Flere av de aktuelle vaksinekandidatene mot Covid-19 er basert på arvemateriale, altså gener. Det finnes i hovedsak to ulike varianter innen genbaserte vaksiner, DNA og RNA. Her går jeg gjennom hvordan disse brukes i vaksiner, og om ny vaksineteknolgi betyr økt risiko sammenlignet med de gode gamle vaksinene.

Proteiner

Først litt generelt om genbaserte vaksiner og hvordan de skiller seg fra annen type vaksineteknologi som allerede er i bruk. La oss ta for oss virus, for eksempel koronaviruset. Virus er svært enkle i sin biologi og SARS-CoV-2 er bygget opp av 29 ulike proteiner, ett av disse er det mye omtalte piggeproteinet som sitter på overflaten. Til sammenligning kan en menneskecelle inneholde opp mot 20 000 ulike proteiner. De ulike proteinene gir celler eller virus deres funksjoner. For eksempel er det piggeproteinet som gjør at koronaviruset kan smitte mennesker ved å binde til cellene i luftveiene. Antistoffer mot dette proteinet gjør at bindingen blokkeres og viruset mister evnen til å smitte. Dette skaper grunnlaget for flere av vaksinekandidatene som i hovedsak tar sikte på å indusere antistoffer mot piggeproteinet, for å kunne blokkere infeksjon.

Gener, DNA og RNA

Oppskriften på proteiner finnes i gener, som er bygget opp av arvemateriale. Hos mennesker består dette arvemateriale av DNA. I alle celler i menneskekroppen (unntatt røde blodlegemer) finnes en cellekjerne der DNA lagres. DNA-Oppskriften på et spesifikt protein kalles for et gen, og DNAet vårt inneholder som nevnt over 20 000 slike oppskrifter.

I cellene har vi spesialiserte proteinfabrikker (ribosomer) som omgjør oppskriftene til proteiner. Proteinfabrikkene ligger utenfor cellekjernen i cellekroppen. Her oppstår tilsynelatende et problem! Oppskriften i cellekjernen må formidels til proteinfabrikken i cellekroppen. Derfor brukes en midlertidig oppskrift, en avskrift av selve oppskrften, nemlig RNA. Genet kopieres fra DNA (oppskrift) til RNA (avskrift) som transporteres ut av cellekjernen til proteinfabrikkene, slik at de rette proteinene kan lages.

DNA og RNA er svært like, men inneholder noen små men svært essensielle kjemiske ulikheter som gjør at de får ulike biologiske funksjoner. På den måten er det et skille i biologien på hva som er oppskriften og hva som er avskriften. For å oppsummere, oppskriften som finnes i DNA brukes til å lage en utskrift som er RNA, som igjen brukes til å lage virkestoffet protein.

I cellekjernen lagres DNA som inneholder genene våre. DNA avskrives til RNA som transporteres ut av cellekjernen og fungerer som en midlertidig oppskrift for produksjon av proteiner som cellen trenger. Figur laget fra Servier Medical Art.

Koronaviruset har gener i form av RNA

Koronaviruset SARS-CoV-2, som forårsaker covid-19 sykdommen, inneholder ikke DNA, kun RNA. Når viruset infiserer celler i luftveiene, slipper det sitt eget arvestoff i form av RNA inn i cellene. Cellene vil da produsere disse 29 proteinene koronaviruset trenger for å lage nye kopier av seg selv. Viruset bruker altså proteinfabrikkene som alt er i cellene til å lage nye kopier av seg selv.

Når koronaviruset infiserer en celle, introduserer den sitt eget RNA som utnytter cellens proteinfabrikker for produksjon av proteiner. Cellen produserer dermed proteinene viruset behøver for reproduksjon. Figur laget fra Servier Medical Art.

Ved koronavirusinfeksjon ser immunforsvaret en celle som produserer disse 29 fremmede proteinene, og lager derfor antistoffer mot proteinene. Det mest aktuelle proteinet i denne sammenhengen er piggeproteinet på overflaten av koronaviruset. Det er nettopp denne prosessen vaksiner prøver å etterligne, uten at det induseres sykdom. Vaksiner må introdusere en eller flere av virusets proteiner til kroppen på en trygg måte. For å etterligne denne prosessen kan RNA eller DNA pakkes inn i ufarlige virus eller viruslignende partikler og brukes som vaksiner. Men hvordan kan vi finne virusets arvemateriale?

