Ариэль Марси беседует с исследователями, которые считают, что заложены основы для создания вакцин на основе растений с помощью техники, называемой молекулярным сельским хозяйством.
Из семян — в вакцины
Профессор Варанью Пхулчароен и её соучредители из биотехнологической стартап-компании Baiya Phytopharm в Бангкоке переключили своё внимание на новый вирус SARS-CoV-2, вызывающий COVID-19. Их небольшая компания, основанная годом ранее, изначально занималась реагентами для лабораторных тестов и косметическими ингредиентами. Но Пхулчароен знала, что технология, лежащая в основе её компании, может добиться большего.
В отличие от отраслевого стандарта — культур клеток, выращиваемых в больших вонючих чанах, называемых ферментерами, Baiya Phytopharm выращивает белки в растениях. Техника, называемая молекулярным сельским хозяйством растений, обещает быть по крайней мере такой же быстрой и эффективной, как традиционные методы, с дополнительными преимуществами в безопасности, масштабируемости и хранении.
К сожалению, молекулярное сельское хозяйство растений не имеет впечатляющего коммерческого успеха. Почти через 30 лет после его создания лишь несколько фармацевтических препаратов на растительной основе дошли до клинических испытаний на людях.
От сельского хозяйства к фармацевтике
Растения были знакомым источником лекарств для человека на протяжении тысячелетий. Молекулярное сельское хозяйство растений расширяет эту практику, внедряя чужеродную ДНК в растения, чтобы они производили новые полезные белки.
Одним из первых экспериментов, подтверждающих концепцию фармацевтических препаратов на растительной основе, был эксперимент 1989 года, когда исследователи вырастили антитела внутри растений табака. Сегодня молекулярное сельское хозяйство растений включает в себя разнообразие методов, видов растений и конечных продуктов.
Когда конечным продуктом является фармацевтический препарат, например вакцина, эта область удобно называется фармингом. Это более специфично, чем молекулярное сельское хозяйство с буквой «f», где конечными продуктами могут быть любые чужеродные белки, такие как растительные белки животного происхождения или промышленные ферменты.
Фарминг
Фарминг может включать в себя различные сельскохозяйственные культуры, от риса до моркови или даже клубники, но рабочей лошадкой фарминга является непритязательное австралийское растение Nicotiana benthamiana, или benthi для краткости. Это растение использует Пхулчароен.
Как следует из названия рода, benthi тесно связана с табаком (Nicotiana tabacum) и извлекает выгоду из накопленных знаний табачной промышленности.
«В медицине часто изучают мышей или кроликов. Люди в мире растений изучают Nicotiana benthamiana или Arabidopsis», — говорит профессор Кэтлин Хефферон, учёный, занимающийся молекулярным сельским хозяйством растений в Корнельском университете в США. «Их очень легко выращивать, у них короткий жизненный цикл, и мы многое о них знаем».
Троянские кони
Помимо того, что benthi является модельным организмом, она идеально подходит для техники молекулярного сельского хозяйства растений, называемой временной экспрессией. Она временно вводит ДНК в ядро растения. Метод быстрый, позволяющий производить большое количество белка за считанные дни.
Чтобы добиться этого, учёные вводят ДНК, кодирующую интересующий белок, в клетки растения. Они используют микроскопические векторы или «троянских коней», обычно вирусы или почвенную бактерию Agrobacterium.
«У [benthi] очень мало защитных механизмов, поэтому вирусы в ней хорошо размножаются, и вы можете вырастить там много белков», — говорит Хефферон.
После введения векторов растения возвращают в тщательно контролируемые теплицы. Под гулом искусственного освещения они выращивают большое количество чужеродного белка в своих листьях.
Benthi хорошо подходит для этого этапа. «У неё много листьев, так что у вас есть эти красивые широкие листья, которые вы можете легко размять и извлечь из них белок. Это очень быстро», — говорит Хефферон.
После этапа экстракции учёные могут использовать установленные методы для очистки интересующих белков и подготовки их к использованию в терапевтических целях, таких как вакцины.
Преимущества растений
В настоящее время большинство фармацевтических компаний производят свои терапевтические белки в одноклеточных микроорганизмах. Для белков, предназначенных для использования у млекопитающих (включая человека), компании чаще всего используют культуры клеток китайского хомячка (CHO).
Все эти типы клеток должны выращиваться в биореакторах — изготовленных из нержавеющей стали сосудах, которые поддерживают и регулируют рост клеток в строго контролируемых стерильных условиях.
Фарминг, напротив, использует растения в качестве живых биореакторов. Это даёт вышеупомянутые преимущества в безопасности, масштабируемости и хранении.
