Lịch Sử Rối Ren Của Vắc Xin mRNA

Hàng trăm nhà khoa học đã nghiên cứu vắc-xin mRNA trong hàng thập kỷ trước khi đại dịch coronavirus bùng phát, đã mang lại một bước đột phá.

Cuối năm 1987, Robert Malone đã thực hiện một thí nghiệm mang tính bước ngoặt. Ông trộn các sợi RNA thông tin (mRNA) với các giọt chất béo, để tạo ra một thứ giống như “nồi nước hầm phân tử”. Các tế bào người ngâm trong “nước súp di truyền đặc sệt” này hấp thụ mRNA, và bắt đầu sản xuất protein từ nó.

Nhận thấy rằng khám phá này có thể có tiềm năng sâu rộng trong y khoa, Malone, một nghiên cứu sinh tại Viện Nghiên Cứu Sinh Học Salk ở La Jolla, California, sau đó đã ghi lại một số lưu ý mà ông ấy đã ký tên và ghi rõ ngày tháng. Malone      đã viết vào ngày 11 tháng 1 năm 1988, nếu tế bào có thể tạo ra protein từ mRNA được đưa vào chúng, thì có thể “xem RNA như một loại thuốc”. Một thành viên khác của phòng thí nghiệm Salk cũng đã ký các ghi chú để lưu lại về sau. Cuối năm đó, các thí nghiệm của Malone cho thấy phôi ếch cũng hấp thụ mRNA y hệt như vậy. Đây là lần đầu tiên có người sử dụng các giọt chất béo để dễ dàng đưa mRNA vào cơ thể sống.

Những thí nghiệm đó là bước đệm để hướng tới hai loại vắc-xin quan trọng và có lợi nhuận cao nhất trong lịch sử: vắc-xin COVID-19 dựa trên mRNA được cung cấp cho hàng trăm triệu người trên thế giới. Doanh thu toàn cầu của những sản phẩm này dự kiến ​​sẽ đạt đỉnh 50 tỷ đô la Mỹ chỉ tính riêng năm 2021.

Nhưng con đường dẫn đến thành công chẳng hề dễ dàng. Trong nhiều năm sau, các thí nghiệm của Malone đã thu hút được nhiều sự chú ý của các nhà khoa học khác. Mặc dù vậy, các nghiên cứu khác chỉ ra rằng, mRNA được xem là cực kì không ổn định và quá đắt để được sử dụng như một loại thuốc hay vắc-xin. Hàng chục phòng thí nghiệm và các công ty đã làm việc với ý tưởng này, vật lộn với việc tìm ra công thức phù hợp cho chất béo và axit nucleic – những nền tảng của vắc xin mRNA.

Các mũi tiêm mRNA ngày nay đã mang trong mình những cải tiến được phát minh nhiều năm sau thí nghiệm của Malone, bao gồm RNA được sửa đổi về mặt hóa học và các loại bong bóng chất béo khác nhau để đưa chúng vào tế bào (xem phần “Bên Trong Vắc-Xin COVID mRNA “). Tuy vậy, Malone, người tự gọi mình là “nhà phát minh ra vắc-xin mRNA”, cho rằng nghiên cứu của mình đã không được ghi nhận đầy đủ. “Tôi đã bị gạch tên ra khỏi lịch sử,” ông bày tỏ với tạp Nature.

Cuộc tranh luận xem ai xứng đáng được ghi nhận cho việc tiên phong trong công nghệ này đang nóng lên khi các giải thưởng bắt đầu được trao – và những đồn đoán ngày càng trở nên gay gắt hơn trước thềm công bố giải Nobel vào tháng tới. Nhưng các giải thưởng chính thức chỉ giới hạn cho một số nhà khoa học, nên sẽ không thể công nhận hết tất cả sự đóng góp đối với quá trình phát triển y học của mRNA. Trên thực tế, con đường tạo ra vắc-xin mRNA đã dựa trên các công trình nghiên cứu của hàng trăm nhà khoa học trong hơn 30 năm.

Câu chuyện làm sáng tỏ cách mà nhiều khám phá khoa học trở thành phát kiến ​​thay đổi cuộc sống: với hàng thập kỷ đối mặt với sự bế tắc, từ chối và những cuộc chiến giành lợi nhuận, nhưng theo đó cũng là sự rộng lượng, tò mò và sự kiên trì bền bỉ chống lại những nghi ngại và hoài nghi. Paul Krieg, một nhà sinh học phát triển tại Đại Học Arizona, Tucson, người đã góp phần vào sự phát triển của công nghệ mRNA vào giữa những năm 1980, cho biết: “Đó là một chuỗi dài các bước nghiên cứu và bạn sẽ chẳng bao giờ biết điều gì sẽ hữu ích.”

Sự Khởi Đầu Của mRNA

Các thử nghiệm của Malone đã diễn ra không ngoài mong đợi. Từ năm 1978, các nhà khoa học đã sử dụng cấu trúc màng chất béo được gọi là liposome để vận chuyển mRNA vào tế bào chuột và người nhằm tạo ra sự biểu hiện protein. Các liposome đóng gói và bảo vệ mRNA, sau đó dung hợp với màng tế bào để cung cấp vật liệu di truyền vào tế bào. Bản thân những thí nghiệm này được xây dựng dựa trên nhiều năm nghiên cứu liposome và mRNA; cả hai đều được phát hiện vào những năm 1960 (xem phần ‘Lịch Sử Của Vắc-Xin mRNA’).