Nye virus sekvenseres så genene blir kjent

DNA og RNA består ganske enkelt av fire ulike molekyler. Fire ulike molekyler som sitter på rekke og rad og danner oppskriften på proteiner. Dette ligner delvis på binær kode bestående av «0» og «1» som brukes i datamaskiner, men her er det altså fire koder i stedet for to. I DNA heter disse fire molekylene adenosin, tymidin, cytosin, og guanin og forkortes naturlig nok til «A», «T», «C», og «G». I RNA er det nesten helt likt, men tymidin er i en litt annen variant som heter uracil, som forkortes «U». Dermed kan vi gjengi oppskriften med en simpel tekst som er en rekkefølge av disse bokstavene. Den genetiske oppskriften på koronavirusets piggeprotein finner du her. Bokstavrekken du leser der er litt forenklet sagt hele innholdet og virkestoffet i de genbaserte vaksinene mot Covid-19.

DNA-sekvenser består av en lenke med fire ulike molekyler ved forkortet navn A, T, G, og C. DNA former en dobbel tråd der disse molekylene binder seg parvis sammen. RNA består av en rekke av de fire molekylene A, U, C, G og finnes nesten alltid som en enkelt tråd. Figur laget fra Servier Medical Art.

En stor fordel med genbaserte vaksiner er at de ikke involverer bruk av det viruset de skal beskytte mot i utviklingen eller produksjonen av vaksiner. Dette er i motsetning til mer tradisjonelle vaksiner, der selve viruset dyrkes og ufarliggjøres. Genbaserte vaksiner mot koronaviruset kan altså produseres uten at selve SARS-CoV-2 viruset er involvert.

Etter at 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. Gjennom sekvensering av virus kan vi se hvordan influensavirus utvikler seg fra sesong til sesong, og når det oppstår nye varianter av koronaviruset. Sekvensering betyr at den genetiske koden blir oversatt til en digital sekvens.

Virusets arvemateriale kan isoleres og genene identifiseres. Dette kan sekvenseres og oversettes til en digital genetisk sekvens. Figur laget fra Servier Medical Art.

Vaksiner basert på viral gensekvens

Etter at virus-sekvensen er kjent kan disse genene enkelt reproduseres i laboratoriet som DNA eller RNA. For å fungere som vaksine må DNA eller RNA pakkes inn i en form for bærer, altså noe som kan beskytte og frakte DNA eller RNA inn i cellene i kroppen. DNA kan for eksempel pakkes inn i ufarlige svekkede forkjølelsesvirus som leverer genet til cellene i injeksjonsområdet. RNA kan pakkes inn i en tom celle som ikke inneholder andre proteiner eller noe eget arvestoff, og som gjerne kalles en viruslignede partikkel.

DNA-vaksiner mot Covid-19 består av DNA som koder for koronavirusets piggeprotein pakket inn i et forkjølelsesvirus. RNA-vaksiner består av RNA som koder for koronavirusets piggeprotein og er pakket inn i en tom celle og blir til en viruslignende partikkel. Figur laget fra Servier Medical Art.

Forkjølelsesviruset eller den tomme cellen blir da bærere av genet i form av DNA eller RNA som inneholder oppskriften på koronavirusets piggeprotein. Genet leveres til cellene i injeksjonsområdet som dermed vil produsere proteinet dette genet er oppskrift på. På den måten lager kroppens egne celler piggeproteinet fra koronaviruset uten at koronavirus har vært invovlert verken i produksjonen eller i vaksinasjonen. Hvis vi ser tilbake på figuren over som viser hvordan koronavirus infiserer celler, ser vi at disse to vaksinevariantene etterligner denne prosessen.

Til venstre vises en DNA-vaksine som bruker forkjølelsesvirus til å levere DNA inn i cellekjernen. Til høyre vises en RNA-vaksine der RNA er pakket inn i en viruslignende partikkel som leverer RNA til cellen. Begge disse variantene leverer oppskriften som gjør at cellen kan produsere koronavirusets piggeprotein. Figur laget fra Servier Medical Art.

En ny vaksineteknologi

DNA- og RNA-vaksiner representerer en ny vaksineteknolgi. Ideen om å bruke genetisk materiale som vaksine er riktignok ikke spesielt ny. De første studiene som beskrev slike vaksiner ble publisert på 1980-tallet, og de første studiene i mennesker kom mot slutten av 1990-tallet. Det er flere grunner til at dette ikke har fått særlig fotfeste innen vaksineutvikling hittil, men den mest avgjørende er nok at DNA-vaksiner ikke har vist ønsket effekt i kliniske studier. DNA-vaksiner er i prinsippet svært enkelt å produsere, men RNA-vaksiner krever noe mer sofistikerte produksjonsmetoder som har gjort at RNA-vaksiner heller ikke har kunne erstatte andre etablerte vaksineteknologier. I tillegg er RNA veldig ustabilt og det kreves ofte lagring på -80°C, som kan være en begrensende faktor for generell bruk. Nå har Moderna kommet med en videutviklet RNA-vaksine med lengre holdbarhet på alminnelig kjøletemperaturer. Det vil forenkle distribusjon og kan gjøre RNA-vaksiner mot andre infeksjonssykdommer mer tilgjengelig etterkant av koronapandemien.

