Sự khác biệt về công nghệ sản xuất các loại vaccin COVID 19

TS. BS Phạm Hùng Vân – giảng viên môn vi sinh, Khoa Y, Trường ĐH Y Dược TP.HCM, Chủ tịch Hội Vi sinh lâm sàng TP. HCM

[Tiêu đề do NCDLS tự đặt, Nội dung bài được coppy từ facebook cá nhân của tác giả và đã được sự chấp thuận của tác giả.]

Chào các bạn! phần này tôi viết hơi dài để nói về 4 công nghệ chế tạo vaccine ngừa COVID-19 hiện nay và cơ chế hoạt động của các loại vaccine này. Cũng khó viết ngắn mà cho rõ được nên mong các bạn thông cảm. Tôi sẽ post thêm các phần khác nữa nói về các phase của việc sản xuất một vaccine và cách đánh giá một vaccine như thế nào vào lần tới.

Vắc xin là gì và vắc-xin ngừa COVID-19 chứa thành phần chính là gì?

Vắc-xin là một chế phẩm sinh học được sử dụng để giúp cơ thể chống (tạo được miễn dịch chủ động) được một bệnh nhiễm trùng nào đó mà cơ thể có thể chưa mắc phải trước đó nhưng có thể sẽ gặp trong tương lai vì đây là những bệnh có thể lây lan dễ dàng hay gây thành dịch hoặc có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng cho sức khỏe. Đưa vắc xin vào cơ thể để tạo miễn dịch được gọi là chủng ngừa (vaccination). Chính nhờ chủng ngừa bằng vắc xin mà loài người đã thành công trong việc loại bỏ vĩnh viễn một số bệnh ra khỏi quả địa cầu như đậu mùa, sốt vàng hay làm giảm được tỷ lệ mắc của một số bệnh như cúm, bại liệt, lao, thủy đậu, viêm gan B…Cho đến hiện nay, Tổ Chức Y Tế Thế Giới ghi nhận có trên 25 bệnh nhiễm trùng đã và đang được ngừa hiệu quả bằng vắc xin, tuy nhiên cũng còn nhiều bệnh nhiễm trùng mà y học vẫn chưa thể tìm ra được vắc xin phòng ngừa.

Để chống được một tác nhân vi sinh gây bệnh nhiễm trùng thì vắc xin phải kích thích được miễn dịch của cơ thể chống lại khả năng gây bệnh của chính tác nhân đó. Như vậy thì vắc xin phải chứa một thành phần kích thích được miễn dịch bảo vệ của cơ thể chứ không phải kích thích được miễn dịch chỉ nhận diện được tác nhân mà không giúp bảo vệ được cơ thể không bị bệnh. Thành phần trong vắc-xin kích thích được miễn dịch bảo vệ của cơ thể được gọi là kháng nguyên bảo vệ. Hiện nay vẫn còn có nhiều tác nhân vi sinh gây bệnh mà các nhà khoa học chưa chế được vắc-xin vì chưa biết được thành phần nào của vi sinh vật chính là kháng nguyên bảo vệ. Ví dụ vi rút viêm gan C (HCV: Hepatitis C vi rút) hay vi rút HIV là điển hình hai tác nhân mà cho đến nay các nhà khoa học chỉ tìm được các kháng nguyên kích thích cơ thể người nhiễm tạo được miễn dịch nhận biết người bị nhiễm chứ vẫn chưa biết được kháng nguyên nào là kháng nguyên bảo vệ nên chưa chế được vắc-xin. Trong khi đó với vi rút viêm gan B (HBV: Hepatitis B vi rút) thì chúng ta đã có được vắc-xin từ sớm vì các nhà khoa học đã biết được kháng nguyên bề mặt của vi rút (HBsAg: Hepatitis B surface Antigen) chính là kháng nguyên kích thích được miễn dịch bảo vệ nên vắc-xin ngừa HBV chứa thành phần chính là chế từ kháng nguyên bề mặt của vi rút (siêu vi).