Tuy nhiên, vào thời điểm đó, rất ít nhà nghiên cứu nghĩ về mRNA như một sản phẩm y tế – đặc biệt là vì vẫn chưa có cách sản xuất vật liệu di truyền này trong phòng thí nghiệm. Thay vào đó, họ hy vọng sử dụng nó để nghiên cứu sâu hơn về các cơ chế sinh học phân tử cơ bản. Hầu hết các nhà khoa học sử dụng lại mRNA từ máu thỏ, tế bào chuột nuôi cấy hoặc một số nguồn động vật khác.

Mọi thứ đã thay đổi vào năm 1984, khi Krieg và các thành viên khác thuộc một nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi nhà phát triển sinh học Douglas Melton và các nhà sinh học phân tử Tom Maniatis và Michael Green tại Đại Học Harvard,      Cambridge, Massachusetts, đã sử dụng một loại enzyme tổng hợp RNA (lấy từ virus) và các công cụ khác để tạo ra mRNA có hoạt tính sinh học trong phòng thí nghiệm – một phương pháp mà tính cốt lõi của nó vẫn được sử dụng cho đến tận ngày nay. Krieg sau đó đã tiêm mRNA nhân tạo vào trứng ếch và cho thấy nó hoạt động như một mRNA thật sự.

Cả Melton và Krieg đều nói rằng họ xem mRNA tổng hợp chủ yếu như một công cụ nghiên cứu chức năng và hoạt động của gen. Năm 1987, sau khi Melton phát hiện ra rằng mRNA có thể được sử dụng cả để kích hoạt và ngăn chặn việc sản xuất protein, ông đã hỗ trợ thành lập một công ty có tên Oligogen (sau này đổi tên thành Gilead Sciences ở Foster City, California) để khám phá các cách sử dụng RNA tổng hợp để ngăn chặn biểu hiện của các gen mục tiêu – nhằm điều trị bệnh. Vaccine lại không nằm trong suy nghĩ của bất kỳ người nào trong phòng thí nghiệm của ông hay các cộng sự của họ.

Krieg nói: “Nhìn chung, RNA được biết là cực kỳ không bền vững.” “Mọi thứ xung quanh RNA đều được bảo vệ cẩn thận.” Điều đó có thể giải thích tại sao văn phòng phát triển công nghệ của Harvard đã chọn không cấp bằng sáng chế cho phương pháp tổng hợp RNA của nhóm. Do đó, các nhà nghiên cứu Harvard đã đưa mẫu thuốc thử của họ cho tập đoàn Promega, một công ty cung cấp vật tư phòng thí nghiệm ở Madison, Wisconsin, nơi cung cấp các công cụ tổng hợp RNA sẵn có cho các nhà nghiên cứu. Đổi lại họ nhận được tiền bản quyền khiêm tốn và một hộp rượu Champagne Veuve Clicquot.

Tranh Chấp Bằng Sáng Chế 

Nhiều năm sau, Malone làm theo chiến lược của nhóm Harvard để tổng hợp mRNA cho các thí nghiệm của mình. Nhưng ông đã thêm một loại liposome mới, một loại mang điện tích dương, giúp tăng cường khả năng tương tác của vật liệu với phần khung xương mang điện tích âm của mRNA. Những liposome này được phát triển bởi Philip Felgner, một nhà hóa sinh học, hiện là lãnh đạo Trung Tâm Nghiên Cứu và Phát Triển Vắc-Xin tại Đại Học California, Irvine.

Mặc cho sự thành công của mình trong việc sử dụng liposome để vận chuyển mRNA vào tế bào người và phôi ếch, Malone đã không thể lấy được bằng tiến sĩ. Ông ấy đã bất hòa với người hướng dẫn của mình, nhà nghiên cứu liệu pháp gen Salk, Inder Verma. Và vào năm 1989, Malone bỏ dở các nghiên cứu sau đại học để sớm làm việc cho Felgner tại Vical, một công ty mới thành lập ở San Diego, California. Tại đó, họ và các cộng sự tại Đại Học Wisconsin-Madison đã chỉ ra rằng phức hợp lipid-mRNA có thể thúc đẩy việc sản xuất protein ở chuột.

Sau đó, mọi thứ trở nên xáo trộn. Cả Vical (với Đại Học Wisconsin) và Salk đều bắt đầu nộp đơn xin cấp bằng sáng chế vào tháng 3 năm 1989. Nhưng Salk sớm từ bỏ yêu cầu cấp bằng sáng chế của mình, và vào năm 1990, Verma gia nhập ban cố vấn của Vical.

Malone cho rằng Verma và Vical đã thực hiện một thỏa thuận ngầm nhằm để tài sản trí tuệ liên quan được chuyển cho Vical. Malone được liệt vào danh sách như một trong nhiều nhà phát minh, nhưng ông ta không còn có thể  thu lợi nhuận cá nhân từ các hợp đồng cấp phép, như đáng lẽ ra ông ta sẽ được hưởng lợi từ bất kỳ bằng sáng chế nào do Salk cấp. Kết luận của Malone: ​​”Họ trở nên giàu có nhờ sản phẩm trí óc tôi.”

Verma và Felgner kiên quyết phủ nhận các cáo buộc của Malone. “Đó là điều hoàn toàn bất hợp lý,” Verma chia sẻ với tạp chí Nature. Việc quyết định từ bỏ đơn đăng ký bằng sáng chế thuộc về văn phòng chuyển giao công nghệ của Salk, ông nói. (Verma đã từ chức tại Salk vào năm 2018, sau những cáo buộc quấy rối tình dục, mà ông ta tiếp tục phủ nhận.)