En av grunnene til at genbaserte vaksiner nå blir mer aktuelt er samlet fremgang på flere fronter innen bio- og livsvitenskap. For eksempel har det skjedd en revolusjon innen teknologien som brukes til å sekvensere arvemateriale. Gjennom 1990-tallet foregikk et gigantisk forskningsprosjekt som hadde som mål å sekvensere hele det menneskelige genomet. Dette prosjektet involverte 20 forskningsinstitusjoner over 13 år og kostet 5.16 milliarder dollar (2020 dollar, 2.7 milliarder 1991 dollar). Sekvensering er i dag så enkelt og billig at jeg personlig kan få mitt eget fulle genom sekvensert for 5 000-10 000,- NOK i løpet av 2-3 måneder. Enklere gentester som undersøker spesifikke deler av genomet som for eksempel min etniske opprinnelse koster noen få hundrelapper. Derfor er det i dag enkelt å sekvensere nye virus som dukker opp, enten det er nye varianter av kjente virus med små mutasjoner, eller helt nye virus som ikke har smittet mellom mennesker før, slik som det nye koronaviruset. I 2002-2003 tok det om lag et år å identifisere den genetiske sammensetningen til det første SARS viruset. Det tok om lag to uker på å identifisere genene til SARS-CoV-2 viruset som forårsaker Covid-19. At vi i dag har teknologi som kan sekvensere virus rakst og billig gjør at genbaserte vaksiner kan være klare relativt raskt etter at nye virus bryter ut. Dette er åpenbart relevant i forbindelse med en pandemi.

Er genbasert vaksiner trygge?

Jeg har skrevet litt om sikkerhetsprofilen til RNA-vaksiner tidligere, og også litt om hvordan utprøving og etablering av vaksiner under pandemiske utbrudd kan være ekstra utfordrende. Studien fra de to første fasene av den kliniske studien Oxford/AstraZeneca sin DNA-vaksine viser foreløpig at vaksinen har en akseptabel sikkerhetsprofil. Her gjenstår riktignok siste fase med et større antall deltakere som vil gi et bedre grunnlag for å vurdere effekt og sikkerhet. Dataene fra fase 3 studien med RNA-vaksinene fra Pfizer/BioNTech og Moderna konkluderer også med at vaksinene er både effektive og trygge. Det er altså ikke noe som tyder på at disse vaksinetypene er mindre trygge enn andre vaksiner, ut i fra de kliniske observasjonene vi har til nå.

En fremsatt bekymring har vært; Kan genbaserte vaksiner påvirke den vaksinertes arvemateriale? Kliniske studier viser derimot at dette er lite sansynlig.

RNA er svært ustabilt og brukes kun som en midlertidig oppskrift i cellene. Det er viktig for cellens funksjon at RNA brukes og raskt brytes ned, slik at produksjonen av proteiner er i balanse med cellens behov. RNA i vaksiner er også ustabilt etter at det kommer inn i cellene i kroppen, og gir kun en midlertidig og kortvarig effekt. En studie som sammelignet DNA og RNA levert som vaksine i mus fant at RNA forsvant etter et par dager, mens DNA ble værende i injeksjonsområdet i minst 2 måneder. I tillegg er det slik at RNA har kjemiske ulikheter sammenlignet med DNA som gjør at RNA ikke kan integreres eller skade arvemateriale i cellene i menneskekroppen, som består av DNA. Derfor er særdeles lite sannsynlig at RNA har evnen til å påvirke den vaksinertes arvemateriale. Disse essensielle forskjellene mellom DNA og RNA er noe av grunnen til at blant annet Moderna har valgt å utvikle sine vaksiner med RNA som virkestoff.

I motsettning til RNA, så er DNA svært stabilt. DNA etter vaksinasjon kan detekteres i injeksjonsområdet i relativt lang tid. Det er likevel ikke tegn til at dette påvirker den vaksinertes arvemateriale. For å gå litt mer i detalj så har forskerne undersøkt om DNA fra vaksiner kan sammenføyes med celles arvemateriale i forsøk i mus. Observasjonen var at denne typen sammenføyning forekommer ekstremt sjeldent, om i det hele tatt. Forskerne konkluderte at naturlige mutasjoner i arvematerialet vårt forekommer over 1 000 ganger oftere enn endringer grunnet DNA vaksinasjon.

