Når gener blir vaksine

De aller fleste av oss har fått en, to eller tre doser med mRNA-vaksine fra Pfizer eller Moderna. I tillegg har rundt 130 000 personer har fått en dose adenovirusbasert vaksine fra AstraZeneca, etterfulgt av en eller to doser mRNA-vaksine. Felles for vaksinene er at de inneholder genetiske oppskrifter på deler av SARS-CoV-2-viruset, til forskjell fra mer tradisjonelle vaksiner som inneholder døde eller svekkede mikrober. I denne artikkelen vil vi forklare hvordan genetiske vaksiner fungerer, ta for oss litt av historien bak teknologien, oppsummere hvor effektivt vaksinene beskytter mot sykdom og se på nye vaksiner som er under utprøving. Vi vil fokusere på mRNA-vaksinene, gitt den ­dominerende rollen disse vaksinene har hatt for vaksinasjon mot covid-19 i Norge.

Proteiner, DNA og RNA

Virus er forholdsvis enkle i sin oppbygging med en kapsel av proteiner som omslutter og beskytter arvematerialet. I tillegg har noen typer virus, deriblant koronavirus, en ytre fettkappe. SARS-CoV-2-viruset, som forårsaker sykdommen covid-19, består i hovedsak av fire proteiner, deriblant det mye omtalte ­piggproteinet (spike) som ­sitter på overflaten av viruset. Piggproteinet ­binder til overflatereseptoren ACE2 på ­cellene i ­luftveiene, og gjør at viruset kan smitte ­mennesker. Antistoffer mot piggproteinet kan blokkere bindingen til ACE2, og forhindre at viruset smitter cellene. Det er grunnlaget for alle koronavaksinene som er brukt i Norge – indusere antistoffer mot piggproteinet for å hindre infeksjon.

Oppskriften på proteiner finnes i gener, som til sammen utgjør arvematerialet. Hos mennesker består dette arvematerialet av DNA som ligger tettpakket i kromosomer i cellekjernen. DNA-oppskriften på et ­spesifikt protein kalles for et gen, og DNA-et vårt inneholder over 20 000 slike oppskrifter.

I cellene har vi spesialiserte protein­fabrikker (ribosomer) som omgjør opp­skriftene til proteiner. Proteinfabrikkene ligger utenfor cellekjernen i cellekroppen. Oppskriften på et protein må dermed formidles fra DNA i cellekjernen til protein­fabrikken i celle­kroppen. Derfor brukes en midlertidig ­oppskrift, en avskrift av selve oppskriften, nemlig mRNA. Gener kopieres fra DNA (oppskrift) til mRNA (avskrift) som ­transporteres ut av celle­kjernen til protein­fabrikkene, slik at de rette proteinene kan lages. mRNA står for messenger RNA, og oversettes gjerne til budbringer-RNA på norsk.

Til forskjell fra oss, så består arvestoffet til SARS-CoV-2 av RNA. Når SARS-CoV-2 ­infiserer celler i luftveiene, frigjøres virusets RNA inn i cellene der det kan brukes som oppskrift for å lage alle proteinene viruset trenger for å formere seg (figur 1). Viruset bruker med andre ord proteinfabrikkene som allerede er i cellene til å kopiere seg selv.

Figur 2. DNA-sekvenser består av en lenke med fire ulike molekyler ved forkortet navn A, T, C og G. DNA former en dobbel tråd der disse molekylene binder seg parvis sammen. RNA består av en rekke av de fire molekylene A, U, C og G og finnes nesten alltid som en enkelt tråd. Illustrasjon: Tor Kristian Andersen

Fra gensekvens til vaksine

DNA og RNA består av fire ulike ­molekyler som sitter på rekke og rad og danner ­oppskriften på proteiner. I DNA heter disse fire molekylene adenosin, tymidin, cytosin og guanin, og forkortes naturlig nok til «A», «T», «C» og «G». RNA er nesten helt likt, men tymidin er erstattet med en variant som heter uracil, som forkortes «U» (figur 2). ­Dermed kan vi gjengi oppskriften på et ­protein med en simpel tekst som er en ­rekkefølge av disse bokstavene. Den genetiske ­oppskriften på koronavirusets ­piggprotein finnes på ­nettsiden til National Center for ­Biotechnology ­Information (1). Bokstavrekken er litt forenklet sagt virkestoffet i RNA-vaksinene mot covid-19.

