Công nghệ virus-like particle trong sản xuất vaccine

Giới thiệu

Trong lịch sử y học, đối phó với các tác nhân gây bệnh truyền nhiễm luôn là một thách thức lớn đối với nhân loại. Từ những đại dịch cổ xưa như đậu mùa, dịch hạch cho đến những mối đe dọa hiện đại như cúm, HIV hay gần đây nhất là COVID-19, con người luôn phải chạy đua với sự tiến hóa không ngừng của virus. Các phương pháp truyền thống sử dụng virus đã bị làm yếu (giảm độc lực) hoặc đã chết (bất hoạt) để kích thích hệ miễn dịch. Tuy nhiên, những phương pháp này đôi khi tiềm ẩn rủi ro về độ an toàn, nhất là đối với những người có hệ miễn dịch suy giảm hoặc trong trường hợp virus có khả năng tái hoạt động.

Sự xuất hiện của các đại dịch mới cùng với nhu cầu cấp bách về các loại vaccine an toàn, hiệu quả và có khả năng sản xuất nhanh chóng đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm những giải pháp đột phá. Một trong những hướng đi triển vọng nhất chính là mô phỏng cấu trúc của virus mà không cần sử dụng chính virus đó. Từ đó, công nghệ phần tử giống virus (Virus-like particle – VLP) đã ra đời.

Virus-like particle là gì?

Virus-like particle hay phần tử giống virus là những hạt nano được hình thành từ sự tự lắp ráp của các protein cấu trúc của virus. Điểm khác biệt cốt lõi giữa VLP và virus thực thụ là VLP thiếu bộ gen (ADN hoặc ARN). Bởi vì thiếu vật chất di truyền, VLP không có khả năng tự nhân bản hoặc gây bệnh trong cơ thể vật chủ.

Cấu trúc của VLP mô phỏng chính xác lớp vỏ ngoài (capsid) của virus. Các protein cấu trúc này sắp xếp theo một trật tự hình học xác định, thường là dạng hình khối đa diện hoặc dạng xoắn ốc. Sự sắp xếp lặp đi lặp lại của các kháng nguyên trên bề mặt VLP tạo ra một tín hiệu mạnh mẽ đối với các tế bào miễn dịch, nên cơ thể nhận diện được kẻ xâm nhập hiệu quả hơn so với các protein đơn lẻ.

Phân loại

Dựa trên cấu trúc và độ phức tạp, VLP được chia thành ba loại chính:

VLP không có màng bọc (Non-enveloped VLP)

Đây là dạng đơn giản nhất của phần tử giống virus, được cấu tạo hoàn toàn từ một hoặc nhiều loại protein cấu trúc tự lắp ráp. Những hạt này không có lớp màng lipid bao quanh. Do cấu trúc thuần protein, chúng thường rất bền vững với các tác động từ môi trường như nhiệt độ hay độ pH. Các ví dụ điển hình bao gồm VLP của virus gây u nhú trên người (HPV) hay virus viêm gan B (HBV).

VLP có màng bọc (Enveloped VLP)

Loại này có cấu trúc phức tạp hơn nhiều, bao gồm một lõi protein được bao bọc bởi một lớp màng lipid (lipid bilayer) lấy từ tế bào chủ trong quá trình hạt được giải phóng ra ngoài. Trên lớp màng này thường gắn các protein gai (glycoprotein) có vai trò quan trọng để nhận diện tế bào đích. Các virus như cúm, HIV hay SARS-CoV-2 thuộc nhóm có màng bọc. Quá trình tạo ra các VLP có màng bọc đòi hỏi các hệ thống biểu hiện tế bào bậc cao như tế bào động vật có vú hoặc tế bào côn trùng để đảm bảo lớp màng lipid và các protein gai được hình thành đúng cách.

VLP lai (Chimeric VLP)

Đây là những hạt nano được thiết kế nhân tạo bằng cách kết hợp các thành phần từ các loại virus khác nhau. Các nhà khoa học có thể sử dụng khung của một loại virus an toàn và gắn lên bề mặt nó các kháng nguyên của một loại virus gây bệnh nguy hiểm. Phương pháp này cho phép tạo ra các loại vaccine đa năng có khả năng bảo vệ cơ thể chống lại nhiều loại bệnh cùng một lúc hoặc tăng cường phản ứng miễn dịch đối với các kháng nguyên vốn khó nhận diện.

Cơ chế kích thích hệ miễn dịch của VLP

Khi đi vào cơ thể, VLP được các tế bào trình diện kháng nguyên (APC) như tế bào tua (dendritic cell) nhận diện. Do có kích thước nano (thường từ 20 đến 200 nm), VLP dễ dàng di chuyển đến các hạch bạch huyết, nơi tập trung nhiều tế bào miễn dịch.