I våre normale liv utsettes vi kontinuerlig for fremmed DNA. Det finnes i maten vi spiser, bakterier og virus som lever i kroppen vår og utenfor kroppen vår. I tillegg utsettes vi daglig for andre elementer som kan skade eget DNA direkte, slik som sollys og annen type naturlig stråling. Cellene i kroppen har derfor utviklet mekanismer for å beskytte seg mot tilstedeværelse av fremmed DNA, og reparasjonsmekanismer som kan rette opp i feil som eventuelt måtte oppstå. Sannsynligheten for at DNA fra vaksiner kan ha mulighet til å påvirke den vaksinertes arvemateriale er derfor lite reell.

Risiko og nytte

Forskere snakker ofte om risiko og nytte, fremfor om en behandling som for eksempel en vaksine er absolutt trygg eller ikke. Det er viktig at risikoen ved å ta vaksiner er særdeles lav. Kliniske studier viser entydig at risikofaktorene diskutert her ikke er et problem ved bruk av genbaserte vaksiner (sammenfattede referanser til DNA og RNA). Data vi har tilgjengelig viser derfor at genbaserte vaksiner har en akseptabel sikkerhetsprofil, med fordeler som kan være spesielt nyttige ved pandemier.

Skrevet av Tor Kristian Andersen

Bildet er tatt av Gerd Altmann fra Pixabay

Spre kunnskapen

11 thoughts on “Genbaserte vaksiner mot Covid-19

  1. Hei Tor!

    For et fantastisk innlegg av høy kvalitet, selv jeg med helt grunnlengende kunnskaper om den menneskelige anatomi klarer å henge med, mange takk!

    Jeg har dog noen spørsmål 🙂

    Kan man så langt si noe om hvordan mRNA baserte vaksiner påvirker mennesker som mottar tnf hemmende behandling? (eg infliximab)
    Etter hva jeg forstår har mRNA en gitt struktur dvs cap, UTR **** og til slutt poly(A) halen. Hvordan håndterer kroppen innskudd av et «ugyldig» strukturert mRNA?
    Tror du bruken av mRNA under koronavirus-pandemien vil bane vei for teknologien når det kommer til andre alvorlige sykdommer?

    Håper ingen av disse spørsmålene fremstår for dumme 🙂 Takk

    1. Hei Melvin,

      Takk for gode spørsmål!

      TNF-alpha hemmere vil generelt virke dempende på immunforsvaret. Det blir altså som å trykke litt på bremsen for at immunforsvaret holdes delvis tilbake. Studier som har undersøkt effekt av vaksinasjon mot influensa hos pasienter som mottar TNF-alpha hemmere i from av anti-TNF-alpha Ab (som f.eks. infliximab) viste at det er en nedgang i respons på vaksine. Likevel var responsen god nok at den gav beskyttelse hos de vaksinerte. På generelt grunnlag kan en derfor si at vaksiner fungerer godt også i kombinasjon med TNF-alpha hemmende behandling.

      mRNA består av, som du beskriver, en kodende region i midten som sitter mellom ikke-kodende strukturer starten (5’-UTR) og mot slutten (3’-UTR, og polyA) av mRNA tråden. UTR i vaksinen er en noe modifisert kopi av hvordan mRNA ser ut naturlig i kroppen. Kroppen ser derfor mRNA fra vaksinen som svært likt mRNA som kontinuerlig finnes i cellen og vil derfor ikke reagere negativt på det. Det er, som nevnt, gjort noen modifikasjoner av UTR, som for eksempel at polyA halen er ekstra lang. Dette fører til at mRNA-trådene blir mer stabile. Altså fører ikke UTR regionene hos mRNA i vaksinen til at mRNA fremstår som fremmed for cellene.

      Jeg tror mRNA vaksinene utviklet mot Covid-19 vil positivt kunne påvirke fremtidige vaksiner, også mot andre infeksjonssykdommer. Dersom resultatene etter massevaksinasjon viser samme effekt som de kliniske fase 3 studiene tilsier er det tydelig etablert en ny og svært attraktiv vaksineteknologi. Dette vil åpenbart være relevant for nye pandemier som kan komme i fremtiden, men også for eksempel ved sesonginfluensa i de sesongene man ser at alminnelig vaksinasjon var mindre effektiv.

