อนุภาคไขมันขนาดนาโน ตัวนำส่งขนาดจิ๋ว ผู้อยู่เบื้องหลังความสำเร็จของวัคซีนชนิด mRNA

          จากรายงานประสิทธิภาพอันยอดเยี่ยมในการทดลองทางคลินิกทำให้องค์การอนามัยโลกอนุมัติให้ใช้วัคซีนชนิดเอ็มอาร์เอ็นเอ (mRNA vaccine) แบบเร่งด่วน อีกทั้งศักยภาพในการพัฒนาและปรับปรุงวัคซีนให้ทันต่อการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมของไวรัส วัคซีนป้องกันโรคโควิด-19 ชนิดเอ็มอาร์เอนเอจึงเป็นที่ต้องการของผู้คนท่ามกลางความหวั่นวิตกต่อการระบาดของสายพันธุ์ที่มีความรุนแรงมากขึ้นในขณะนี้

          เนื่องจาก mRNA เป็นสารชีวโมเลกุลที่มีความเสถียรต่ำมาก การทดลองฉีด mRNA เข้าสู่ร่างกายโดยตรงพบว่า mRNA เสื่อมสภาพลงอย่างรวดเร็วก่อนที่จะกระตุ้นให้เกิดการสร้างภูมิคุ้มกันในร่างกายเสียอีก การนำเอา mRNA เข้าสู่เซลล์จึงเป็นเรื่องท้าทายอย่างมาก การพัฒนาวิธีการกักเก็บ mRNA ให้รอดพ้นจากการถูกทำลายและนำส่งเข้าสู่เซลล์จึงเริ่มขึ้น อนุภาคไขมันขนาดนาโนได้รับความสนใจและศึกษาเป็นเวลาหลายปีในฐานะตัวนำส่งโมเลกุลขนาดเล็กสู่เซลล์ ด้วยคุณสมบัติทางชีวเคมีที่ไม่แตกต่างจากไขมันที่อยู่ในร่างกายตามธรรมชาติที่เซลล์รู้จักอยู่แล้ว ทำให้สามารถเข้าสู่เซลล์ได้โดยง่าย

          ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการใช้อนุภาคไขมันขนาดนาโนเพื่อนำส่งสารพันธุกรรมเข้าไปยับยั้งการทำงานที่ผิดปกติของระบบการผลิตโปรตีนในเซลล์ ทำให้ยา Onpattro® (Patisiran) ที่ใช้รักษาโรคทางพันธุกรรมจากการที่ร่างกายสร้างโปรตีนผิดปกติ ได้รับการอนุมัติโดยองค์การอาหารและยา ประเทศสหรัฐอเมริกาในปี 2018 และเปิดทางนำไปสู่การพัฒนายาอื่น ๆ ที่ใช้หลักการเดียวกัน และยังนับเป็นจุดเริ่มต้นสำคัญในพัฒนาวัคซีนชนิดเอ็มอาร์เอ็นเอในเวลาต่อมา

          ขนาดและรูปร่างของอนุภาคขนาดนาโนในสภาวะของเหลวถูกศึกษาโดยเทคนิคการกระเจิงรังสีเอกซ์ด้วยแสงซินโครตรอนที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนสปริง 8 (Spring-8) ในประเทศญี่ปุ่นร่วมกับเทคโนโลยีการถ่ายภาพจุลทรรศน์อิเล็กตรอนภายใต้ความเย็นยิ่งยวด  แสดงให้เห็นการเกิดการจับคู่ของไขมันในขั้นตอนต่าง ๆ จนกระทั่งมีการก่อตัวของอนุภาคไขมันขนาดเล็กกว่า 100 นาโนเมตรขึ้นโดยมีสารพันธุกรรมอยู่เป็นแกนกลางและมีไขมันเป็นเปลือกห่อหุ้มด้านนอก

          การผลิตวัคซีนชนิดใหม่ของโลกนี้ใช้เครื่องมือพิเศษที่เรียกว่าระบบของไหลจุลภาค (microfluidic system) ผสมไขมันที่ละลายอยู่ในแอลกอฮอล์กับ mRNA ที่ละลายในสารละลายที่มีสภาวะเป็นกรด ไขมันประจุบวกจะสร้างพันธะกับโครงสร้างของ mRNA ที่มีประจุลบได้ ผลผลิตที่ได้คือ mRNA ที่ห่อหุ้มด้วยไขมันที่มีขนาดอนุภาคระดับนาโนเมตร โดย mRNA ที่ถูกห่อหุ้มอยู่ จะเป็นตัวนำส่งแบบพิมพ์เขียวในการสร้างโปรตีนชื่อ Spike A ของไวรัสโคโรน่าก่อโรคโควิด-19 

          นักวิจัยจากบริษัทไฟเซอร์-ไบโอเอนเทค ใช้เทคนิคการกระเจิงรังสีเอกซ์ ที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนเพทตราทรี (PETRA III) ในประเทศเยอรมนี ศึกษาโครงสร้างภายในและประสิทธิภาพของอนุภาคไขมันขนาดนาโนที่ห่อหุ้ม mRNA เพื่อเป็นข้อมูลสำคัญในการออกแบบวัคซีนให้มีความจำเพาะเจาะจงต่อเซลล์แต่ละชนิด นอกจากนี้ยังได้สร้างระบบแบบจำลองอนุภาคไขมันเพื่อศึกษาผลของความเป็นกรดด่างต่อโครงสร้างภายในของอนุภาคนาโนเพื่อพัฒนากลไกการดูดซึมและปลดปล่อยอนุภาคไขมันขนาดนาโนเข้าสู่เซลล์ 

          การผนึกกำลังระหว่างนาโนเทคโนโลยีและไบโอเทคโนโลยีอันนำไปสู่การผลิตวัคซีนแบบใหม่ถอดด้ามโดยการนำเอาอนุภาคไขมันขนาดนาโนเพื่อนำส่งเอ็มอาร์เอ็นเอร์เข้าสู่เซลล์ร่างกายและกระตุ้นให้เกิดภูมิคุ้มกันต่อโรคระบาดครั้งร้ายแรงในประวัติศาสตร์ จึงเป็นความก้าวหน้าและความหวังในการกลับมามีชีวิตที่เป็นปกติสุขอีกครั้งของมวลมนุษยชาติ

(1) https://doi.org/10.1093/clinchem/48.10.1647

(2) https://doi.org/10.1038/s41392-020-0207-x

(3)  https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c01079

(4) https://cen.acs.org/pharmaceuticals/drug-delivery/Without-lipid-shells-mRNA-vaccines/99/i8

(5) https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c02446

Credit image: Gertrud U. Rey, https://www.virology.ws/2021/01/07/rna-in-a-nutshell/ 

under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.