Når et nytt virus oppdages, blir det sekvensert. Det vil si at rekkefølgen på A, G, C og T (eller U i RNA) i arvematerialet bestemmes. Å sekvensere virus er noe forskere og helsemyndigheter i verden gjør kontinuerlig, og det er nå over 8 millioner SARS-CoV-2-sekvenser som er offentliggjort. Gjennom sekvensering kan vi se hvordan virusene utvikler seg over tid, og når det oppstår nye varianter av koronaviruset (2).

Den 11. januar 2020 delte kinesiske myndigheter den første sekvensen av ­arvematerialet til SARS-CoV-2-viruset. Etter at virussekvensen ble kjent, kunne genene enkelt reproduseres i laboratoriet som mRNA, og allerede 7. februar 2020 hadde Moderna ferdigstilt en covid-19-vaksine som var klar til å testes i mennesker. For å fungere som vaksine må mRNA pakkes inn. Delvis for å beskytte mRNA etter injeksjon, men også for å levere det inn i cellene i ­kroppen. Flere ulike pakkestrategier er under utprøving, men den mest vanlige er å pakke mRNA inn i ­nanopartikler av lipider, slik at det dannes en virusliknede partikkel (figur 3). I likhet med SARS-CoV-2-viruset, så leverer ­vaksinene mRNA til cellene der det ­omdannes til ­overflatetaggen ved hjelp av cellens ­proteinfabrikker (figur 1).

Figur 3. mRNA-vaksiner består av syntetisk eller labproduserte mRNA som koder for koronavirusets piggprotein, pakket inn i en lipidnanopartikkel til en virusliknende partikkel. Illustrasjon: Tor Kristian Andersen

Ikke så ny teknologi likevel

Før covid-19-pandemien hadde vi ingen mRNA-vaksiner som var godkjent for bruk på mennesker. Covid-19-vaksinene kan derfor sies å representere ny vaksineteknologi. Bruk av genetisk materiale som vaksine er derimot ikke spesielt nytt. Allerede tidlig på 80-­tallet jobbet forskere med å sette inn et gen fra influensavirus i kukoppeviruset (3), som ble brukt i koppevaksinen. Ved vaksinasjon så vil det modifiserte kukoppeviruset smitte celler på injeksjonsstedet som så omdanner influensagenet til influensaprotein. Immun­forsvaret vil deretter danne en ­immunrespons mot influensaproteinet. Det samme ­prinsippet ligger til grunn for de adenovirusbaserte covid-19-vaksinene.

Den første demonstrasjonen av at det er mulig å introdusere fremmed genmateriale i form av mRNA inn i et levende individ ble vist i mus i 1990 (4). Studien viste at mRNA kunne oversettes til protein etter injeksjon, og la dermed grunnlaget for dagens mRNA-­vaksiner. Preklinisk utprøving av vaksiner basert på mRNA ble først offentliggjort i 1993 (5), da franske forskere vaksinerte mus med en mRNA-vaksine som inneholdt et gen fra influensavirus. En rekke tidligere oppdagelser hadde da lagt grunnlaget for mRNA-vaksiner, som muligheten til å ­syntetisere mRNA på laboratoriet og forsøk med å levere mRNA pakket inn i nanopartikler av lipider til celler (6).

Dessverre viste de første kliniske utprøvingene av mRNA-vaksiner i mennesker på ­slutten av 1990-tallet en skuffende effekt, ­hvilket bidro til redusert interesse for ­teknologien. I tillegg hadde (og fortsatt har) mRNA-vaksiner utfordringer med stabilitet, hvilket er grunnen til at Pfizer-vaksinen for eksempel krever lagring i ultrafrysere som holder -80°C. Det kan være en begrensende faktor for generell bruk, spesielt i lav­inntektsland der det er dårligere tilgang til dyrt utstyr for lagring av vaksinene. Til tross for slike utfordringer ble det etablert flere selskaper utover 2000-tallet som forsket på utvikling og kommersialisering av mRNA-­vaksiner, deriblant BioNTech i 2008 (som står bak Pfizer-vaksinen) og Moderna i 2010.