Malone rời Vical vào tháng 8 năm 1989, với lý do bất đồng với Felgner về “đánh giá khoa học” và “sự ghi nhận cho những đóng góp trí tuệ của tôi”. Ông ấy đã hoàn thành chương trình y khoa và thực hiện một năm đào tạo lâm sàng trước khi làm việc trong học viện, nơi ông ấy cố gắng tiếp tục nghiên cứu về vắc-xin mRNA và phải vật lộn để đảm bảo tiền tài trợ. (Ví dụ, vào năm 1996, Malone đã không thành công khi nộp đơn xin quỹ với một cơ quan nghiên cứu bang California để phát triển một loại vắc-xin mRNA để chống lại nhiễm trùng coronavirus theo mùa.) Thay vào đó, Malone tập trung vào vắc-xin DNA và công nghệ phân phối.

Năm 2001, Malone chuyển sang công việc thương mại và tư vấn. Và trong vài tháng qua, anh đã bắt đầu công khai chỉ trích tính an toàn của vắc-xin mRNA mà nghiên cứu của ông ta đã góp phần tạo ra. Ví dụ, Malone nói rằng các protein được tạo ra bởi vắc-xin có thể làm hỏng các tế bào của cơ thể và rủi ro của việc tiêm chủng lớn hơn những lợi ích nó đem lại đối với trẻ em và thanh niên – những tuyên bố mà các nhà khoa học và quan chức y tế khác đã nhiều lần bác bỏ.

Những Thách Thức Trong Việc Sản Xuất

Năm 1991, Vical tham gia vào dự án nghiên cứu hợp tác trị giá hàng triệu đô la và thỏa thuận giấy phép với công ty Merck của Mỹ, một trong những nhà phát triển vắc xin lớn nhất thế giới. Các nhà khoa học Merck đã đánh giá công nghệ mRNA trên chuột với mục đích tạo ra vắc-xin cúm, nhưng sau đó đã bỏ ngỏ hướng tiếp cận đó. Jeffrey Ulmer, một cựu nhà khoa học của Merck, người hiện đang tư vấn cho các công ty về các vấn đề nghiên cứu vắc-xin cho biết: “Chi phí và tính khả thi của việc sản xuất đã khiến chúng tôi tạm dừng.”

Các nhà nghiên cứu tại một công ty công nghệ sinh học nhỏ ở Strasbourg, Pháp, có tên là Transgène, cũng cảm thấy như vậy. Tại đó, vào năm 1993, một nhóm do Pierre Meulien dẫn đầu, làm việc với các đối tác công nghiệp và học thuật, là nhóm đầu tiên chỉ ra rằng mRNA trong liposome có thể kích thích tạo ra một đáp ứng miễn dịch kháng virus cụ thể ở chuột. (Một kết quả thú vị khác đã được ghi nhận vào năm 1992, khi các nhà khoa học tại Viện Nghiên Cứu Scripps ở La Jolla sử dụng mRNA để thay thế một loại protein bị thiếu hụt ở chuột, nhằm điều trị chứng rối loạn chuyển hóa. Và rồi phải mất tới gần hai thập kỷ trước khi các phòng thí nghiệm độc lập báo cáo thành công tương tự.)

Các nhà nghiên cứu tại Transgène đã lấy được bằng sáng chế cho phát minh của họ và tiếp tục nghiên cứu vắc xin mRNA. Nhưng Meulien, hiện là người đứng đầu “Innovative Medicines Initiative”, một doanh nghiệp có vốn nhà nước đặt tại Brussels, ước tính rằng ông ấy cần ít nhất 100 triệu euro (119 triệu đô la Mỹ) để tối ưu hóa nền tảng – và ông ấy đã không định hỏi ông chủ của mình một khoản quá lớn cho một mạo hiểm đầy “khó khăn, rủi ro cao” như vậy, ông nói. Bằng sáng chế hết hiệu lực sau khi công ty mẹ của Transgène quyết định ngừng trả các khoản phí duy trì hoạt động.

Thay vào đó nhóm của Meulien, giống như nhóm Merck, đã chuyển hướng tập trung vào vắc xin DNA và các hệ thống phân phối dựa trên vectơ khác. Nền tảng DNA cuối cùng đã mang lại một số vắc xin được cấp phép cho các ứng dụng thú y – chẳng hạn như giúp ngăn ngừa nhiễm trùng trong các trang trại cá. Và mới tháng trước, các cơ quan quản lý ở Ấn Độ đã cấp phép khẩn cấp cho vắc xin DNA đầu tiên trên thế giới dùng cho con người, để giúp ngăn chặn COVID-19. Nhưng vì những lý do chưa được hiểu rõ hoàn toàn, vắc-xin DNA đã chậm một bước để đi tới thành công ở người.

Tuy nhiên, sự phối hợp của ngành công nghiệp xung quanh công nghệ DNA đã thúc đẩy và mang lại lợi ích cho vắc-xin RNA, Ulmer lập luận. Từ việc cân nhắc sản xuất và kinh nghiệm quản lý cho đến thiết kế trình tự và sự hiểu rõ về phân tử, “nhiều điều chúng tôi học được từ DNA có thể được áp dụng trực tiếp cho RNA”, ông nói. “Nó cung cấp nền tảng cho sự thành công của RNA.”

Khó Khăn Liên Tục

Trong những năm 1990 và trong hầu hết những năm 2000, gần như mọi công ty vắc-xin cân nhắc làm việc trên mRNA đều chọn đầu tư nguồn lực của mình vào nơi khác. Sự hiểu biết thông thường cho rằng mRNA rất dễ bị biến tính và việc sản xuất nó quá đắt đỏ. Peter Liljeström, nhà virus học tại Viện Karolinska ở Stockholm, cho biết: “Rất khó để làm việc trên RNA,” Matt Winkler, người sáng lập một trong những công ty cung cấp vật tư phòng thí nghiệm tập trung vào RNA đầu tiên, Ambion, ở Austin, Texas, vào năm 1989 chia sẻ. “Nếu bạn hỏi lại tôi liệu ta có thể tiêm RNA vào ai đó để làm vắc-xin, tôi sẽ cười vào mặt bạn.”

