single dose. PNAS, 2016; 113(29): E4133-E4142
TS. Trần Quang Huy