Hvor effektive er mRNA-vaksinene

Ved en SARS-CoV-2-infeksjon starter immunsystemet vårt en forsvarsprosess, og det er i hovedsak immunforsvarets kamp mot viruset som fører til opplevd sykdom og symptomer. Under immunresponsen dannes B-celler og T-celler som gjenkjenner proteiner fra ­viruset. B-cellene utvikler seg til plasmaceller som skiller ut store mengder antistoffer som kan forhindre smitte. I tillegg dannes det flere typer T-celler som også spiller en viktig rolle i å eliminere virusinfeksjonen. T-hjelpeceller har i oppgave å stimulere B-cellene til å lage antistoffer, mens T-drepercellene har i oppgave å finne og drepe virusinfiserte celler. Etter at viruset er fjernet, forblir noen av de virusgjenkjennende B- og T-cellene igjen i kroppen som hukommelsesceller. Neste gang vi kommer i kontakt med samme virus, vil disse hukommelsescellene respondere raskt. Immunforsvaret kan da eliminere viruset langt raskere, og med langt mindre symptomer på sykdom. Det er denne prosessen vaksinene mot covid-19 prøver å etterlikne, bare uten at vi gjennomgår selve sykdommen.

Klinisk utprøving av mRNA-vaksiner mot covid-19 viste tidlig at vaksinene ga ­høyere nivåer av antistoffer mot piggproteinet enn det man så hos personer som hadde ­gjennomgått covid-19-sykdom. I løpet av november 2020 offentliggjorde både Moderna (7) og Pfizer (8) at vaksinene gav rundt 95 prosent beskyttelse mot symptomatisk covid-19-sykdom. Vaksinene beskyttet også svært godt mot alvorlig sykdom og død. En beskyttende effekt på 95 prosent er svært god sammenliknet med andre ­vaksiner mot infeksjonssykdommer av liknende art, som for eksempel influensa, og langt bedre enn WHO sin anbefaling om at en vaksine mot covid-19 burde være minst 50 prosent effektiv for å godkjennes. Begge vaksinene fikk nødgodkjenning for bruk i mennesker i desember 2020.

Ettersom millioner av mennesker ble ­vaksinert utover vinteren og våren 2021, fikk vi også data på beskyttende effekt fra den virkelige verden. En omfattende studie fra Israel (9), som innen midten av mars hadde vaksinert over halve befolkningen, viste at ­Pfizer sin mRNA-vaksine gav over 90 prosent beskyttelse mot SARS-CoV-2-smitte og over 95 prosent beskyttelse mot ­s­ykdom og død. Resultatene bekreftet data fra fase 3-­s­tudien, og viste fullt ut hvor effektive mRNA-­vaksinene kunne være.

Nye varianter, nye utfordringer

Til tross for god beskyttende effekt av covid-19-vaksinene, så har vi denne vinteren sett stadig høyere smittetall globalt. Mye av forklaringen ligger i hvordan virus endrer seg over tid, og at disse endringene gjør virusene i stand til å omgå immunitet fra vaksine eller tidligere infeksjon.

Sommeren og høsten 2021 dominerte deltavarianten av SARS-CoV-2, både i Norge og globalt. Deltavarianten inneholder flere endringer i piggproteinet i forhold til den opprinnelige SARS-CoV-2-varianten fra Wuhan fra januar 2020. Konsekvensen er at antistoffer etter vaksinering ikke like ­effektivt blokkerer viruset fra å binde til ACE2 på målcellene. Flere studier har likevel vist at mRNA-vaksinene, som er basert på pigg­proteinet fra Wuhan-varianten, fortsatt beskytter mot smitte fra deltavarianten (10).

I november i fjor dukket en ny variant opp som hadde langt flere endringer i pigg­proteinet, og som fikk navnet omikron. Der deltavarianten har ni endringer i ­pigg­proteinet, så har omikron hele 32 endringer. Omikron har vist seg å være langt flinkere til å omgå immunitet etter vaksinasjon eller smitte, hvilket er en av grunnene til at denne varianten sprer seg så raskt.