Ý tưởng vắc-xin mRNA đã có được sự chấp nhận thuận lợi hơn trong giới ung thư học, mặc dù được xem như một tác nhân điều trị, hơn là để ngăn ngừa bệnh. Bắt đầu với dự án của nhà trị liệu gen David Curiel, nhiều nhà khoa học hàn lâm và các công ty mới thành lập đã tìm hiểu xem liệu mRNA có thể được sử dụng để chống lại bệnh ung thư hay không. Nếu các protein mã hóa mRNA được biểu hiện bởi các tế bào ung thư, thì theo lối suy nghĩ này, việc tiêm nó (mRNA) vào cơ thể có thể huấn luyện hệ thống miễn dịch để tấn công các tế bào đó.

Curiel, hiện đang làm việc tại Trường Y Đại Học Washington ở St Louis, Missouri, đã có một số thành công trên chuột. Nhưng khi ông ấy tiếp cận với Ambion về các cơ hội thương mại hóa, công ty đã nói với ông ấy: “Chúng tôi không thấy bất kỳ tiềm năng kinh tế nào trong công nghệ này”.

Một nhà miễn dịch học ung thư khác đã đạt được nhiều thành công hơn, dẫn đến việc thành lập công ty đầu tiên về liệu pháp mRNA vào năm 1997. Eli Gilboa đề xuất lấy các tế bào miễn dịch từ máu và hướng tổng hợp mRNA có thể mã hóa các protein ung thư. Sau đó, các tế bào sẽ được tiêm trở lại cơ thể, nơi chúng có thể điều khiển hệ thống miễn dịch tấn công các khối u đang lẩn trốn.

Gilboa và các cộng sự của ông tại Trung Tâm Y Tế Đại Học Duke tại Durham, Bắc Carolina, đã chứng minh điều này trên chuột. Vào cuối những năm 1990, các nhà khoa học đã hợp tác tiến hành các thử nghiệm trên người và tung ra sản phẩm thương mại của Gilboa, Merix Bioscience (sau đó được đổi tên thành Argos Therapeutics và bây giờ được gọi là CoImmune), ngay sau đó là các thử nghiệm lâm sàng. Cách tiếp cận này có vẻ hứa hẹn cho đến một vài năm trước, khi vắc-xin thử nghiệm giai đoạn cuối thất bại; nó giờ gần như đã không còn phù hợp nữa.

Tuy nhiên công trình của Gilboa đem lại một hệ quả quan trọng. Nó đã truyền cảm hứng cho những người sáng lập của các công ty của Đức là CureVac và BioNTech – hai trong số các công ty mRNA lớn nhất hiện nay – bắt đầu làm cải tiến mRNA. Cả Ingmar Hoerr tại CureVac, và Uğur Şahin tại BioNTech, nói với Nature rằng, sau khi tìm hiểu những gì Gilboa đã làm, họ muốn thực hiện điều tương tự, nhưng bằng cách tiêm mRNA trực tiếp vào cơ thể.

“Đó là hiệu ứng cầu tuyết lăn”, Gilboa, hiện đang làm việc tại Trường Y Khoa Đại Học Miami Miller ở Florida, nói.

Sự Tăng Trưởng Vượt Bậc Bắt Đầu

Hoerr là người đầu tiên đạt được thành công. Khi ở Đại Học Tübingen tại Đức, ông đã báo cáo vào năm 2000 rằng tiêm trực tiếp có thể tạo ra phản ứng miễn dịch ở chuột. Ông ta đã thành lập CureVac (cũng được đặt tại Tübingen) vào năm đó. Nhưng có vẻ ít nhà khoa học hoặc nhà đầu tư quan tâm. Tại một hội nghị, nơi Hoerr trình bày dữ liệu ban đầu về chuột, ông ta kể lại đã có một người đoạt giải Nobel đứng ở hàng đầu tiên nói rằng,“ Điều này hoàn toàn là vớ vẩn những gì bạn đang nói với chúng tôi ở đây, hoàn toàn vớ vẩn” (Hoerr từ chối nêu tên người đoạt giải Nobel này).

Cuối cùng, tiền cũng đổ về. Và trong vài năm, thử nghiệm trên người đã bắt đầu. Giám đốc khoa học của công ty vào thời điểm đó, Steve Pascolo, là đối tượng nghiên cứu đầu tiên: ông ta đã tự tiêm mRNA cho mình và vẫn còn những vết sẹo trắng bằng cỡ đầu que diêm trên chân của ông ấy nơi một bác sĩ da liễu đã lấy sinh thiết để phân tích. Một thử nghiệm chính thức hơn, liên quan đến mRNA đặc hiệu cho khối u đối với những người bị ung thư da, đã bắt đầu ngay sau đó.

Şahin và vợ, một nhà miễn dịch học, Özlem Türeci, cũng bắt đầu nghiên cứu mRNA vào cuối những năm 1990, nhưng đã phải chờ đợi lâu hơn Hoerr để có thể thành lập công ty của riêng họ. Họ đã nỗ lực cho công nghệ này trong nhiều năm, làm việc tại Đại Học Johannes Gutenberg Mainz ở Đức, kiếm bằng sáng chế, giấy tờ và những nguồn tài trợ nghiên cứu, trước khi sử dụng một kế hoạch thương mại để thuyết phục các nhà đầu tư vào năm 2007. “Nếu nó hoạt động, nó sẽ gây chấn động,” Şahin nói. Ông ấy đã nhận được 150 triệu euro tiền tài trợ ở vòng hạt giống.

