Vắc-xin tương lai có thể được trồng trên cây thuốc lá

Đại dịch COVID-19 đã bộc lộ những lỗ hổng rõ rệt trong năng lực sản xuất vắc xin hiện tại của thế giới. Sản xuất vắc xin thông thường rất tốn kém và phức tạp. Do đó, chỉ một số ít quốc gia có công nghệ, nhân lực và kinh phí để sản xuất vắc xin; những người có khả năng đã phải đối mặt với những thách thức liên tục về ô nhiễm và kiểm soát chất lượng trong cuộc chạy đua sản xuất và phân phối hàng tỷ vắc xin COVID-19. Vắc xin thông thường cũng phải được giữ lạnh, một số loại lạnh đến -76 độ F trong quá trình vận chuyển và bảo quản. Chuỗi lạnh vắc xin không chỉ tốn kém mà còn là rào cản lớn đối với việc phân phối vắc xin ở các vùng nông thôn, các cộng đồng khó tiếp cận và ở các quốc gia có cơ sở hạ tầng hạn chế. Một số nhà khoa học tin rằng giải pháp là sử dụng thực vật để sản xuất vắc xin.

Mặc dù không có vắc-xin gốc thực vật để sử dụng cho con người, nhưng một số vắc-xin đang được triển khai. Medicago, một công ty công nghệ sinh học của Canada, đã phát triển một loại vắc-xin COVID-19 có nguồn gốc từ thực vật, hiện đang trong giai đoạn ba thử nghiệm lâm sàng. Theo Brian Ward, nhân viên y tế của công ty, vắc xin cúm có nguồn gốc từ thực vật của công ty đã hoàn thành các thử nghiệm lâm sàng và đang chờ chính phủ Canada phê duyệt lần cuối.

Vào tháng 12, Kentucky BioProcessing, bộ phận công nghệ sinh học Hoa Kỳ của Công ty Thuốc lá Anh Mỹ, đã thông báo vắc xin COVID-19 có nguồn gốc thực vật của họ đang bước vào thử nghiệm lâm sàng giai đoạn một và tháng 10 năm ngoái, Icon Genetics GmbH thuộc sở hữu của Nhật Bản đã khởi động thử nghiệm lâm sàng giai đoạn một cho vắc xin norovirus có nguồn gốc thực vật.

Các trường đại học, công ty khởi nghiệp công nghệ sinh học và chính phủ đã hình thành các quan hệ đối tác được tài trợ tốt để mở rộng lĩnh vực này. Chính phủ Hàn Quốc đã đầu tư 13,5 tỷ USD cho nghiên cứu vắc xin dựa trên thực vật và cơ sở sản xuất vắc xin dựa trên thực vật đầu tiên của nước này ở thành phố Pohang dự kiến ​​sẽ khai trương vào tháng 10. Theo một ước tính, giá trị thị trường vắc xin dựa trên thực vật được dự đoán sẽ tăng từ 40 đến 600 triệu đô la trong bảy năm tới.

“Ngành công nghiệp vắc xin sản xuất từ ​​thực vật đang tiến chậm nhưng chắc chắn. Chúng ta đang ở thời điểm mà việc tạo ra một thứ gì đó giống như vắc-xin COVID thực sự rất khả thi và rất nhanh chóng, vì vậy ngay bây giờ chúng ta đang ở thời điểm chúng ta có thể có hàng chục triệu vắc-xin có sẵn trong 6 tháng, Kathleen Hefferon, một tác giả và giáo sư vi sinh vật học tại Đại học Cornell, chuyên nghiên cứu thực vật và công nghệ sinh học nông nghiệp, cho biết. “Điều tôi thực sự hy vọng là điều này sẽ mở ra những bước tiến mới trong việc phát triển vắc-xin làm từ thực vật, bởi vì bây giờ chúng ta sẽ thấy một số thành công.”

Các vấn đề với vắc xin truyền thống

Công nghệ vắc xin dựa trên thực vật không phải là mới; Nó đã xuất hiện cách đây hơn 30 năm. Các nhà khoa học đã sử dụng khoai tây, gạo, rau bina, ngô và các loại cây khác để làm vắc xin phòng bệnh sốt xuất huyết, bại liệt, sốt rét và bệnh dịch hạch, nhưng không có loại nào trong số này được đưa vào thử nghiệm lâm sàng giai đoạn cuối, có lẽ do thiếu quy định khuôn khổ cho các loại thuốc có nguồn gốc từ thực vật hoặc do dự xung quanh việc đầu tư vào các công nghệ sinh học mới nổi, theo Hefferon.