Avtakende antistoffnivåer over tid kan også bidra til redusert beskyttelse mot smitte. At antistoffer avtar med tiden, er helt naturlig og gir rom for immunforsvaret til å bekjempe nye infeksjoner. Det er den immunologiske hukommelsen som er avgjørende, og de aller fleste vaksinerte vil fortsatt ha hukommelsesceller i kroppen som kan bidra til å beskytte mot alvorlig sykdom i lengre tid. Likevel kan avtakende immunitet være en utfordring for enkelte, og Folkehelseinstituttet (FHI) har kommet med anbefaling om at alle over 45 år tar en oppfriskningsdose. Spesielt de over 65 år eller de som har underliggende ­sykdommer bør ta en tredje dose, for å ­minske risiko for alvorlig sykdom. En tredje dose vil gi ­de ­forhøyede antistoffnivåene som er viktig for å møte en ny virusbølge.

Fremtiden for mRNA-vaksiner

Kliniske studier av mRNA-vaksiner mot andre SARS-CoV-2-varianter er under utprøving. Studiene tester nye varianter alene, men også i kombinasjon med piggproteinet fra den opprinnelige Wuhan-Hu-1-varianten. ­Prekliniske studier av Moderna-vaksinen med en kombinasjon av betavarianten (Sør-Afrika) og den opprinnelige Wuhan-Hu-1-­varianten gav bredere responser i mus. Det vil si at antistoffene fra kombivaksinen gav mer effektiv beskyttelse mot ulike ­varianter av SARS-CoV-2-viruset. En liknende effekt ble også sett hvis en tredje dose med ­betavarianten ble gitt etter to doser med den opprinnelige virusvarianten (11). Vi kan dermed oppnå bedre beskyttelse mot nye varianter med en oppfriskningsdose. En slik situasjon vil være ­tilsvarende den vi har for influensa, hvor det er nødvendig med en årlig oppdatering av vaksinen for å gi beskyttelse mot nye ­influensavarianter som sirkulerer i befolkningen.

De gode resultatene mot covid-19 har fremskyndet utviklingen av mRNA-­vaksiner mot andre infeksjonssykdommer, der ­influ­-
ensa er en av de mest aktuelle kandidatene. Som hos covid-19, er en av utfordringene med influensa at viruset endrer seg fra sesong til sesong. I tillegg kan produksjonsmetoden for de konvensjonelle ­influensavaksinene (inaktivere virus produsert i egg) føre til endringer i viruset, slik at ­vaksinene blir mindre effektive mot virusene som sirkulerer. mRNA-vaksiner åpner for en mer ­fleksibel vaksine som lettere kan tilpasses de sirku­lerende variantene, en produksjon som ikke tilfører endringer i vaksineantigenet og er uavhengig av sykdomsfremkallende virus. Flere ulike kandidater for en mRNA-­influensavaksine er i klinisk utprøving (12).
I ­likhet med koronavirusene har influensavirus ­forårsaket pandemier og epidemier som gir sykdom, død og bekymring (svineinfluensaen i 2009 og fugleinfluensa i Kina 2013).

Moderna har også startet utprøving av en kombinert vaksine mot influensa og covid-19. Sannsynligheten er stor for at dagens covid-19-vaksiner ikke vil utrydde fremtidige varianter av SARS-CoV-2-viruset, og derfor vil en årlig oppdatering av vaksinen kunne gi videre beskyttelse mot covid-19 for sårbare grupper. På samme måte som vi nå har årlige oppdateringer av influensavaksinen. En stor fordel vil da være om vi kan få en kombinasjonsvaksine som vil beskytte oss mot begge sykdommene i en enkelt vaksine.