Tại đây, cấu trúc bề mặt lặp đi lặp lại của VLP liên kết mạnh mẽ với các thụ thể trên bề mặt tế bào B để kích hoạt quá trình sản xuất kháng thể. Đồng thời, VLP cũng được các tế bào tua thu nhận vào và trình diện cho các tế bào T, từ đó phản ứng miễn dịch tế bào mạnh mẽ được tạo ra. Sự kết hợp giữa miễn dịch dịch thể (kháng thể) và miễn dịch tế bào giúp cơ thể có khả năng bảo vệ toàn diện và lâu dài chống lại virus thực thụ.

Qui trình sản xuất virus-like particle

Qui trình sản xuất VLP là một chuỗi các bước công nghệ sinh học phức tạp, bao gồm:

• Xác định và cô lập gen: bước đầu tiên là xác định các gen mã hóa cho các protein cấu trúc quan trọng của virus mục tiêu. Những protein này chịu trách nhiệm hình thành vỏ ngoài của virus.
• Chuyển gen vào hệ thống biểu hiện: các gen đã được cô lập sau đó được đưa vào một hệ thống tế bào chủ có khả năng sản xuất protein. Các hệ thống biểu hiện này có thể là vi khuẩn, nấm hoặc tế bào động vật có vú. Tùy theo mức độ phức tạp của VLP cần sản xuất, người ta sẽ chọn hệ thống biểu hiện phù hợp.
• Biểu hiện protein: trong hệ thống tế bào chủ, các gen được phiên mã và dịch mã để tạo ra một lượng lớn các protein cấu trúc của virus.
• Tự lắp ráp (self-assembly): một trong những đặc tính kì diệu của VLP. Khi được sản xuất đủ số lượng và trong điều kiện môi trường thích hợp (pH, nhiệt độ, nồng độ muối), các protein cấu trúc sẽ tự động sắp xếp và lắp ráp lại với nhau để hình thành các hạt VLP có cấu trúc ba chiều ổn định, giống hệt vỏ virus tự nhiên.
• Thu hoạch và tinh chế: sau khi hình thành, các hạt VLP được thu hoạch từ môi trường nuôi hoặc từ bên trong tế bào chủ. Tiếp theo, một qui trình tinh chế nghiêm ngặt được thực hiện để loại bỏ tạp chất từ tế bào chủ, các protein không mong muốn hoặc mảnh vỡ tế bào. Mục tiêu là thu được các hạt VLP có độ tinh khiết cao nhất nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các ứng dụng y tế.

Các hệ thống sản xuất virus-like particle

Hệ thống vi khuẩn (Escherichia coli)

Vi khuẩn E. coli là lựa chọn hàng đầu nhờ chi phí thấp, tốc độ sinh trưởng cực nhanh và qui trình vận hành đơn giản. Tuy nhiên, vi khuẩn thiếu các cơ chế sửa đổi protein sau dịch mã phức tạp (như gắn thêm đường – glycosylation). Do đó, hệ thống này chủ yếu được dùng để sản xuất các VLP không có màng bọc đơn giản. Một thách thức của hệ thống này là khó loại bỏ các độc tố nội bào (endotoxin) của vi khuẩn để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Hệ thống nấm men (Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris)

Nấm men kết hợp được ưu điểm dễ nuôi cấy của vi khuẩn (dễ nuôi cấy) và khả năng sử đổi protein của tế bào bậc cao. Đây là hệ thống đã sản xuất thành công vaccine viêm gan B và vaccine HPV thương mại đầu tiên. Nấm men có khả năng tạo ra các hạt VLP với số lượng lớn và độ ổn định cao, phù hợp cho sản xuất qui mô công nghiệp.

Hệ thống tế bào côn trùng (Baculovirus Expression Vector System – BEVS)

Đây là một trong những hệ thống phổ biến nhất để tạo ra các VLP phức tạp. Bằng cách sử dụng virus Baculovirus để đưa gen vào tế bào côn trùng, các nhà khoa học có thể tạo ra các hạt VLP có màng bọc với cấu trúc rất gần với virus tự nhiên. Hệ thống này cho phép sản xuất đồng thời nhiều loại protein khác nhau để chúng tự lắp ráp thành các hạt đa thành phần.

Hệ thống tế bào động vật có vú (Mammalian cell)

Đây là hệ thống tối ưu nhất về mặt sinh học vì các protein được tạo ra sẽ có cấu trúc và các sửa đổi hóa học hoàn toàn giống với protein trong cơ thể người. Tuy nhiên, chi phí vận hành cao và tốc độ sản xuất chậm là những rào cản chính của phương pháp này.

Hệ thống thực vật (Plant-based system)

Sử dụng cây thuốc lá hoặc các loại thực vật khác để sản xuất VLP là một hướng đi mang tính đột phá. Phương pháp này cực kì an toàn bởi vì virus thực vật không gây bệnh cho người, đồng thời chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng thấp hơn nhiều so với các phòng thí nghiệm sinh học truyền thống. Vaccine cúm từ thực vật đã cho thấy những kết quả rất khả quan trong các thử nghiệm lâm sàng.

Sau khi các protein được tế bào sản xuất, chúng sẽ tự động lắp ráp thành các hạt VLP trong môi trường thích hợp. Công đoạn cuối cùng là tinh chế để loại bỏ các tạp chất từ tế bào chủ nhằm đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt độ tinh khiết cao nhất cho mục đích y tế.