Đối với tác nhân SARS-CoV-2 gây COVID-19 thì các nhà khoa học đã rất sớm giải trình tự toàn bộ genome cũng như nuôi cấy được vi rút nên đã sớm xác định được thành phần gây bệnh chính của vi rút, đó là các protein gai hay gọi là protein S (Spike) hiện diện trên bề mặt của vi rút. SARS-CoV-2 dùng các protein S này để bám vào các thụ thể là các ACE2 (Angiotensin Converting Enzyme 2) hiện diện nhiều trên bề mặt của tế bào biểu mô hô hấp cũng như biểu mô nội mạch. Nhờ đó mà tác nhân SARS-CoV-2 xâm nhập được vào bên trong tế bào rồi nhân bản thành nhiều vi rút khác để xâm nhập vào các tế bào mới và lan tràn (hình 1). Hiện nay các nhà khoa học đã xác định protein S không chỉ giúp vi rút xâm nhập để tăng sinh và lan tràn mà còn giết chết tế bào vì chúng làm tê liệt các ti thể của tế bào là nơi tạo ra được năng lượng cho mọi hoạt động của tế bào.

Biết được thành phần chính gây bệnh của SARS-CoV-2 đồng nghĩa là các nhà khoa học đã biết được kháng nguyên kích hoạt hệ thống miễn dịch bảo vệ của cơ thể chống được bệnh COVID-19, đó chính là các protein S của vi rút. Như vậy thì đích nhắm của chế tạo vắc-xin là phải chứa được thành phần kích hoạt được miễn dịch của cơ thể ngăn chận hoạt động protein S của SARS-CoV-2. Dựa trên nguyên tắc này, hiện nay các nhà khoa học và các công ty đã sản xuất vắc-xin ngừa COVID-19 với 4 loại sau đây:

1. Vắc-xin bất hoạt: Đây là loại vắc-xin truyền thống đã và đang được sản xuất để ngừa nhiều bệnh nhiễm vi rút khác nhau như cúm, sởi, trái ra.…Vắc-xin bất hoạt ngừa COVID-19 là vắc-xin chế từ vi rút SARS-CoV-2 phân lập từ người bệnh, được nuôi cấy trong cấy tế bào (tế bào Vero E6 có nguồn gốc từ thận khì xanh Châu Phi) và sau đó làm bất hoạt chúng. Tiêu biểu là các vắc-xin do các công ty Sinopharm, Sinovac và Sinopharm-Wuhan của Trung Quốc phát triển. Trong vắc-xin loại này, ngoài thành phần protein gai của vi rút, còn có chứa các thành phần khác của vi rút và cả các thành phần của cấy tế bào dùng để nuôi cấy tăng sinh vi rút. Dĩ nhiên các nhà nghiên cứu và sản xuất phải đánh giá là các thành phần không mong muốn này là vô hại đối với người được chích vắc-xin trước khi đưa vào sử dụng đại trà. Một loại vắc xin bất hoạt nữa do Icahm MS Mount Sinai NY phát triển dùng vi rút Newcastle Disease Virus (NDV: là loại vi rút gây bệnh cho gia cầm nhưng không gây bệnh cho người) được chèn gen S của SARS-CoV-2 để biểu hiện được protein gai neo màng (membrane-anchored spike) của SARS-CoV-2. Vi rút tái tổ hợp này được được cấy trên phôi trứng gà lộn và sau đó được thu gặt, tinh khiết và được bất hoạt (như là phương pháp sản xuất vắc xin cúm) để làm vắc-xin. Có hai lợi điểm trong sản xuất vắc xin bất hoạt từ NDV là: (1) Có thể triển khai tại các nhà máy sản xuất vắc xin cúm vì sử dụng trứng gà lộn để sản xuất vắc xin và dùng chung công nghệ bất hoạt cũng như tinh chế y như sản xuất vắc xin cúm; (2) Đáp ứng miễn dịch tạo ra kháng thể có hoạt tính trung hòa protein gai của SARS-CoV-2 rất tốt. Qua tổ chức PATH, Công nghệ này đã được chuyển giao cho IVAC (Viện Vắc xin Sinh Phẩm Y Tế) Nha Trang bản quyền sản xuất vắc xin COVIVAC ngừa COVID-19. Hiện COVIVAC cũng đã qua thừ nghiệm giai đoạn II và sắp vào giai đoạn III. Hình 2 tóm tắt công nghệ sản xuất vắc xin tái tổ hợp dùng NDV. Dĩ nhiên vắc-xin bất hoạt sản xuất theo công nghệ này cũng còn chứa một số thành phần của bản thân vi rút cũng như có thể chứa thành phần chưa loại bỏ hết từ phôi trứng và mà nhà sản xuất phải đảm bảo các thành phần này là vô hại.

