Zoran Pusić: O virusu i cjepivu

Zoran Pusić
Autor 28.12.2020. u 11:14

Zoran Pusić: O virusu i cjepivu

Slika virusa koji izaziva Covid – 19 (Corona virus disease) pojavljuje se već mjesecima kao pozadina udarnih i sve zabrinjavajućih vijesti o dnevnom broju novozaraženih i broju umrlih od te bolesti. Službeni naziv tog „korona virusa“ je SARS – CoV – 2 (Severe Acute Respiratory Syndrom Coronavirus 2); uveo ga je Međunarodni odbor za taksonomiju virusa (ICTV) u veljači ove godine. Isti dan, 11. veljače 2020., Svjetska zdravstvena organizacija (WHO), uvela je naziv za bolest koju taj virus uzrokuje, Covid -19. SARS-CoV-2 spada u rasprostranjenu porodicu virusa koji izgledom podsjećaju na morskog ježa i napadaju stanice respiratornog sustava. Na primjer virus gripe je sličnog oblika (ali iz druge porodice virusa). Kad su virolozi 1960tih godina prvi put slikali tu vrstu virusa pomoću elektronskog mikroskopa, svojim oblikom podsjetio ih je na krunu – odatle i naziv „korona“.

Slika 1. Shematski prikaz SARS-CoV-2; proteinske „bodlje“, odnosno hvataljke, izlaze iz membrane građene od lipida i proteina.

SARS-CoV-2 djeluje, pojednostavljeno, na sljedeći način:

Pomoću „bodlji“ koje su građene od proteina ( bjelančevina) i koje izviruju iz membrane virusa, virus se zakači za membranu stanice. Promjer SARS-CoV-2 je oko jedne desettisućinke milimetra, promjer stanica koju napada, prije svega stanice iz dišnih puteva, je oko sto puta veći, jedna stotinka milimetra; za usporedbu, širina vlasi kose je jedna desetinka milimetra.

Kad izdišemo zrak s njim izlaze i mikroskopske kapljice vode, promjera između stotinke i desetinke milimetra. Kod zaražene osobe u tim kapljicama nalaze se stotine i stotine virusa. Navedene dimenzije važne su za zaštitu od virusa nošenjem maski. Kroz materijale od kojih je napravljena većina maski, virusi prolaze ali ne prolaze mikroskopske kapljice u kojima su virusi koncentrirani. Ako dvije osobe koje su u verbalnom kontaktu, a od kojih je jedna zaražena, nose maske, vjerojatnost da se zdrava osoba zarazi je desetak puta manja nego ako su obje osobe bez maski.

Slika 2. Hvataljke iz membrane virusa hvataju se za molekule proteina iz membrane stanica u dišnim putevima.

Membrana korona virusa građena je od lipida i proteina. Lipidi su složeni organski spojevi u koje spadaju masti i ulja. Karakteristično za lipide je da nisu topivi u vodi ali jesu u vodi sa sapunom, s deterdžentom, u alkoholu, .. Molekule sapuna otapaju membranu SARS-CoV-2. Zato je potrebno prati ruke sapunom i nekoliko trenutaka ostaviti ruke nasapunane; virusi se ne odstranjuju mlazom vode nego ih uništavaju molekule sapuna.

Slika 3. Molekule sapuna rastvaraju membranu SARS-CoV-2

Čim se virus zakači za stanicu, membrana virusa spaja se s membranom stanice, nastaje otvor na membrani stanice i kroz taj otvor virus ulazi u stanicu. Kad je virus u stanici, membrana virusa se raspada i molekula ribonukleinske kiseline (RNK) koja je bila unutar membrane virusa i u kojoj su informacije kako se virus izgrađuje, njegov genetski kod, oslobođena je unutar napadnute stanice. RNK čine dugi nizovi molekula šećera riboze. Za svaku molekulu riboze vezana je jedna od četiri moguće organske molekule, Adenin, Citozin, Guanin i Uracil. Različitim rasporedom tih molekula, A, C, G i U, u nizu koji čini RNK ispisane su informacije za sintezu proteina; u mRNK stanice za proteine stanice, u RNK virusa za proteine virusa. Kao što raspored slova u ovom tekstu nosi specifičnu informaciju o funkcioniranju corona virusa.