С точки зрения безопасности и эффективности растения занимают удобное положение на эволюционном дереве. Как очень дальние родственники млекопитающих, растения не могут быть инфицированы человеческими патогенами так, как это может сделать биореактор CHO; вирусы растений также не заразны для человека.
Однако, будучи такими же эукариотами, растения выполняют многие из модификаций белков, которые делают сложные человеческие белки функциональными.
По сравнению с традиционными биореакторами фарминг проще масштабировать — просто посадите больше растений. Плотность белка, производимого внутри каждого растения, также означает, что фарминг не требует больших площадей. Например, исследователи в Италии подсчитали, что они могут вакцинировать 35 миллионов человек на 12 500 м² benthi в теплицах. Это меньше, чем крикетное поле.
По сравнению с продуктами традиционных биореакторов белки растительного происхождения могут быть проще в транспортировке и хранении по нескольким причинам.
Терапевтический белок выигрывает от наличия толстой клеточной стенки, которая защищает его от разложения при комнатной температуре. Это особенно верно, если белок экспрессируется в семени растения.
«Белок может стать довольно инертным. Он никак не разрушается», — говорит Хефферон. «Если вы сможете удержать воду, если вы высушите его и сделаете порошок, это действительно безопасно».
Поскольку фарминговые объекты проще масштабировать и у них меньше технических требований, их можно разместить на нескольких объектах, рядом с несколькими населёнными пунктами. Это сокращает потребность в транспортировке на большие расстояния, где постоянное охлаждение труднодостижимо.
Все эти преимущества в сочетании со скоростью временной экспрессии делают молекулярный фарминг идеальным для производства вакцин в странах с низким и средним уровнем дохода.
Испытания на людях и трудности
В Бангкоке команда Пхулчароен успешно использовала benthi для выращивания вирусоподобных частиц на основе вируса COVID-19. Они добились успеха, используя этот белок для индукции иммунного ответа у мышей и обезьян.
Следующий шаг — клинические испытания на людях, которые обычно включают 3 этапа перед получением одобрения от национального управления по лекарственным средствам и пищевым продуктам.
К октябрю 2021 года Baiya Phytopharm ввела свою первую вакцину на растительной основе в фазу клинических испытаний 1. «Мы обнаружили, что она безопасна для человека, но вызвала лишь слабый иммунный ответ», — говорит Пхулчароен.
Несмотря на это, команда разработала вакцину второго поколения, и к марту 2022 года они снова вступили в фазу клинических испытаний 1 на людях. На этот раз вакцина оказалась безопасной и эффективной. К сожалению, время было упущено.
«После того как мы прошли фазу 1, нам пришлось изготовить партию вакцины для фазы 2 клинических испытаний. Но в то время количество случаев COVID снизилось», — сказала она. Из-за снижения уровня заболеваемости финансирующая организация решила не продолжать испытания.
Тем временем Pfizer и Moderna завершили фазу 3 испытаний и получили разрешение на экстренное использование своих вакцин к декабрю 2020 года.
Фарминг просто не мог конкурировать с признанными фармацевтическими компаниями. Но эксперты не связывают эти неудачи с технологией.
«Разработка новых лекарств — это очень сложный бизнес, особенно если вы новичок в этой области», — говорит профессор Джулиан Ма, основатель и бывший президент Международного общества молекулярного сельского хозяйства растений и председатель кафедры молекулярной иммунологии в университете Святого Георгия в Лондоне.
Ма указывает на другую фарминговую компанию — Medicago, чья вакцина против COVID-19 прошла фазу 3 клинических испытаний и даже получила одобрение в Канаде в феврале 2022 года.
«Вакцина работает отлично. Но это был провал бизнеса, потому что они разработали вакцину и провели испытания первой вакциной, которую вы должны были получить», — говорит Ма. «Они не испытывали её как бустерную вакцину».
Это означало, что Medicago, как опоздавшему, было трудно найти пациентов, которые ещё не получили одну из основных вакцин.
Между тем Всемирная организация здравоохранения отклонила их вакцину для включения в список для экстренного использования, потому что компания частично принадлежала табачному гиганту Phillip Morris. Из-за этих проблем, связанных с бизнесом, Medicago закрылась в 2023 году.
Для Ма наблюдать за пандемией как за экспертом по фармингу было непросто. «Это было разочарованием, потому что мы всегда говорили, что великое преимущество растений в том, что вы можете делать что-то очень быстро, и поэтому, на первый взгляд, мы просто думали, что это будет наше время, потому что нам явно нужно было что-то очень быстро».
Вместо этого мРНК-вакцины стали новой вакцинной технологией, внедрённой в короткие сроки. И Pfizer, и Moderna использовали ферментеры с клетками CHO для производства своих мРНК-вакцин.