2. Vắc-xin protein gai tái tổ hợp: Đây là loại vắc-xin chỉ chứa các protein gai của SARS-CoV-2 được tổng hợp bằng công nghệ tái tổ hợp di truyền. Tóm tắt công nghệ này là chèn gen tổng hợp nguyên cả protein gai hay chỉ một phần chính yếu của protein gai (phần nhận diện và tóm bắt được thụ thể ACE2) của vi rút vào một vector rồi chuyển vector này vào một loại tế bào để nhờ tế bào này sản xuất được protein gai. Tóm tắt thì như vậy nhưng trong thực tế thì sản xuất protein gai tái tổ hợp là một công nghệ không phải dễ dàng vì nếu sử dụng vi khuẩn để nhận vector sản xuất protein gai thì cấu trúc không gian của protein gai sẽ khác biệt với cấu trúc thực tế nên không thể làm được vắc-xin vì không kích thích cơ thể sinh được miễn dịch bảo vệ. Chính vì vậy nên hiện nay công ty Nanogen của Việt Nam đã nghiên cứu sử dụng dòng tế bào CHO (Chinese Hamster Ovary: tế bào buồng trứng của Hamster Trung Hoa là dòng tế bào đã được quốc tế chấp nhận sử dụng trong sản xuất các dược phẩm protein dành cho điều trị) để sản xuất được protein gai (hình 3) và vắc-xin Nano-Covax của Nanogen đã qua được hai phase 1 và 2 với đánh giá là rất an toàn và sinh miễn dịch tốt. Ngoài Nanogen thì Novavax của Mỹ và Vector Institute của Nga cũng đang là hai công ty đang sản xuất vắc-xin protein gai tái tổ hợp.

3. Vắc-xin DNA: Đây là loại vắc-xin dùng một loài vi rút vô hại với người để làm vector đưa DNA chịu trách nhiệm sản xuất protein của vắc-xin vào tế bào cơ thể, làm cho tế bào sản xuất các protein này và kích thích hệ miễn dịch tạo được miễn dịch bảo vệ cơ thể chống lại tác nhân vi sinh gây bệnh. Đầu tiên ý tưởng dùng vi rút làm vector để đưa DNA vào tế bào được nghiên cứu để giúp điều trị các bệnh lý khiếm khuyết về gen. Sau đó các nhà khoa học đã áp dụng phương pháp này để chế tạo vắc xin ngừa các bệnh nhiễm như Ebola hay hội chứng hô hấp Trung Đông do coronavi rút gây ra (MERS-CoV). Đối với COVID-19 thì các nhà khoa học đã dùng adenovirus để làm vector mang DNA chịu trách nhiệm sản xuất protein S của SAR-CoV-2 bằng cách tăng sinh vi rút trong cấy tế bào rồi thay thế gen E1 của adenovirus bằng gen S và như vậy là vi rút sẽ không còn khả năng nhân bản mà sẽ trở thành vector mang DNA của gen S. Các adenovector mang DNA này sau khi chích vào người sẽ xâm nhập tế bào và giải phóng DNA vào nhân tế bào để được phiên mã thành mRNA đưa vào tế bào chất. Tại tế bào chất, mRNA sẽ trượt lên các ribosome gắn trên màng lưới nội sinh chất để tổng hợp protein S tập trung trong bộ Golgi và được đưa ra ngoài tế bào. Hệ miễn dịch của cơ thể sẽ nhận diện các protein S này và sẽ tạo ra các đáp ứng miễn dịch đặc hiệu protein S giúp bảo vệ cơ thể. Hình 4 mô tả cụ thể hoạt động của adenovector như là DNA vắc xin. Hiện có 4 nhà sản xuất trên thế giới sử dụng adenovector làm vắc xin DNA chống COVID-19, đó là Gameleya của Nga dùng hai loại adenovirus type 26 (Ad26) và type 5 (Ad5), Oxford-AstraZeneca của vương quốc Anh dùng adenovirus của tinh tinh (chimpanzee adenovirus: ChAdOx1), Cansino của Trung Quốc dùng adenovirus type 5 và Johnson & Johnson của Hoa Kỳ dùng adenovirus 26.