Slika 4. Virus, unutar membrane stanice, istiskuje svoju RNK u stanicu

Na sličan način je zapis o nasljeđu, instrukcije kako izgraditi višestanični organizam, pohranjen u molekulama deoksiribonukleinske kiseline (DNK), u kromosomima u jezgri svake stanice tog organizma. Svaka stanica posjeduje mehanizam kako, po uputama zapisanim u DNK, izgraditi, preko svoje vlastite RNK, potrebne proteine.

Virusi, entiteti na granici žive i nežive prirode, mnogo su jednostavnije strukture od stanice. Sastoje se od membrane, hvataljki na membrani kojima se virus zakači za stanicu (ili bakteriju) i molekule RNK unutar membrane. Kad molekula RNK iz SARS-CoV-2 uđe u stanicu ona počinje iskorištavati postojeći mehanizam stanice. Radi se o evolucionoj prilagodbi virusa koja izgleda kao dobro „smišljena“ prevara. Naime, informacija o tome kakve proteine treba stanica proizvoditi zapisana je u DNK u jezgri stanice. Ta se informacija prepisuje u jezgri s DNK na RNK, tako dobivena RNK, glasnička, odnosno messinger RNK, mRNK, izlazi iz jezgre u citoplazmu stanice. To dolazi do posebnog organela stanice, ribosoma, na kojem se niz instrukcija s mRNK prevodi u niz amino-kiselina koje čine određeni protein. RNK sa SARS-CoV-2 ulazi u citoplazmu stanice, „prevari“ i aktivira ribosom i on počinje proizvoditi proteine ali po uputstvima s RNK virusa, stvara komponente potrebne za izgradnju virusa. Tako unutar stanice, koja umire, nastaju novi virusi, probijaju membranu stanice i napadaju druge stanice u organizmu.

Slika 5. Novostvoreni virusi izlaze iz stanice

Na te napade, zapravo na strane mikroorganizme u tijelu, reagira imunološki sustav napadnutog organizma proizvodnjom specifičnih molekula proteina, antitijela, koje se mogu vezati baš za proteine tih virusa (ili bakterija, ..) koji su ušli u organizam. Imunološki sustav čuva informacije o različitim virusima (bakterijama,..) koji su organizam već napadali. Ako se takvi virusi ponovo pojave, imunološki sustav reagira brzo i antitijela koje proizvodi unište te viruse prije nego se bolest razvije. Ako se imuni sustav prvi puta susreće s određenim virusom (bakterijom, općenito antigenom; naziv je skraćenica od antibody generator, a nije etimološki vezan za gen), treba mu vremena da proizvede efikasna antitijela. Dotle se virusi, opisanom „lančanom reakcijom“, toliko razmnože da dolazi do bolesti.

Napomena: Slike su uzete iz članka How Coronavirus Hijacks Your Cells, autori Jonathan Corum i Carl Zimmer, objavljenog u New York Timesu, 13. ožujka 2020.

Ideja cijepljenja je „upoznati“ imunološki sustav s određenim virusom (ili bakterijom), a da pritom ne dođe do bolesti. To se često postiže cjepivom u kojem su umrtvljeni virusi (ili bakterije), odnosno proteini karakteristični za taj virus.

Danas je moguće promijeniti genetski kod ribonukleinske kiseline (RNK) virusa, konkretno SARS-CoV-2, tako da ta modificirana RNK, dana u cjepivu, potiče stanice cijepljene osobe da proizvode proteine karakteristične za SARS-CoV-2. To omogućuje imunološkom sustavu da „zapamti“ te proteine i u kasnijem slučaju napada virusa SARS-CoV-2 na organizam reagira brzo.

Na tom principu stvorena su cjepiva koja su počele proizvoditi velike farmaceutske kompanije.