Ưu điểm của VLP

Trước khi có VLP, các loại vaccine truyền thống chủ yếu bao gồm virus sống giảm độc lực (đã làm yếu) hoặc virus bất hoạt (đã giết chết). Mặc dù hiệu quả, chúng vẫn còn những nhược điểm nhất định. Virus sống có thể quay trở lại trạng thái gây bệnh trong một số trường hợp hiếm gặp, còn virus bất hoạt đôi khi không tạo ra phản ứng miễn dịch đủ mạnh.

VLP giải quyết được cả hai vấn đề này nhờ những ưu điểm vượt trội:

• Độ an toàn tuyệt đối: vì không chứa bộ gen, VLP không thể gây nhiễm trùng hay đột biến gen trong cơ thể người nhận. Đặc điểm này cực kì quan trọng đối với các đối tượng nhạy cảm như trẻ em, người già hoặc người bị suy giảm miễn dịch.
• Khả năng kích thích miễn dịch mạnh mẽ: cấu trúc đa diện và lặp lại của các protein trên bề mặt VLP giúp hệ miễn dịch nhận diện dễ dàng và tạo ra phản ứng bảo vệ lâu dài.
• Tính linh hoạt: người ta có thể gắn thêm kháng nguyên từ các loại bệnh khác nhau lên bề mặt VLP nhằm tạo ra những loại vaccine đa năng.

Thách thức trong phát triển và sản xuất VLP

Mặc dù có nhiều ưu điểm, quá trình đưa VLP từ phòng thí nghiệm ra thị trường không phải là điều dễ dàng. Một trong những thách thức lớn nhất là độ ổn định của hạt. VLP là những cấu trúc protein phức tạp, chúng có thể bị phân rã hoặc kết tụ lại với nhau nếu điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ pH, nồng độ muối) không được kiểm soát chặt chẽ.

Ngoài ra, qui trình tinh chế VLP cũng rất tốn kém và phức tạp. Tách biệt các hạt VLP hoàn chỉnh khỏi các mảnh vỡ protein và các thành phần của tế bào chủ đòi hỏi các kĩ thuật lọc và sắc kí tiên tiến. Ngoài ra, đảm bảo tính đồng nhất của các hạt trong mỗi lô sản xuất là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu quả và an toàn của vaccine.

Các ứng dụng lâm sàng tiêu biểu

Hiện nay, công nghệ VLP đã được ứng dụng thành công trong nhiều loại vaccine thương mại đang cứu sống hàng triệu người mỗi năm.

Vaccine viêm gan B (HBV)

Đây là loại vaccine VLP đầu tiên được phê duyệt. Vaccine này sử dụng kháng nguyên bề mặt của virus viêm gan B (HBsAg) tự lắp ráp thành các hạt nano. Loại vaccine này đã giảm đáng kể tỉ lệ mắc bệnh viêm gan B và ung thư gan trên toàn thế giới.

Vaccine virus gây u nhú trên người (HPV)

Vaccine HPV (như Gardasil và Cervarix) là một trong những thành tựu rực rỡ nhất của công nghệ VLP. Virus HPV là nguyên nhân chính gây ra ung thư cổ tử cung và nhiều loại bệnh lí khác. Tuy nhiên, nuôi cấy virus HPV trong phòng thí nghiệm để sản xuất vaccine truyền thống là cực kì khó khăn. Công nghệ VLP đã giải quyết triệt để vấn đề này. Bằng cách sử dụng protein L1 (protein cấu trúc chính của vỏ virus), người ta đã tạo ra các hạt VLP có hình dạng giống hệt virus HPV thực thụ. Khi được tiêm vào cơ thể, các hạt này kích thích hệ miễn dịch tạo ra lượng kháng thể bảo vệ cực lớn để ngăn chặn sự xâm nhập của virus HPV ngay từ giai đoạn đầu. Thành công của vaccine HPV đã chứng minh rằng VLP là một nền tảng an toàn và hiệu quả để đối phó với những loại virus khó nuôi cấy.

Vaccine phòng chống sốt rét và các bệnh mới nổi

Gần đây, vaccine sốt rét đầu tiên trên thế giới (Mosquirix) cũng sử dụng nền tảng VLP. Ngoài ra, trong đại dịch COVID-19, nhiều ứng viên vaccine dựa trên VLP cũng đã được phát triển và thử nghiệm, kết quả này cho thấy tiềm năng ứng phó nhanh chóng với các tác nhân gây bệnh mới.

Lời kết

VLP là giải pháp mô phỏng virus nhưng không gây bệnh nhờ đã loại bỏ vật liệu di truyền. Chính đặc điểm an toàn này giúp VLPs được ứng dụng rộng rãi trong y học hiện đại, từ ngừa bệnh truyền nhiễm đến phát triển các liệu pháp điều trị mới. Với những lợi ích thực tế đã được chứng minh, công nghệ VLP sẽ nắm giữ vị trí ngày càng trọng yếu trong qui trình chăm sóc sức khỏe con người.