Cùng năm đó, một công ty khởi nghiệp mRNA non trẻ có tên là RNARx đã nhận được một khoản tiền khiêm tốn hơn: 97,396 USD của một quỹ tài trợ dành cho doanh nghiệp nhỏ từ chính phủ Hoa Kỳ. Những người sáng lập công ty, nhà hóa sinh Katalin Karikó và nhà miễn dịch học Drew Weissman, sau đó tại Đại Học Pennsylvania (UPenn) ở Philadelphia, cả hai đã tạo ra cái mà ngày nay một số cho là một phát hiện mang tính chìa khóa: việc thay đổi một phần của code mã hóa của mRNA giúp mRNA tổng hợp vượt qua lớp phòng vệ miễn dịch bẩm sinh của tế bào.

Sự Hiểu Biết Mang Tính Nền Tảng

Karikó đã làm việc vất vả trong phòng thí nghiệm xuyên suốt những năm 1990 với mục tiêu biến đổi mRNA trở thành một nền tảng thuốc, mặc dù các cơ quan tài trợ liên tục từ chối các đơn xin tài trợ của cô. Năm 1995, sau nhiều lần bị từ chối, cô đã buộc phải lựa chọn giữa việc rời khỏi UPenn hoặc chấp nhận cách chức và cắt lương. Cô ấy đã chọn ở lại và tiếp tục theo đuổi kiên trì mục tiêu của mình, cải tiến các quy trình của Malone và thành công khiến các tế bào sản sinh một dạng protein lớn và phức tạp có liên quan đến điều trị.

Năm 1997, cô bắt đầu làm việc với Weissman, người vừa mới mở một phòng thí nghiệm tại UPenn. Họ cùng nhau lên kế hoạch phát triển một loại vắc-xin dựa trên mRNA cho HIV/AIDS. Nhưng mRNA của Karikó lại gây ra những đáp ứng viêm quá mức khi chúng được tiêm vào chuột.

Cô cùng Weissman đã sớm tìm ra lý do tại sao: mRNA tổng hợp đã kích thích một loạt các cảm biến miễn dịch được gọi là các Thụ Thể Giống Toll (Toll-Like Receptors), hoạt động như những phản ứng đầu tiên đối với các tín hiệu nguy hiểm từ các tác nhân gây bệnh. Năm 2005, cặp đôi này báo cáo rằng việc sắp xếp lại các liên kết hóa học trên một trong những nucleotide của mRNA, uridine, để tạo ra một chất tương tự gọi là pseudouridine, dường như có thể ngăn việc cơ thể xác định mRNA như kẻ thù.

Rất ít nhà khoa học vào thời điểm đó đã công nhận giá trị điều trị của những nucleotide biến đổi này. Nhưng giới khoa học đã sớm đánh thức tiềm năng của chúng. Vào tháng 9 năm 2010, một nhóm nghiên cứu do Derrick Rossi, một nhà sinh học tế bào gốc tại Bệnh Viện Nhi Boston ở Massachusetts, đã mô tả cách mRNA đã sửa đổi có thể được sử dụng để chuyển đổi tế bào da ban đầu trở thành tế bào gốc giống phôi và sau đó trở thành mô cơ co bóp. Phát hiện đã tạo ra một sự chú ý lớn. Rossi đã được tôn vinh trên tạp chí Time với tư cách là một trong những “người có tầm quan trọng” của năm 2010. Ông ta đã đồng sáng lập một công ty khởi nghiệp, Moderna ở Cambridge.

Moderna đã cố gắng cấp bằng sáng chế cho mRNA sửa đổi mà UPenn đã nộp vào năm 2006 đối với phát minh của Karikó và Weissman. Nhưng nó đã quá trễ. Sau khi không đạt được thỏa thuận cấp phép với RNARx, UPenn đã lựa chọn một khoản chi trả nhanh chóng. Vào tháng 2 năm 2010, UPenn đã cấp bằng sáng chế độc quyền cho một nhà cung cấp thuốc thử nhỏ trong phòng thí nghiệm ở Madison. Bây giờ được gọi là Cellscript, công ty đã trả 300.000 đô la trong thương vụ này. Nó sẽ tiếp tục thu về hàng trăm triệu đô la phí chuyển giao cấp phép (licence) từ Moderna và BioNTech, những công ty sản xuất vắc xin mRNA đầu tiên cho COVID-19. Cả hai sản phẩm đều chứa mRNA đã được sửa đổi.

Trong khi đó, RNARx đã sử dụng hết 800.000 USD khoảng tiền tài trợ dành cho doanh nghiệp nhỏ và ngừng hoạt động vào năm 2013, vào khoảng thời gian Karikó gia nhập BioNTech (và vẫn giữ lại vị trí tại UPenn).

Cuộc Tranh Luận Về Pseudouridine

Các nhà nghiên cứu vẫn tranh cãi về việc liệu khám phá của Karikó và Weissman có phải là đóng góp thiết yếu đối với thành công của vắc xin mRNA hay không. Moderna luôn sử dụng mRNA đã được sửa đổi – tên của nó là từ ghép của hai từ. Nhưng một số công ty khác thì không.

Các nhà nghiên cứu tại bộ phận liệu pháp di truyền trên người của công ty dược phẩm Shire ở Lexington, Massachusetts, lý giải rằng mRNA chưa biến đổi có thể tạo ra một sản phẩm hiệu quả nếu cấu trúc ‘nắp’ phù hợp được thêm vào và các tạp chất được loại bỏ. “Nó làm giảm chất lượng của RNA”, Michael Heartlein, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu tại Shire      đã tiếp tục cải tiến công nghệ tại Translate Bio ở Cambridge, nơi Shire sau đó đã bán hạng mục mRNA của mình (Shire hiện là một phần của công ty Nhật Bản Takeda), cho biết.

