Vaccine có nguồn gốc thực vật và tiềm năng ứng dụng

Vaccine từ lâu được xem là phương thức hiệu quả nhằm ngăn ngừa các bệnh lý nguy hiểm. Cơ chế hoạt động của vaccine là hình thành khả năng miễn dịch với tác nhân gây bệnh bằng cách đưa vào cơ thể một dạng “virus đặc biệt” đã được làm yếu (hầu như không có khả năng gây bệnh). Đây là phương pháp điều trị an toàn và đóng vai trò chủ đạo trong công tác kiểm soát dịch bệnh trên thế giới. Tuy nhiên, phần lớn các vaccine hiện hành đều gây đáp ứng miễn dịch bằng con đường tiêm, vì thế tạo ra nhiều bất cập trong tiếp cận và bảo quản nguồn vaccine ở những nước nghèo. Gần đây, sử dụng vaccine có nguồn gốc từ thực vật được ghi nhận là một trong những cách tiếp cận  mới giúp tiết kiệm chi phí sản xuất, rút gọn khâu quản lý…

Công nghệ phát triển vacxin có nguồn gốc từ thực vật

Trong một phần tư thế kỷ qua, công nghệ kỹ thuật di truyền thực vật đã tiến bộ vượt bậc. Barta và các đồng nghiệp là những người đầu tiên phiên mã gen chimeric của nopaline synthase và hormon tăng trưởng ở người trong cây hướng dương và cây thuốc lá bằng cách sử dụng Ti plasmid (Barta et al, 1986). Ngay sau đó, kháng thể đơn dòng của chuột được sản xuất và lắp ráp chức năng trong các đoạn lá của cây thuốc lá (Hiatt et al, 1989). Trypsin bò được sản xuất trong ngô, TrypZean (Sigma-Aldrich), đã có mặt trên thị trường từ năm 2002. TrypZean đặc biệt hữu ích trong nuôi cấy tế bào động vật vì nó không có chất gây ô nhiễm có nguồn gốc động vật. Protalix- một công ty của Israel đã phát triển một phương pháp sản xuất dược phẩm sinh học dựa trên thực vật trong tế bào cà rốt hoặc thuốc lá chuyển gen được nuôi cấy (Van Dussen et al, 2013; Zimran et al, 2011).

Một số loại cây trồng như thuốc lá, lúa gạo, ngô, khoai tây, cà chua, cà rốt, lạc và đậu tương đã được đề xuất để sản xuất vaccine thực vật. Đây đều là những đối tượng nghiên cứu phổ biến, đã nắm rõ thông tin di truyền (hệ gen nhân và hệ gen tế bào chất), quy trình chuyển gen cũng như phương pháp nuôi cấy tế bào, không chứa độc tố, dễ tìm và trồng tại địa phương. Hơn nữa, để tạo ra thực vật sản xuất protein tái tổ hợp (vaccine), các gen tái tổ hợp cần phải có mức độ biểu hiện cao, đảm bảo tính an toàn của protein tái tổ hợp để sử dụng ở người hoặc động vật. Sản xuất vaccine có nguồn gốc thực vật chủ yếu dựa trên việc đưa gen kháng nguyên vào thực vật thông qua các công cụ ADN tái tổ hợp, như biến nạp gen nhân nhờ Agrobacterium, chuyển gen vào lục lạp, biểu hiện tạm thời. Cụ thể:

Biến nạp gen nhân nhờ Agrobacterium: Các công nghệ tái tổ hợp thực vật không ngừng được cải tiến và đa dạng hoá (Hefferon, 2014). Các gen có thể được đưa vào cây trực tiếp hoặc bằng cách sử dụng vi khuẩn gram âm Agrobacterium. Đây là phương pháp truyền thống trong nghiên cứu chức năng gen ở thực vật nói chung. Ngân hàng các dòng chuyển gen mang vector biểu hiện liên tục gen mục tiêu sẽ được xây dựng nhằm sử dụng các cây chuyển gen tổng hợp vaccine một cách ổn định. Tuy nhiên, sự phát triển của những dòng chuyển gen tốn rất nhiều thời gian và có thể bị ảnh hưởng bởi cơ chế làm câm lặng gen (gene silencing), tổn thương hệ gen vật chủ hoặc gây ra sự phát tán gen chuyển ra môi trường.

Chuyển gen vào lục lạp: hiện đã có công nghệ mới nhắm vào bộ gen lục lạp thay vì bộ gen hạt nhân. Lục lạp có nguồn gốc từ vi khuẩn lam được kết hợp với tảo. Hệ gen lục lạp thường chỉ chứa khoảng 100-250 gen, có khả năng di truyền theo dòng mẹ, vì vậy phù hợp cho việc tạo ra thực vật sản xuất vaccine một cách ổn định mà không cần chuyển gen qua thụ phấn nhờ hạt phấn. Đến nay, hệ gen lục lạp của một số loài như thuốc lá, cà rốt, dạ yếu thảo và xà lách đã được sử dụng phổ biến để tổng hợp protein tái tổ hợp .

