ในช่วงสองปีที่ผ่านมา วัคซีนที่ผลิตด้วยเทคโนโลยี mRNA ได้เข้ามามีบทบาทและเป็นที่ต้องการของคนทั่วโลกในเรื่องของประสิทธิภาพการป้องกันไวรัส COVID-19 ปัจจุบันเทคนิค non-viral vector โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้อนุภาคนาโนห่อหุ้ม mRNA ที่มีขนาดใกล้เคียงกับตัวไวรัสและเข้าถึงเซลล์เป้าหมายได้อย่างจำเพาะถูกผลิตและนำไปช่วยเหลือผู้ติดเชื้อได้อย่างมีประสิทธิภาพ ฉะนั้นนอกเหนือจากลำดับรหัสพันธุกรรมที่แม่นยำและกลไกการแสดงออกของโปรตีนภายในเซลล์เป้าหมายแล้ว เทคโนโลยีการออกแบบระบบนำส่ง mRNA ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน [1]
อนุภาคนาโนไขมัน (lipid nanoparticle) ได้รับการพัฒนาเพื่อผลิตวัคซีน COVID-19 แทนที่การใช้
ลิโบโซม (liposome) ซึ่งถูกย่อยสลายในร่างกายได้ง่าย ขาดความจำเพาะต่อเซลล์เป้าหมาย และที่สำคัญโครงสร้างภายในซึ่งมีสองชั้นที่แตกต่างกันจึงมักส่งผลต่อความคงตัวของ mRNA ดังนั้น การออกแบบโครงสร้างภายในอนุภาคนาโนไขมันเพื่อนำส่ง mRNA จากบริษัทชั้นนำอย่าง Pfizer-BioNtech และ Moderna สามารถแยกส่วนประกอบที่สำคัญได้ดังต่อไปนี้
– ไขมันประจุบวก (Ionizable lipid หรือ cationic lipid) ประกอบไปด้วยสามส่วนหลักๆ คือส่วนที่มีหมู่เอมีนที่สามารถแตกตัวได้ ส่วนไขมันซึ่งไม่ชอบน้ำ และส่วนที่ทำหน้าที่เชื่อมต่อ (spacer) ระหว่างส่วนที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำ โดยการเตรียมวัคซีนขั้นแรกจะทำให้ไขมันประจุบวกแตกตัวในสภาพที่เป็นกรดเพื่อให้ประจุบวกเข้าไปจับประจุลบของสาย mRNA จนเกิดโครงสร้างซับซ้อนภายในอนุภาคนาโนไขมันที่เรียกว่า “Lipoplex” ซึ่งช่วยกักเก็บ mRNA ได้ดีขึ้น จากนั้นประจุภายนอกของอนุภาคนาโนไขมันจะกลับมาเป็นกลางอีกครั้งเมื่อฉีดเข้าไปอยู่ในกระแสเลือดเพื่อลดความเป็นพิษ แต่เมื่อไรที่อนุภาคนาโนไขมันเข้าสู่ภายในเซลล์ได้แล้วจะมีประจุบวกอีกครั้งภายในเอ็นโดโซมส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในจนปลดปล่อย mRNA เป็นอิสระออกมาในไซโทพลาสซึม สุดท้าย mRNA ก็ได้ทำหน้าแปลรหัสพันธุกรรมเพื่อสร้างโปรตีนต่อไป [2]
– ไขมันผู้ช่วย (helper lipid) ได้แก่อนุพันธ์ของฟอสโฟลิปิด (phospholipids) จะช่วยเพิ่มความคงตัวให้แก่โครงสร้างอนุภาคนาโนไขมันและยังช่วยในการหลอมรวมเข้ากับเยื่อหุ้มเซลล์ของร่างกายได้ง่ายขึ้น
– คอเลสเตอรอล (Cholesterol) จะเป็นตัวควบคุมและรักษาความแข็งแรงภายในโครงสร้างอนุภาคนาโนไขมันให้มีความยืดหยุ่นที่พอเหมาะสำหรับการบรรจุ mRNA ไว้ข้างใน รวมถึงการช่วยให้เข้ากันได้ดีในการหลอมรวมเข้ากับเยื่อหุ้มเซลล์ของร่างกาย
– PEGylated lipids ไขมันชนิดหนึ่งที่เชื่อมกับสายของ polyethylene glycol (PEG) ที่ละลายน้ำได้ซึ่งติดอยู่กับส่วนหัวของไขมันและส่วนที่ไม่ละลายน้ำจะแทรกตัวในโครงสร้างอนุภาคนาโนไขมัน โดยจะช่วยควบคุมขนาดอนุภาคเพื่อป้องกันการจับเป็นก้อนแล้วตกตะกอนระหว่างการเก็บรักษา และยังช่วยหลบหลีกโปรตีนจากระบบภูมิคุ้มกันทำให้ไม่ให้ถูกกำจัดออกจากร่างกายได้โดยง่าย [3]
ในการพัฒนาสูตรวัคซีน COVID-19 ของบริษัท Pfizer-BioNtech และ Moderna จะใช้อัตราส่วนเป็น (46.3: 1.6: 42.7: 9.4) และ (50: 1.5: 38.5 :10) ตามลำดับ โดยอนุภาคนาโนไขมันมีขนาดอยู่ที่
80 – 100 nm และมีจำนวน mRNA 100 โมเลกุลโดยประมาณ [4] ดังนั้นจะเห็นได้ว่ากว่าจะพัฒนามาถึงจุดนี้ได้นั้นจำเป็นต้องวิจัยศึกษาปัจจัยต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง อาทิเช่น สัดส่วนที่เหมาะสม ประสิทธิภาพการกับเก็บ mRNA ขนาดและประจุพื้นผิว ซึ่งหากมีปัจจัยใดที่มีอัตราส่วนไม่เหมาะสมก็จะส่งผลต่อประสิทธิภาพและความเป็นพิษของอนุภาคนาโนไขมันที่พัฒนาขึ้นมาโดยทันที
Picture 1 : โครงสร้างและส่วนประกอบของอนุภาคนาโนไขมันในระบบนำส่ง mRNA วัคซีน Ref. [5]