Но отправная точка для этих мРНК-вакцин была намного раньше пандемии. «Они не начинали с нуля», — утверждает Ма.
«Они готовились к вакцинам против коронавирусов ещё со времён SARS-CoV-1 [17 лет назад]. Разработка вакцины против SARS-CoV-2 произошла очень быстро из-за всей этой предварительной работы».
Как выразилась Пхулчароен, переход к разработке вакцины в 2020 году означал, что «мы должны были научиться с самого начала, как это делать, и как проводить клинические испытания в Таиланде».
Коренные корни
Народ варлпири аборигенов выращивал benthi из-за его лечебных свойств на протяжении тысячелетий. Они почти наверняка отбирали такие черты, как более быстрое созревание, которые делают benthi идеальной для фарминга.
Исследование 2022 года использовало генетику и исторические документы, чтобы определить точное происхождение лабораторной benthi в стране варлпири. Авторы Стив Уайли и Хуа Ли из Университета Мердока в Западной Австралии утверждают, что происхождение benthi теперь известно.
«Австралия несёт ответственность за обеспечение справедливого и равноправного распределения выгод для коренных общин, возникающих в результате использования биологических ресурсов Австралии», — пишут они в журнале Viruses.
Benthi является предметом не менее 80 патентов и стоит многие миллионы долларов.
Готовы к следующей пандемии?
Эксперты сохраняют оптимизм в отношении способности фарминга быстро и экономически эффективно производить вакцины, особенно для стран с низким и средним уровнем дохода.
Ма утверждает, что успех Baiya Phytopharm был важным шагом, продемонстрировавшим самостоятельность.
«Если Таиланд скажет: „мы хотим вакцину против COVID“, они смогут её сделать. Им не нужно будет выпрашивать что-то у Соединённых Штатов или Европы. Они могут сделать это сами», — говорит Ма.
Ма отмечает, что следующее препятствие для фарминга — это хорошие производственные практики (GMP), которые могут производить вакцины и другие фармацевтические препараты в масштабах, необходимых для борьбы с пандемией.
«Мы столкнулись с отраслью, которая находится на грани прорыва, но не совершила его», — говорит Ма. «Потому что для прорыва вам нужна не только идея, технология, но и инфраструктура для производства вакцины».
Ма отмечает, что Medicago пришлось продать своё предприятие GMP, когда они закрылись, и он оценивает, что в мире существует всего пара предприятий GMP для фарминга. Для сравнения: существует 40–50 предприятий для компаний, полагающихся на стандартные отраслевые платформы.
Фарминг с «ф», вероятно, зависит от молекулярного сельского хозяйства с «ф» как от начального шага. Производство белков, отличных от фармацевтических, «служит двум целям», — говорит Ма. «Во-первых, это начало генерации дохода для компании гораздо раньше, но это также демонстрирует технологию».
Хефферон из Корнелла недавно основала компанию по молекулярному сельскому хозяйству под названием Forte Protein. Её фирма использует benthi для выращивания растительного казеина — ключевого белка, используемого в производстве сыра в молочных продуктах. Её прогноз изобилует оптимизмом.
«Я думаю, что я еду на волне к гораздо большей популярности молекулярного сельского хозяйства. Мне кажется, что эта область неуклонно растёт, и я думаю, что мы увидим всё больше и больше этого», — говорит Хефферон.
Перспектива Хефферон подтверждается успехами даже более крупных компаний по молекулярному сельскому хозяйству. Например, в прошлом году аргентинская компания Moolec Science привлекла 30 миллионов долларов для расширения своих мощностей по молекулярному сельскому хозяйству. Эта компания выращивает свиной белок внутри соевых бобов.
Что касается Baiya Phytopharm, компания Пхулчароен теперь сочетает молекулярное сельское хозяйство и фарминг с проектами, охватывающими альтернативное мясо, косметические ингредиенты и иммунотерапию рака. Примечательно, что они предоставляют как теплицы, так и опыт в молекулярном сельском хозяйстве более мелким компаниям в регионе.
И есть мультипликативный эффект для биотехнологических компаний, работающих в странах с низким и средним уровнем дохода. Нанимая и обучая местных учёных, они повышают возможности своего региона, включая способность реагировать на пандемии.
«Я всё ещё хочу быть профессором, я всё ещё хочу обучать людей, и я хочу, чтобы новое поколение стремилось к науке», — говорит Пхулчароен. «Я думаю, что это единственный способ улучшить страну; мы не можем перестать заниматься исследованиями и инновациями и просто полагаться на другие страны. Вот почему мы продолжаем этим заниматься».