Năm 2006, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ đã phê duyệt một loại vắc xin có nguồn gốc từ thực vật đối với bệnh Newcastle, bệnh lây nhiễm cho gia cầm. Nhưng chưa bao giờ có một loại vắc-xin gốc thực vật nào được chấp thuận sử dụng cho người hoặc cho đến gần đây, ngay cả một loại vắc-xin đã được thử nghiệm lâm sàng tiên tiến.

Để tạo ra vắc xin, các nhà khoa học phải sản xuất hàng loạt các kháng nguyên, các phân tử kích hoạt phản ứng miễn dịch đối với một loại vi rút hoặc vi khuẩn cụ thể. Các kháng nguyên thông thường bao gồm vi rút và vi khuẩn bị bất hoạt hoặc bị tiêu diệt, độc tố, hoặc các protein của virus và vi khuẩn như protein tăng đột biến COVID-19. Đối với vắc-xin Pfizer-BioNTech và Moderna COVID-19, các phân tử mRNA — những mảnh nhỏ của vật liệu di truyền có hướng dẫn cho tế bào người sản xuất Spike protein COVID-19 — cũng phải được sản xuất hàng loạt trong các cơ sở đắt tiền và sau đó được tinh chế.

Kháng nguyên cho vắc-xin thông thường được tạo ra bằng cách lây nhiễm vào các tế bào được phòng thí nghiệm kiểm soát (từ côn trùng, thận khỉ, buồng trứng chuột đồng hoặc những thứ khác) với vi-rút hoặc một chút mã di truyền vi-rút đánh lừa các tế bào để tạo ra các bản sao của vi-rút hoặc kháng nguyên. Các dòng tế bào được ủ trong các lò phản ứng sinh học lớn bằng kim loại trong nhiều ngày đến vài tuần, sau đó trải qua một quá trình tinh chế phức tạp và kéo dài trước khi được đóng gói vào lọ.

Thách thức là các lò phản ứng sinh học rất tốn kém, chúng đòi hỏi nhân viên được đào tạo đặc biệt để quản lý chúng và nguy cơ ô nhiễm cao, vì vậy các lò phản ứng sinh học phát triển các loại kháng nguyên khác nhau phải được giữ trong các tòa nhà riêng biệt và trong điều kiện vô trùng được kiểm soát chặt chẽ.

John Tregoning, một nhà nghiên cứu các bệnh truyền nhiễm tại Đại học Imperial của Vương quốc Anh cho biết: “Chúng tôi đã thấy rằng hiện tại không đủ vắc xin cho tất cả mọi người”. Điều này là do các yêu cầu về chi phí, không gian và nhân sự quá lớn. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ ước tính chi phí 1,5 tỷ đô la để duy trì một cơ sở chỉ sản xuất ba loại vắc xin trong 25 năm.

Thực vật là nhà máy sản xuất vắc xin

Vắc xin gốc thực vật loại bỏ nhu cầu về lò phản ứng sinh học vì chính chúng là lò phản ứng sinh học. Cây có thể được trồng trong nhà kính cấp dược phẩm, được kiểm soát khí hậu để ngăn ngừa côn trùng và sâu bệnh nhưng không yêu cầu điều kiện vô trùng.

Trong nhà kính của Medicago ở Raleigh, Bắc Carolina, hai cánh tay robot nhặt một khay thép gồm 126 cây Nicotiana benthamiana chưa trưởng thành, một loài cỏ dại, anh em họ của cây thuốc lá Úc được sử dụng trong các sản phẩm thuốc lá. Khay cây nhanh chóng bị lật ngược và nhúng vào một chậu chất lỏng kim loại chứa hàng triệu vi khuẩn agrobacteria, một nhóm vi khuẩn lây nhiễm tự nhiên cho cây trồng. Các vi khuẩn nông nghiệp trong nhà kính này được thay đổi để chứa một đoạn DNA nhỏ từ vi rút cúm hoặc COVID-19. Trong khi cây bị ngập nước, một khoảng chân không nhỏ hút vào rễ cây làm cho lá bị xẹp và co lại. Vài giây sau, chân không được giải phóng, làm cho lá nở ra và giống như một miếng bọt biển, thấm đẫm chất lỏng mang vi khuẩn agrobacteria, lan truyền khắp toàn bộ cấu trúc mạch của cây.

Chỉ trong vài phút, các cây Nicotiana benthamiana đã được biến đổi thành các lò phản ứng sinh học mini. Các vi khuẩn agrobacteria chuyển DNA của virus vào các tế bào thực vật, sau đó tạo ra hàng triệu bản sao của các phần tử giống virus, đóng vai trò là kháng nguyên nhưng không lây nhiễm.