4. Vắc xin mRNA: Đây là một cuộc cách mạng công nghệ trong chế tạo vắc xin với rất nhiều bước tiến kỹ thuật đặc biệt, đó là kỹ thuật tổng hợp được nhân tạo mRNA và kỹ thuật để sau khi chích mRNA cơ thể thì các mRNA này sẽ vào được tế bào bằng cơ chế nội bào tự nhiên mà không cần phải sử dụng bất cứ một tác động nào khác.

Chúng ta cũng biết là bản thân tế bào có trang bị những enzyme là các endonuclease để phá hủy được các nucleic acid ngoại lai xâm nhập vào tế bào như các DNA hay RNA của vi rút, vi khuẩn, tế bào lạ. Chính vì vậy cấu trúc của phân tử mRNA được tổng hợp để làm vắc xin phải gắn mủ ở đầu 5’ bằng một phân tử guanine được methyl hóa và gắn đuôi poly A ở đầu 3’. Ngoài ra trong trình tự của mRNA thì các uridine phải được thay thế bằng N1 methylpseudouridine. Nhờ các biến đổi này mà vắc xin mRNA sẽ không bị phân hủy khi vào tế bào. Không chỉ có vậy, để cho mRNA được ribosome dịch mã tổng hợp ra protein S rất giống protein S tự nhiên của SARS-CoV-2 thì các codon cũng như đuôi poly A của mRNA cũng phải được tối ưu hóa. Các công nghệ này là các công nghệ cốt lõi trong tổng hợp được mRNA làm vắc xin. Một công nghệ rất cách mạng nữa mà chúng ta cũng không thể không nhắc đến trong sản xuất vắc xin mRNA là công nghệ bọc các phân tử mRNA tổng hợp nhân tạo vào các vi hạt lipid (LNP: lipid nano particle) được ion hóa để các vi hạt này khi tiếp xúc với màng tế bào sẽ vào màng tế bào nhờ cơ chế nội bào tự nhiên. Vắc xin mRNA sau khi nội bào sẽ được phóng thích vào tế bào chất rồi được các ribosome của tế bào nằm sẵn trên lưới nội sinh chất dịch mã thành các protein S đưa ra trên mặt ngoài của tế bào và kích thích được miễn dịch bảo vệ của cơ thể. Hiện có hai nhà sản xuất trên thế giới đưa ra được vắc xin mRNA ngừa COVID-19, đó là Pfizer BioNTech và Moderna. Do bản chất là mRNA và phải đóng gói trong các vi hạt lipid nên vắc xin mRNA đòi hỏi điều kiện bảo quản khá chặt chẽ vì thế mà các quốc gia nghèo hay đang phát triển sẽ rất khó để có thể sử dụng rộng rãi vắc xin này. Tuy nhiên chúng ta phải thừa nhận vắc xin mRNA chính là một cuộc cách mạng về công nghệ, mở ra được con đường để loài người chúng ta có thể sản xuất ra được rất nhiều loại vắc xin để đối phó với các dịch bệnh nhiễm trùng trong tương lai nhờ rút ngắn được con đường chế tạo ra vắc xin cũng như rất linh hoạt để có những vắc xin kịp thời đối phó với các biến thể của các tác nhân vi sinh gây bệnh.

Làm thế nào vắc xin tạo được miễn dịch bảo vệ?