Mặc dù Translate có một số dữ liệu trên con người cho thấy mRNA của họ không kích thích gây ra một đáp ứng miễn dịch nào đáng lo lắng, nhưng nền tảng của nó vẫn cần được chứng minh trên lâm sàng: vắc-xin COVID-19 của họ vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm ban đầu trên người. Nhưng Công ty dược khổng lồ của Pháp Sanofi đã bị thuyết phục nhờ      sự hứa hẹntrong tương lai của công nghệ này: vào tháng 8 năm 2021, họ công bố kế hoạch mua lại Translate với giá 3,2 tỷ đô la. (Heartlein rời đi để thành lập một công ty khác ở Waltham, Massachusetts, có tên là Maritime Therapeutics.)

Trong khi đó, CureVac có riêng chiến lược nhằm giảm nhẹ tính đáp ứng miễn dịch đối với mRNA, liên quan đến việc thay đổi trình tự di truyền của mRNA để giảm thiểu lượng uridine trong vắc-xin của nó. Hai mươi năm làm việc trên phương pháp đó dường như đã mang lại kết quả, với những thử nghiệm ban đầu đối với vắc xin của công ty đối với bệnh dại và COVID-1920 đều cho thấy sự thành công. Nhưng vào tháng 6, dữ liệu từ một thử nghiệm trong giai đoạn sau cho thấy vắc xin thử nghiệm này của CureVac đối với coronavirus lại có khả năng bảo vệ kém hơn nhiều so với Moderna’s hoặc BioNTech’s.

Dựa trên những kết quả đó, một số chuyên gia mRNA hiện coi pseudouridine là một yếu tố thiết yếu của công nghệ – và do đó, họ nói, khám phá của Karikó và Weissman là một trong những chìa khóa chính góp phần quan trọng mà xứng đáng được công nhận và tán thưởng. “Người chiến thắng thực sự ở đây là RNA đã được sửa đổi” Jake Becraft, đồng sáng lập và giám đốc điều hành của Strand Therapeutics, một công ty sinh học tổng hợp có trụ sở tại Cambridge, đang nghiên cứu về phương pháp trị liệu dựa trên mRNA nói.

Không phải ai cũng chắc chắn như vậy. “Có nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến sự an toàn và hiệu quả của vắc-xin mRNA, biến đổi hóa học trên mRNA chỉ là một trong số đó”, Bo Ying, giám đốc điều hành của Suzhou Abogen Biosciences, một công ty Trung Quốc sản xuất vắc xin mRNA cho COVID-19, hiện đang trong giai đoạn cuối của thử nghiệm lâm sàng (Được gọi là ARCoV, sản phẩm sử dụng mRNA chưa được sửa đổi), đưa ra ý kiến.

Đột Phá Về Chất Béo

Đối với công nghệ linchpin, nhiều chuyên gia nhấn mạnh một sự đổi mới khác rất quan trọng đối với vắc-xin mRNA – một cải tiến không liên quan gì đến mRNA. Đó là các bong bóng chất béo nhỏ được gọi là hạt nano lipid, hoặc LNP, bảo vệ mRNA và đưa nó vào tế bào.

Công nghệ này đến từ phòng thí nghiệm của Pieter Cullis, một nhà hóa sinh tại Đại Học British Columbia ở Vancouver, Canada, và nhiều công ty do ông sáng lập hoặc lãnh đạo. Bắt đầu từ cuối những năm 1990, họ đã tiên phong tạo LNPs trong việc vận chuyển các chuỗi axit nucleic nhằm làm bất hoạt gen. Một phương pháp điều trị như vậy có tên patisiran, hiện đã được chấp thuận cho một căn bệnh di truyền hiếm gặp.

Sau khi liệu pháp bất hoạt gen này bắt đầu cho thấy triển vọng trong các thử nghiệm lâm sàng. Vào năm 2012, hai trong số các công ty của Cullis đã chuyển hướng khai thác cơ hội ở mảng hệ thống phân phối LNP trong các loại thuốc dựa trên mRNA. Ví dụ, Acuitas Therapeutics ở Vancouver, do giám đốc điều hành Thomas Madden dẫn đầu, đã tạo dựng quan hệ đối tác với nhóm của Weissman tại UPenn và với nhiều công ty mRNA để thử nghiệm các công thức phối hợp mRNA-LNP khác nhau. Một trong số đó hiện có thể được tìm thấy trong vắc-xin COVID-19 của BioNTech và CureVac. Cách điều chế LNP của Moderna cũng không nhiều khác biệt.

Các hạt nano là một hỗn hợp từ bốn loại phân tử chất béo: ba trong số đó góp vào cấu trúc và sự ổn định; loại thứ tư còn lại, được gọi là lipid ion hóa (ionizable lipid), là chìa khóa cho sự thành công của LNP. Chất này mang điện tích dương trong điều kiện phòng thí nghiệm, mang lại những ưu điểm tương tự như liposome mà Felgner đã phát triển, và Malone thử nghiệm vào cuối những năm 1980. Tuy nhiên ionizable lipid cải tiến do Cullis và các đối tác thương mại của ông chuyển đổi thành điện tích trung tính trong các điều kiện sinh lý như trong máu, giúp hạn chế tác động gây độc lên cơ thể.

Hơn nữa, loại hỗn hợp “cocktail” từ bốn loại lipid này cho phép sản phẩm được lưu trữ lâu hơn trên kệ thuốc và duy trì sự ổn định bên trong cơ thể, Ian MacLachlan, cựu giám đốc điều hành tại một số công ty liên kết với Cullis cho biết. “Đó là toàn bộ đặc tính tạo ra dược lý của nó mà chúng ta hiện có bây giờ”, ông ấy nói.