Biểu hiện tạm thời thông qua các vector biểu hiện virus thực vật: điểm mạnh của phương pháp này là sử dụng các vector virus thực vật có biểu hiện tạm thời như virus khảm thuốc lá (TMV), virus khảm đậu đũa (CPMV) và virus khoai tây (PVX), có khả năng sao chép tốt trong cây chủ, dẫn đến hiệu suất tổng hợp vaccine cao. Tuy nhiên, những virus tái tổ hợp này có thể truyền nhiễm sang các loài thực vật khác, gây phát tán nguồn gen tái tổ hợp ra môi trường. Đến nay, vector virus thế hệ thứ hai đã được phát triển không những an toàn hơn trong môi trường tự nhiên mà còn thích hợp cho rất nhiều gen kháng nguyên. Các vector này được xây dựng dựa trên hệ thống xâm nhập có số lượng phần tử virus tối thiểu cần thiết để tiến hành sao chép vector, trong khi các chức năng khác được lấy từ thành phần không phải virus

Công nghệ xâm nhiễm sử dụng trong biểu hiện tạm thời: đây là một kỹ thuật phát triển từ phương pháp biểu hiện tạm thời truyền thống. Các nhà khoa học đã tiến hành “xâm nhiễm nông học” hoặc sử dụng hệ thống magnifection để “tiêm” Agrobacterium vào lá cây thuốc lá hoặc Arabidopsis. Kết quả đã tạo ra các dạng hạt tương tự virus bên trong các mô tế bào bị xâm nhiễm. Các vaccine tổng hợp trong mô tế bào này sau đó có thể được đồng hóa trực tiếp hoặc tinh chế thành dạng viên uống. Tuy nhiên, các sản phẩm hiện vẫn đang trong quá trình thử nghiệm nhằm đánh giá mức độ an toàn và độc tính của hạt tương tự virus trên động vật.

VLP: virus like particle

Hình 1. Công nghệ chuyển gen thực vật – ưu và nhược điểm

Ưu nhược điểm của Vaccine có nguồn gốc thực vật

Ưu điểm:

• Có khả năng cung ứng lớn, hiệu suất tổng hợp cao.
• Có thể phát triển thành dạng vaccine “ăn được” hoặc “uống được”, giảm bớt việc tiêm phòng.
• An toàn hơn vaccine truyền thống vì các protein này không chứa các tác nhân gây bệnh “sống”.
• Chi phí sản xuất thấp.
• Kỹ thuật chiết tách dễ dàng hơn so với chiết tách trên động vật, do đó phù hợp với các nước có nền kinh tế thấp.

Nhược điểm:

• Có thể không sử dụng được cho các trẻ sơ sinh.
• Liều lượng của vaccine thực vật trong cây (năng suất biểu hiện kháng nguyên) có thể thay đổi theo độ tuổi của cây, kích thước sản phẩm).
• Nếu kiểm soát không tốt có thể xảy ra vấn đề môi trường do phát tán nguồn gen.
• Vaccine thực vật có thể bị ô nhiễm bởi thuốc từ bệnh hại trên cây.

Vaccin ngừa Covid 19 có nguồn gốc thực vật

Tình trạng thiếu vaccine COVID-19 đang là một vấn đề nan giải trên thế giới, đặc biệt trong bối cảnh biến thể Delta đang lây lan rất nhanh chóng. Các hãng dược phẩm đang phải chạy đua với thời gian để sản xuất vaccine, nhiều phòng thí nghiệm cũng đang làm việc ngày đêm để phát triển các loại vaccine mới.

Công ty dược phẩm GlaxoSmithKline GSK và nhà sản xuất vaccine Canada Medicago đã báo cáo kết quả đầy hứa hẹn từ thử nghiệm lâm sàng giai đoạn 2 đối với vaccine ngừa Covid có nguồn gốc từ thực vật. Nghiên cứu cho thấy những người tham gia có lượng kháng thể nhiều hơn 10 lần so với những bệnh nhân đã hồi phục sau Covid-19.  Báo cáo cho thấy không có phản ứng phụ nghiêm trọng nào cho những người tham gia thử nghiệm. Phase III của thử nghiệm sẽ bắt đầu vào tháng 3 năm 2022, với sự tham gia của các tình nguyện viên ở Canada, Hoa Kỳ, Vương Quốc Anh và Brazil.

Ông Gonzalo Perez Marc, Giám đốc khoa học tại Công ty dược phẩm Medicago, Canada, nói: “Đây là lần đầu tiên một vaccine dựa trên thực vật được phát triển. Trong thực vật có loại ADN giúp kích hoạt sản sinh loại protein gai giống với virus SARS-CoV-2 nhưng không có khả năng lây nhiễm. Chúng tôi dùng protein này trong vaccine và thêm vào đó một số chất bổ trợ làm tăng cường đáp ứng miễn dịch của cơ thể, giúp tạo ra nhiều kháng thể hơn“.

Kết quả nghiên cứu sơ bộ cho thấy, vaccine gốc thực vật có thể giúp sản sinh lượng kháng thể nhiều gấp tới 50 lần các loại vaccine thông thường. Các nhà khoa học cho rằng, các kết quả ban đầu là đầy hứa hẹn, vừa thân thiện với môi trường lại tiêu tốn ít chi phí và dễ sản xuất hơn vaccine thông thường, có thể giúp giải quyết vấn đề thiếu vaccine hiện nay.

Lược dịch

ThS. Nguyễn Khánh Thuỳ Linh

Tài liệu tham khảo

Natsumi Takeyama, Hiroshi Kiyono, Yoshikazu Yuki (2015), Plant-based vaccines for animals and humans: recent advances in techhnology and clinical trials, Ther Adv Vaccines, 3(5-6), 139-154.