Cjepivo Pfizer-BioNTech, a isto tako i cjepivo koje je proizvela Moderna (čije ime se ne odnosi na „modernost“; originalno se ime kompanije piše ModeRNA i odnosi se na funkciju RNK), djeluje na imunološki sustav kroz nekoliko domišljatih „trikova“. Da ih se razumije potrebno je elementarno znanje kako virus djeluje i kako na to imunološki sustav reagira; da ih se izvede potrebna je tehnologija koja graniči sa znanstvenom fantastikom.

Čovjekov imunološki sustav uključuje stotine miljardi limfocita, vrste bijelih krvnih stanica koje se nalaze u krvi i, većim dijelom, u limfi. Dvije podvrste limfocita su T-limfociti i B-limfociti. Svaka stanica B-limfocita sintetizira određenu vrstu molekula proteina. Ti proteini nalaze se na staničnoj membrani B-limfocita i funkcioniraju kao dijelići trodimenzionalne slagalice, ulažu se točno u jednu vrstu molekule proteina, njima oblikom komplementarnu. Kad B-limfocit naiđe na takav komplementarni protein spaja se s njim, kao dva odgovarajuća dijelića slagalice. Ako je to protein na virusu ili bakteriji, takvo spajanje onemogućuje djelovanje tog stranog mikro-tijela. Zato se ti proteini na membrani B-limfocita zovu antitijela. Svaka stanica B-limfocita proizvodi samo jednu vrstu antitijela. Ali obzirom na broj limfocita, postoji preko miljardu različitih antitijela. Praktički to znači da za protein na površini svakog virusa (ili bakterije) postoje B-limfociti koji nose antitijela komplementarna tom proteinu.

Spajanje antitijela s površine B-limfocita i njemu komplementarnog proteina inicira dijeljenje tog B-limfocita i, pri tome, njegovu diferencijaciju. Dio novonastalih limfocita izlučuje antitijela karakteristična za originalni B-limfocit. Brzina izlučivanja je do hiljadu antitijela u sekundi. Drugi dio su memorijske stanice, B-limfociti identični originalnom, ali s izuzetno dugim vijekom, 30 i više godina. Oni predstavljaju „spremnu“ obranu organizma ako se pojave isti proteini koji su izazvali diobu originalnog B-limfocita.

Za proizvodnju Pfizer-BioNTech cjepiva klonira se jedan manji dio RNK virusa SARS-CoV-2, dio u kojem su informacije kako proizvesti proteinske „bodlje“ na površini tog virusa.

Slika 1. Skica virusa SARS-CoV-2 s proteinskim „bodljama“ na površini i RNK virusa unutar ovojnice. Strelicom je označen dio RNK s informacijom za sintetiziranje proteina od kojeg su „bodlje“.

Svaki od tih komadića RNK upakira se u „mjehurić“ od lipida; „mjehurić“ je reda veličine virusa. Otopina s tim „mjehurićima“ daje se, kao injekcija u mišić nadlaktice, osobi koja se cijepi.

Slika2. „Mjehurić“ od lipida, organske tvari slične ulju, u koji je „zapakiran“ dijelić RNK virusa s informacijom za proizvodnju „bodlji“.

Kad „mjehurić“ dođe u kontakt s membranom stanice spoji se s njom i ispušta virusni RNK. Taj RNK aktivira ribosome u citoplazmi, organele za prevod stanične RNK u proteine za izgradnju stanice. Međutim, kako je to dio RNK virusa, za sintezu proteina od kojih su „bodlje“ na površini SARS-CoV-2, ribosomi zaražene stanice proizvode upravo te „bodlje“. Poslije očitavanja u ribosomu, dio RNK virusa koji je ušao u stanicu se raspada, a proizvedene „bodlje“ pomiču se i izbijaju na površinu zaražene stanice.