Human immunsvikt virus (hiv) er i likhet med influensa en sykdom hvor virusproteinene er under konstant endring. Samtidig har de konvensjonelle vaksineplattformene ikke hatt særlig beskyttende effekt. For hiv har mRNA-vaksineteknologien vært ­særlig lovende i form av en passiv ­immunisering, ved at den benyttes for å levere bredt beskyttende antistoffer for å hindre viruset i å ­infisere pasienten (13). I dette tilfellet inneholder ikke vaksinen oppskriften på et virusprotein, men isteden en oppskrift på selve antistoffet som gir beskyttelse. Rask og sikker ­produksjonen av mRNA-vaksiner åpner også opp for utprøving av nye måter å ­vaksinere på. En ny og spennende vaksinestrategi mot hiv er å gjennomføre flere vaksineringer med små forandringer av ­virusproteinene i ­vaksinen (14). ­Strategien gjenspeiler hvordan ­immun­forsvaret kan respondere ved en naturlig hivinfeksjon, der antistoffene «modnes» over tid og etter hvert tilpasser seg og beskytter mot viruset. For hver endring av virusproteinene så vil antistoffene kunne utvikle seg i retning av slike ­beskyttende antistoffer. Kombinasjoner av mRNA-­vaksiner kan derfor være et ­alternativ der de ­tradisjonelle ­vaksinestrategiene ikke har lyktes.

Hva med neste pandemi?

Covid-19-pandemien har vist hvor sårbare vi fortsatt er når det kommer til nye infeksjonssykdommer. Heldigvis så har pandemien også vist at vi raskt kan utvikle effektive ­vaksiner, og at «ny» vaksine­teknologi kan spille en avgjørende rolle. Det er imidlertid viktig at vi fortsetter å forske på og utvikle nye vaksiner. Det er ikke selvsagt at mRNA-­vaksiner vil være løsningen ved neste pandemi.

Referanser

1. Severe acute respiratory syndrom coronavirus 2 isolate Wuhan-Hu-1, complete genome. www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/NC_045512.2?report=fasta&from=21563&to=25384.

2. Li Q, Wu J, Nie J et al. The Impact of Mutations in SARS-CoV-2 Spike on Viral Infectivity and Antigenicity. Cell 2020; 182; 1284–94.

3. Panicali D, Davis SW, Weinberg L et al. Construction of live vaccines by using genetically engineered poxviruses: biological activity of recombinant vaccinia virus expressing influenza virus hemagglutinin. Proc Natl Acad Sci U S A 1983; 80: 5364–8.

4. Wolff JA, Malone RW, Williams P et al. Direct gene transfer into mouse muscle in vivo. Science 1990; 247: 1465–8.

5. Martinon F, Krishnan S, Lenzen G et al. Induction of virus-specific cytotoxic T lymphocytes in vivo by liposome-entrapped mRNA. Eur J Immunol 1993; 23: 1719–22.

6. Dolgin E. The tangled history of mRNA vaccines. Nature 2021; 597: 318–24.

7. Baden LR, El Sahly HM, Essink B et al. Efficacy and Safety of the mRNA-1273 SARS-CoV-2 Vaccine. N Engl J Med 2021; 384: 403–16.

8. Polack FP, Thomas SJ, Kitchin N et al. Safety and Efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid-19 ­Vaccine. N Engl J Med 2020; 383: 2603–15.

9. Haas EJ, Angulo FJ, McLaughlin JM et al. Impact and effectiveness of mRNA BNT162b2 vaccine against SARS-CoV-2 infections and COVID-19 cases, hospitalisations, and deaths following a nationwide vaccination campaign in Israel: an observational study using national surveillance data. Lancet 2021; 397: 1819–29.

10. Bernal JL, Andrews N, Gower C et al. Effectiveness of Covid-19 Vaccines against the B.1.617.2 (Delta) Variant. N Engl J Med 2021; 385: 585–94.

11. Wu K, Choi A, Koch M et al. Variant SARS-CoV-2 mRNA vaccines confer broad neutralization as primary or booster series in mice. Vaccine 2021; 39: 7394–7400.

12. Chaudhary N, Weissman D, Whitehead KA. mRNA vaccines for infectious diseases: principles, delivery and clinical translation. Nat Rev Drug Discov 2021; 20: 817–38.

13. Corey L, Gilbert PB, Juraska M et al. Two Randomized Trials of Neutralizing Antibodies to Prevent HIV-1 Acquisition. N Engl J Med 2021; 384: 1003–14.

14. Burton DR. Advancing an HIV vaccine; advancing vaccinology. Nat Rev Immunol 2019; 19: 77–8.

(Publisert i NFT nr. 2/2022 side 21-24)