“Nó hoàn toàn tuyệt vời. Đó thực sự là một trong những điều tuyệt vời nhất. Nó được gọi là thẩm thấu nông sản hoặc thâm nhập chân không, ”Brian Ward của Medicago nói. Cây được tái định cư trong nhà kính và sau năm hoặc sáu ngày, lá được thu hoạch, đặt trên băng chuyền, cắt nhỏ thành những mảnh nhỏ, và ngâm trong bồn tắm enzyme phá vỡ thành tế bào thực vật cứng và giải phóng hàng triệu virus-like particles , được tinh lọc và đóng gói, Ward giải thích. Thành phẩm là vắc xin có nguồn gốc từ thực vật. Vào năm 2018, vắc xin phòng bệnh cúm Medicago là loại vắc xin đầu tiên trên thế giới hoàn thành giai đoạn ba thử nghiệm lâm sàng.

Đối với vắc-xin thông thường, một khi vi-rút hoặc các phần tử vi-rút được chiết xuất từ ​​các tế bào đã nuôi cấy chúng và làm sạch, chúng phải được giữ lạnh. Điều này bao gồm vắc xin cúm thực vật và COVID-19 của Medicago.

Nhưng các loại vắc xin có nguồn gốc thực vật khác giải quyết vấn đề này bằng cách bỏ qua hoàn toàn bước tinh chế. Rau diếp biến đổi gen cũng thường được sử dụng để chế tạo vắc xin. Theo Henry Daniell, một nhà nghiên cứu tại Đại học Pennsylvania, người đã tham gia nghiên cứu vắc xin dựa trên rau diếp, các nhà khoa học sử dụng súng bắn gen để chèn một đoạn DNA của virus vào bộ gen của lục lạp của hạt rau diếp, một phần của cây ở đâu. quang hợp – quá trình thực vật chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng có thể sử dụng được – diễn ra. Lục lạp mang khoảng 100 bản sao bộ gen của chúng — vật liệu di truyền cung cấp cho tế bào các chỉ dẫn để hoạt động và tạo ra các bản sao của chính nó — không giống như hầu hết các tế bào khác, chỉ có một bản sao. Điều này có nghĩa là lục lạp có thể tạo ra lượng kháng nguyên đích gấp 100 lần.

Khi gen virus đã được đưa vào bộ gen, hạt giống sẽ được trồng trong điều kiện có kiểm soát nhưng không phải là điều kiện bình thường tại trang trại hoặc nhà kính và sau đó được thu hoạch. Nhưng ở đây, bởi vì rau diếp là một loại cây ăn được, thay vì làm sạch các phần tử giống vi rút bằng cách loại bỏ tất cả các tế bào thực vật và mảnh vụn, các lục lạp có chứa kháng nguyên được nghiền thành bột sau đó được bào chế thành một viên thuốc hoặc viên nang. sau đó được dùng bằng đường uống. Một số loại vắc-xin dựa trên rau diếp cá đang được phát triển, nhưng chưa có vắc-xin nào được thử nghiệm lâm sàng. Ưu điểm của vắc-xin dạng viên là có thể được bảo quản ở nhiệt độ phòng trong thời gian dài, do đó loại bỏ được vấn đề dây chuyền lạnh.

Chi phí ước tính để sản xuất vắc xin từ thực vật vẫn chưa được công bố rộng rãi, nhưng theo Daniell, “Không nghi ngờ gì rằng sản xuất từ ​​thực vật thay vì lò phản ứng sinh học sẽ rẻ hơn. Các cơ sở lên men bằng lò phản ứng sinh học trị giá hàng trăm triệu đô la, và sau đó bạn cần phải tinh chế và tiêm dây chuyền lạnh, v.v. ”

Theo Hefferon, công nghệ vắc-xin dựa trên thực vật mới nổi sẽ không chỉ giúp thế giới ứng phó với đại dịch hiện tại và tương lai mà còn mang đến cơ hội mở rộng sản xuất vắc-xin sang các nước đang phát triển. Vắc xin vẫn là nền tảng của sức khỏe cộng đồng, ngăn ngừa khoảng 4 đến 5 triệu ca tử vong mỗi năm. Tuy nhiên, nhiều nơi trên thế giới thiếu khả năng tiếp cận với vắc xin phòng bệnh sởi, viêm màng não và ho gà. Điều đó có nghĩa là khoảng 1,5 triệu người mỗi năm vẫn chết vì các bệnh truyền nhiễm có thể phòng ngừa được.

Tregoning cho biết: “Có sự bất bình đẳng về vắc xin giữa người giàu và nước nghèo và có thể nếu bạn có thể tăng số lượng các nền tảng sản xuất khác nhau, thì bạn có thể tạo ra nhiều loại vắc xin hơn nhanh chóng hơn cho nhiều người hơn,” Tregoning nói