Vào giữa những năm 2000, một phương pháp mới để phối hợp và sản xuất các hạt nano này đã được đưa ra. Nó liên quan đến việc sử dụng thiết bị ‘T-connector’, để liên kết các chất béo (hòa tan trong rượu) với axit nucleic (hòa tan trong dung dịch đệm axit). Khi hỗn hợp chất lỏng này hòa chung lại với nhau, một cách tự phát, các thành phần này hình thành nên các giọt LNP được đóng gói 1 cách chặt chẽ. Nó được chứng minh là một kỹ thuật đáng tin cậy hơn các cách khác để sản xuất thuốc dựa trên mRNA.

Một khi tất cả các mảnh ghép lại với nhau, “đầy bất ngờ, nó giống như thể cuối cùng chúng ta đã có một quy trình mà chúng ta có thể mở rộng quy mô”,  Andrew Geall, hiện là giám đốc phát triển của Replicate Bioscience ở San Diego, cho biết. Geall đã dẫn đầu nhóm đầu tiên kết hợp LNP với vắc xin mRNA, tại trung tâm Novartis của Mỹ ở Cambridge vào năm 2012. Mỗi công ty mRNA hiện sử dụng một số biến thể của nền tảng phân phối và hệ thống sản xuất LNP này – mặc dù ai là người sở hữu bằng sáng chế liên quan vẫn còn là chủ đề tranh chấp pháp lý. Ví dụ, Moderna bị mắc kẹt trong cuộc chiến với một doanh nghiệp liên kết với Cullis – Arbutus Biopharma ở Vancouver – về người nắm giữ quyền đối với công nghệ LNP mà được sử dụng trong các mũi vắc-xin COVID-19 của Moderna.

Một Ngành Công Nghiệp Ra Đời

Vào cuối những năm 2000, một số công ty dược phẩm lớn đã tham gia vào lĩnh vực mRNA. Ví dụ, vào năm 2008, cả Novartis và Shire đều thành lập đơn vị nghiên cứu mRNA – Novartis (do Geall dẫn đầu) tập trung vào vắc-xin, Shire (do Heartlein lãnh đạo) thiên về trị liệu. BioNTech ra mắt vào năm đó và các công ty khởi nghiệp khác nhanh chóng nhảy vào cuộc cạnh tranh này, được hỗ trợ bởi quyết định năm 2012 của Cơ Quan Dự Án Nghiên Cứu Tiên Tiến Quốc Phòng Hoa Kỳ về việc bắt đầu tài trợ cho các nhà nghiên cứu công nghiệp để điều chế vắc-xin mRNA và thuốc điều trị. Moderna là một trong những công ty đã xây dựng dự án này và đến năm 2015, công ty đã huy động được hơn 1 tỷ đô la dựa trên lời hứa sẽ kiểm soát mRNA nhằm khiến các tế bào trong cơ thể tự sản xuất thuốc của riêng nó – từ đó điều trị các bệnh gây ra do sự thiếu hụt hoặc sai sót của protein. Khi kế hoạch đó gần như bị dừng lại, Moderna, do giám đốc điều hành Stéphane Bancel dẫn đầu, đã chọn ưu tiên cho một mục tiêu ít tham vọng hơn: chế tạo vắc-xin.

Điều đó ban đầu khiến nhiều nhà đầu tư và người dõi theo thất vọng vì nền tảng vắc-xin dường như ít biến đổi và sinh lợi hơn. Vào đầu năm 2020, Moderna đã cải tiến chín “ứng cử viên” vắc xin mRNA cho các bệnh truyền nhiễm ở người đưa vào thử nghiệm. Chẳng có gì là thành công dễ dàng cả. Chỉ một “ứng cử viên” tiến tới được giai đoạn thử nghiệm sâu hơn.

Nhưng khi COVID-19 bùng phát, Moderna đã nhanh chóng phản ứng, tạo ra một nguyên mẫu vắc-xin trong vòng vài ngày kể từ khi trình tự gen vi rút được công bố công khai. Sau đó, công ty đã hợp tác với Viện Dị Ứng và Bệnh Truyền Nhiễm Quốc Gia Hoa Kỳ (NIAID) để tiến hành các nghiên cứu trên chuột và khởi động các thử nghiệm trên người, tất cả chỉ trong vòng chưa đầy mười tuần.

Cũng như vậy, BioNTech đã dốc toàn sức để tiếp cận. Vào tháng 3 năm 2020, họ hợp tác với công ty dược phẩm Pfizer có trụ sở tại New York, và các thử nghiệm lâm sàng sau đó đã diễn ra với một tốc độ kỷ lục, từ thử nghiệm đầu tiên trên người đến phê duyệt khẩn cấp trong vòng chưa đầy tám tháng.

Cả hai loại vắc xin được cấp phép đều sử dụng mRNA biến đổi được hình thành trong LNPs. Cả hai cũng chứa các trình tự mã hóa cho một dạng protein gai của SARS-CoV-2, và có hình dạng phù hợp hơn để tạo ra khả năng miễn dịch bảo vệ. Nhiều chuyên gia nói rằng protein tinh chỉnh, do nhà tiêm chủng học Barney Graham của NIAID và nhà sinh học cấu trúc Jason McLellan tại Đại Học Texas ở Austin và tại Andrew Ward ở Scripps phát minh, cũng là một đóng góp xứng đáng nhận giải, mặc dù vậy, đó là một đóng góp cụ thể cho vắc xin coronavirus, không phải đối với nền tảng vắc xin mRNA nói chung.