Slika 3. „Mjehurići“ iz cjepiva spajaju se s membranom stanice. RNK iz mjehurića ulazi u stanicu, ribosom prevodi informaciju koju taj dijelić RNK nosi, u proteine od kojih su bodlje na površini SARS-CoV-2. Te bodlje izbijaju na površinu stanice.

Imunološki sustav organizma reagira tako da se B-limfociti koji nose komplementarni protein, antitijelo upravo za protein od kojeg se „bodlje“, spajaju na „bodlje“. To spajanje inicira ubrzano dijeljenje i diferencijaciju tih B-limfocita; proizvodnju ogromnog broja antitijela komplementarnih proteinu „bodlji“ i kloniranje memorijskih B-limfocita koji nose antitijelo komplementarno za protein od kojeg su „bodlje“.

Slika 4. B-limfocit, s antitijelima na svojoj membrani koji se uklapaju u proteine „šiljaka“ na površini zaražene stanice, veže se za zaraženu stanicu i počinje izlučivati odgovarajuća antitijela. Na ovoj skici, s gornje strane B-limfocita zakačila se jedna vrsta T-limfocita koja potiče aktivnost B-leukocita.

Slika 5. Antitijela, proizvedena tako da budu komplementarna proteinima na površini SARS-CoV-2, vežu se za bodlje virusa i sprečavaju da se virus veže za stanicu.

Osnovna ideja ovog cjepiva je da ono zarazi kontrolirani broj stanica organizma s dijelom RNK virusa koji pokreće mehanizam stanice da proizvodi „bodlje“ virusa. „Bodlje“ virusa pokreću onda imunološki sustav organzma koji, preko memorijskih B-limfocita, zapamti vrstu proteina od kojeg su bodlje virusa. Same bodlje nemaju mogućnost repliciranja, tako da je broj zaraženih stanica maksimalno jednak broju „mjehurića“ u dozi cjepiva koju dobijemo. Za razliku od zaraze stanice virusom, gdje se virus razmnaža u stanici, novi virusi izlaze iz stanice, zaraze druge stanice i broj zaraženih stanica raste eksponencijalno.

(Neka druga cjepiva, poput onog kompanije AstraZeneca iz Engleske ili cjepivo Sputnik V iz Rusije, kao osnovni sastojak imaju virus prehlade čiji genetski kod je tako promijenjen da ti virusi proizvode i proteine karakteristične za SARS-CoV-2.)

Cjepiva koja proizvode Pfizer i ModeRNA ispitana su, svako, na preko četrdeset hiljada dobrovoljaca, nisu izazvala nikakve ozbiljne nuspojave, a pokazala su se kao učinkovita zaštita od zaraze kod 95% ispitanika. Da bi se imunološki sustav što bolje pripremio za eventualnu borbu protiv SARS-CoV-2, daju se dvije doze cijepiva u razmaku od tri tjedna. Zaštita se postiže već desetak dana nakon prve doze ali još se ne zna kako dugo će zaštita trajati.

Pfizerovo cjepivo dugotrajno se čuva na temperaturi od -70 stupnjeva C. To je zato jer je molekula mRNA, koja se daje u cjepivu, relativno nestabilna. Titranje molekula i atoma od kojih je velika molekula mRNA sastavljena, na višoj temperaturi može pokidati veze među njima. Cjepivo koje proizvodi ModeRNA dugotrajno se čuva na -30 stupnjeva C. Vjerojatno će i u Pfizeru ribonukleinsku kiselinu u svom cjepivu učiniti stabilnijom, da ne traži tako nisku temperaturu za dugotrajno cuvanje. U običnom frižideru Pfizerovo cjepivo se može čuvati do pet dana.

Rusko i englesko cjepivo bazirano je na drugačijem postupku i za njihova dugotrajna čuvanja ne trebaju posebno niske temperature.

Napomena: Slike su uzete iz članka How the Pfizer-BioNTech Vaccine Works, autori Jonathan Corum i Carl Zimmer, objavljenog u New York Timesu, 24. prosinca 2020.

Zoran Pusić
Autor 28.12.2020. u 11:14

Tacno.net Aplikacija

Aplikacija