Miễn dịch bảo vệ là sự đề kháng của chính cơ thể chống được sự xâm nhập của vi sinh vật gây bệnh vào cơ thể, chống được sự tăng sinh hay nhân lên trong cơ thể và chống lại được khả năng sinh bệnh hay còn được gọi là độc lực của tác nhân vi sinh gây bệnh. Miễn dịch bảo vệ của cơ thể có hai loại là miễn dịch bảo vệ không đặc hiệu và miễn dịch bảo vệ đặc hiệu. Miễn dịch bảo vệ không đặc hiệu chính là các hàng rào lý – hóa – sinh ngay tại ngã vào của vi sinh vật, tức là trên da phủ mặt ngoài và niêm mạc phủ mặt trong các tạng rỗng của cơ thể. Ngoài hàng rào này, hiện tượng viêm, quá trình thực bào và các yếu tố thể dịch có trong máu và các dịch ngoại bào của cơ thể cũng phụ trợ thêm cho miễn dịch bảo vệ không đặc hiệu. Miễn dịch bảo vệ không đặc hiệu lúc nào cũng hiện diện sẵn sàng trong cơ thể nhưng có khi không đủ mạnh để thắng được tác nhân gây bệnh, chính vì vậy nên cơ thể chúng ta có thêm miễn dịch bảo vệ đặc hiệu. Miễn dịch bảo vệ đặc hiệu mạnh hơn miễn dịch bảo vệ không đặc hiệu rất nhiều vì đây là miễn dịch chuyên biệt chống tại một tác nhân gây bệnh nào đó mà hệ thống miễn dịch của cơ thể đã từng gặp trước đó. Chính vì vậy cơ chế hoạt động của vắc xin chính là kích thích hệ thống miễn dịch của cơ thể tạo ra được miễn dịch bảo vệ đặc hiệu. Các tế bào liên quan trực tiếp đến hệ thống miễn dịch đặc hiệu của cơ thể chính là các thực bào tại chỗ được gọi là tế bào tua (dendritic cell) nằm sẵn tại các mô hay cơ quan của cơ thể và các tế bào lympho với hai loại là lympho B và lympho T lưu thông trong máu, mạch bạch huyết và các cơ quan lympho như lách, tủy xương và hạch bạch huyết.

Cơ chế hoạt động của vắc xin ngừa COVID-19 là các protein S có trong vắc xin (vắc xin protein tái tổ hợp hay vắc xin vi rút SARS-CoV-2 bất hoạt) hoặc được tế bào cơ thể tạo ra do chích vắc xin (vắc xin DNA hay vắc xin mRNA) sẽ được các tế bào tua thực bào rồi trình diện cho các tế bào T (TH là T giúp đở) để kích hoạt chúng, đồng thời các tế bào lympho B mà trên bề mặt có sẵn những thụ thể nhận diện được protein S cũng tóm bắt các protein S này rồi sử lý và trình diện đến các tế bào TH đã bị tế bào tua kích hoạt. Do sự trình diện protein S của lympho B đến tế bào TH mà các tế bào lympho B này sẽ được các cytokine sản xuất từ tế bào lympho TH kích hoạt biến thành các tế bào plasma sản xuất kháng thể đồng thời một số sẽ biến thành tế bào “lympho B nhớ” phân tán đến các cơ quan lympho và các mô (hình 6A). Trong lần tiếp xúc đầu tiên của tế bào lympho B với các protein S thì các tế bào plasma sản xuất các kháng thể thuộc lớp IgM và lớp kháng thể này sẽ không tồn tại lâu vì dễ bị phân rã và do các tế bào plasma sản xuất các IgM này có đời sống khá ngắn. Tuy nhiên do các protein S vẫn còn tồn tại nên lại bị các tế bào nhớ tóm bắt rồi trình diện cho tế bào TH để giúp biệt hóa thành các tế bào plasma tạo ra kháng thể và lúc này kháng thể được tạo ra là thuộc lớp IgG có nồng độ cao hơn và tồn tại lâu hơn đồng thời nhiều tế bào nhớ cũng được tạo ra hơn (hình 6B). Với mũi vắc xin được chích nhắc lại lần hai thì lúc này các tế bào lympho B nhận diện được protein S sẽ chủ yếu là lympho B nhớ với số lượng nhiều hơn rất nhiều so với lần đầu, do vậy mà số lượng biệt hóa thành tế bào plasma sẽ nhiều hơn mũi chích đầu và kháng thể IgG được tạo ra sẽ có nồng độ cao hơn rất nhiều và kéo dài hơn. Nhờ vậy mà lần đáp ứng miễn dịch của mũi chích vắc xin lần 2 sẽ có nhiều tế bào lympho B biệt hóa thành nhiều tế bào nhớ hơn lần đầu, do vậy mà không chỉ cơ thể có lượng kháng thể bảo vệ nhiều hơn để chống lại sự xâm nhập của tác nhân SARS-CoV-2 mà còn có nhiều tế bào nhớ hơn sẽ được huy động một khi tác nhân vi rút xâm nhập vào cơ thể.