Một số người phẫn nộ trong các cuộc thảo luận về sự công nhận cho các khám phá mRNA liên quan đến việc ai nắm giữ các bằng sáng chế sinh lợi. Nhưng phần lớn tài sản trí tuệ nền tảng bắt nguồn từ các tuyên bố được đưa ra vào năm 1989 bởi Felgner, Malone và các đồng nghiệp của họ tại Vical (và vào năm 1990 bởi Liljeström). Chúng chỉ có thời hạn 17 năm kể từ ngày phát hành và do đó hiện giờ đã hết hiệu lực          .

Ngay cả bằng sáng chế của Karikó – Weissman, được cấp phép cho Cellscript và được nộp vào năm 2006, cũng sẽ hết hạn trong năm năm tới. Những người trong ngành công nghiệp cho biết điều này có nghĩa là sẽ sớm trở nên rất khó để cấp các bằng sáng chế chung về phân phối mRNA trong các hạt nano lipid, mặc dù các công ty có thể lấy bằng sáng chế một cách hợp pháp cho các trình tự cụ thể của mRNA – một dạng protein gai- hoặc các công thức lipid độc quyền.

Các công ty đang cố gắng rất nhiều. Moderna, người chơi đang thống trị trong lĩnh vực vắc-xin mRNA đã có những mũi tiêm đầu tiên trong thử nghiệm lâm sàng đối với bệnh cúm, cytomegalovirus và một loạt các bệnh truyền nhiễm khác, đã nhận được hai bằng sáng chế vào năm ngoái về việc sử dụng mRNA trên diện rộng để sản xuất các protein. Nhưng nhiều người trong ngành công nghiệp dược phẩm chia sẻ với Nature rằng họ nghĩ rằng những điều này có thể gặp nhiều      thách thức.

“Chúng tôi không cảm thấy rằng có nhiều thứ có thể được cấp bằng sáng chế và chắc chắn là nó không thể thực thi,” Eric Marcusson, giám đốc khoa học của Providence Therapeutics, một công ty vắc xin mRNA ở Calgary, Canada cho biết.

Tranh Cãi Về Giải Nobel

Đối với người xứng đáng nhận giải Nobel, những cái tên thường được nhắc đến trong cuộc trò chuyện là Karikó và Weissman. Cả hai đã giành được nhiều giải thưởng, bao gồm một trong những Giải Thưởng Đột Phá (trị giá 3 triệu đô la, giải thưởng lớn nhất trong khoa học) và Giải Thưởng Công Chúa Asturias danh giá của Tây Ban Nha về Nghiên Cứu Khoa Học và Kỹ Thuật. Cũng được công nhận trong giải thưởng Asturias còn có Felgner, Şahin, Türeci và Rossi, cùng với Sarah Gilbert, nhà tiêm chủng đứng sau vắc xin COVID-19 được phát triển bởi Đại Học Oxford, Vương quốc Anh phát triển và công ty dược phẩm AstraZeneca, sử dụng vector vi-rút thay vì mRNA. (Giải thưởng duy nhất gần đây của Cullis là giải thưởng của người sáng lập trị giá 5,000 đô la từ “Controlled Release Society”, một tổ chức chuyên nghiệp của các nhà khoa học nghiên cứu về thuốc được giải phóng theo thời gian.)

Một số người cũng cho rằng Karikó nên được ghi nhận bởi những đóng góp của bà ấy cho cộng đồng nghiên cứu mRNA nói chung cũng như những khám phá của cô ấy trong phòng thí nghiệm. “Cô ấy không chỉ là một nhà khoa học đáng kinh ngạc, cô ấy còn là một động lực trong lĩnh vực này”, Anna Blakney, một nhà kỹ thuật sinh học RNA tại Đại Học British Columbia nói. Blakney thể hiện sự ghi nhận đối với Karikó bằng việc trao cho cô ấy một vị trí phát biểu tại một hội nghị lớn hai năm trước, khi cô ấy vẫn còn ở vị trí postdoc sơ cấp (và trước khi Blakney đồng sáng lập VaxEquity, một công ty vắc-xin ở Cambridge, Vương quốc Anh, tập trung vào công nghệ RNA tự khuếch đại). Karikó “đang tích cực cố gắng nâng đỡ người khác lên trong thời điểm mà cô ấy chưa được ghi nhận đúng tầm cho toàn bộ sự nghiệp của cô ấy”.

Mặc dù một số người tham gia vào sự phát triển của mRNA, bao gồm cả Malone, nghĩ rằng họ xứng đáng được công nhận nhiều hơn, còn những người khác thì sẵn sàng chia sẻ ánh đèn sân khấu hơn. “Bạn thực sự không thể yêu cầu sự ghi nhận”, Cullis nói. Ví dụ, khi nói đến hệ thống phân phối lipid của ông ấy, “chúng tôi đang nói về hàng trăm, cũng có thể là hàng nghìn người đã làm việc cùng nhau để tạo ra các hệ thống LNP này để chúng thực sự sẵn sàng trong những thời điểm quan trọng”.

“Mọi người đều chỉ là từng bước bổ sung thêm một thứ gì đó – kể cả tôi,” Karikó nói.

Nhìn lại quá khứ, nhiều người nói rằng họ chỉ vui mừng vì vắc-xin mRNA đang tạo ra sự khác biệt cho nhân loại và họ có thể đã có những đóng góp có giá trị trong suốt chặng đường đó. “Thật xúc động khi thấy điều này,” Felgner nói. “Tất cả những điều mà chúng tôi đã nghĩ sẽ diễn ra sau này – lại đang diễn ra ở hiện tại.”

Chuyển ngữ: Lê Thanh Vân

Hiệu đính: Phạm Trường Duy

Bài báo:

Elie Dolgin. The tangled history of mRNA vaccines. Nature News Feature. 14 September 2021.