      Vennlig hilsen,
      Tor Kristian

  2. Takk for flott artikkel. Grundig, men på et nivå som gjør det mulig å henge med også for oss ikke-medisinere.

  3. Hei, og tusen takk for utrolig gode artikler.
    Jeg lurer på følgende: Med den historisk raske utviklingen av de ulike covid19-vaksinene, kan man jo være litt bekymret for om disse er testet nok. Kan du si noe om størrelsesordenen på testingen i forhold til andre vaksiner som er godkjent?
    Mvh Tonje

    1. Hei Tonje,

      Antallet som er rekruttert i utprøvingen av Covid-19 vaksinene er relativt høyt sammenlignet med andre studier. En typisk fase 3 studie rekrutterer som regel mellom 1 000-3 000 personer. For de to vaksinene som er godkjent for bruk i Norge var mellom 30 000 – 40 000 personer med i fase 3 studien. Til sammenligning involverte studiene for influensapandemien i 2009 41 000 personer for selve plattformen og 2 000 personer for selve H1N1-vaksinen. Vaksinen Ervebo som ble utviklet mot Ebola i 2015 ble testet på om lag 10 000 personer.

      Vennlig hilsen,
      Tor Kristian

  4. En vanlig vaksine tar vel fra 3 – 7 år, og teste. Vi vet ingen ting om senvirkningene fra dette «proteinet». Har jo blitt utbebalt ca 500 mil i pasientskade erstatning fra «svineinfluensaen».
    Rart folk ukritisk lar seg injisere, uten å ha noe peiling på hva det er.
    Når legen sier det er greit da er det greit

  5. Flott artikkel Tor Kristian og flott blogg!
    En ting har jeg ikke greidd å finne ut av ang. mRNA-vaksinene. RNA-molekylene lages jo syntetisk (formoder jeg). Men benyttes også modifiserte ribonukleotider (for å gjøre dem mer stabile)? – eller er de helt naturlige/native RNA-molekyler?

    Vennlig hilsen
    Rein

    1. Hei Rein!

      Du har helt rett angående bruk av modifiserte nukleotider i mRNA vaksinene, som blandt andre ofte er pseudouridine. Ikke alle mRNA vaksiner bruker like mye eller samme type modifikasjon av nukleotider, og dette er en avveining mellom stabilitet og vaksinens evne til å aktivere immunforsvaret.

      Subsitusjon med modifiserte nukleotider gjøres for at vaksinene skal være mer stabile inne i cellene i kroppen. mRNA i den formen det finnes i vaksinene ligner på RNA som finnes i virus. Derfor har cellene i kroppen reseptorer som kan kjenne igjen denne typen RNA og signalisere til immunforsvaret at det er tegn til at det er et virus til stede. Immunforsvaret vil da raskt og effektivt fjerne cellen som gir signal om at den tror den er infiserte av et virus.

      Ved å substituere visse nukleotider i mRNA med nukleotider som har modifisert små kjemiske sidegrupper vil ikke mRNA i vaksinen binde disse reseptorene like sterkt, og færre av cellene som får introdusert mRNA fra vaksine vil fjernes av immunforsvaret. Dette gjør at flere celler kan oversette mRNA fra vaksinen til immunogenet, altså koronavirusets piggeprotein i dette tilfellet. Dermed blir vaksinen mer stabil og effektiv i det den settes i armen og begynner å virke i muskelcellene i injeksjonsområdet.

      Alle vaksiner må gjøre to ting for å fungere optimalt. Vaksiner må presentere en del av et patogen, koronavirusets piggeprotein i dette tilfellet, og gi et tilstrekkelig aktiveringssignal til immunforsvaret. I mange andre typer vaksiner brukes adjuvans til nettopp denne aktiveringen. mRNA vaksiner har mulighet til å aktivere immunforsvaret uten bruk av ekstra adjuvans, fordi det finnes reseptorer i cellene i kroppen som kan detektere fremmed RNA. mRNA vaksiner har altså innebygget adjuvans. Det er derfor ønskelig at mRNA i vaksinen gir et visst faresignal til immunforsvaret, slik at det oppstår en aktivering av immunforsvaret samtidig som koronavirusets piggeprotein er til stede. For mRNA vaksiner kan kombinasjoner av modifiserte nukleotider brukes til å finne den perfekte balansen mellom aktivering av immunforsvaret og effektiv produksjon av immunogen, uten bruk av ekstra adjuvans.

      Vennlig hilsen,
      Tor Kristian

Legg igjen en kommentar til Per Avbryt svar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert. Obligatoriske felt er merket med *