Thực vật và cánh đồng vaccine

 

Việc sản xuất vaccine thông thường rất phức tạp, tốn kém và chỉ có một vài nước mới đủ nhân lực, vật lực và công nghệ để sản xuất. Việc vận chuyển, phân phối vaccine đến những nơi có hạ tầng kém cũng đầy rào cản. “Nhiều nhà khoa học tin rằng giải pháp cho vấn đề này chính là sử dụng thực vật để tạo vaccine” - tạp chí National Geographic ngày 8-7 viết.

Bài toán lịch sử

Theo bài viết “Vaccine sau này có thể được trồng ở nông trại thuốc lá” trên National Geographic, công nghệ làm vaccine từ thực vật không mới; bằng chứng khả thi của việc này đã có từ khoảng 30 năm trước, khi các nhà khoa học dùng khoai tây, gạo, cải bó xôi, bắp và các loại cây khác để làm vaccine ngừa sốt xuất huyết, bại liệt, sốt rét và bệnh dịch hạch. Chỉ có điều, không có công trình nghiên cứu nào trong số này tiến xa đến khâu thử nghiệm lâm sàng giai đoạn cuối.

Theo chuyên gia nghiên cứu công nghệ sinh học Kathleen Hefferon, hiện là giáo sư vi sinh vật học tại Đại học Cornell, nguyên nhân có thể là do thiếu khung pháp lý cho dược phẩm có nguồn gốc thực vật hoặc sự nghi ngại trong việc đầu tư vào các công nghệ sinh học mới nổi. Tình hình những năm gần đây đã khác.

Nhiều trường đại học, start-up công nghệ sinh học và chính phủ đã phối hợp với nhau và rót tiền vào để mở rộng lĩnh vực này. Chính phủ Hàn Quốc đã đầu tư 13,5 tỉ USD cho nghiên cứu vaccine từ thực vật, và cơ sở chế tạo đầu tiên của nước này dự kiến sẽ mở cửa vào tháng 10 tới. Theo National Geographic, thị trường vaccine từ thực vật được dự báo sẽ tăng từ 40 triệu USD hiện nay lên 600 triệu USD trong vòng 7 năm tới.

Năm 2006, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ phê chuẩn một loại vaccine có nguồn gốc thực vật để ngừa bệnh Newcastle trên gia cầm. Tuy vẫn chưa có loại vaccine dựa trên thực vật nào được phê chuẩn để dùng cho người, nhiều dự án đang tiếp tục đầy triển vọng.

Tháng 12-2020, Kentucky BioProcessing, công ty công nghệ sinh học đóng tại Mỹ của Hãng thuốc lá BAT (Anh), loan báo vaccine dựa trên thực vật ngừa COVID-19 của hãng này đã bước vào thử nghiệm lâm sàng giai đoạn 1. Cách đó 1 tháng, Công ty Icon Genetics (Nhật) cũng bắt đầu thử nghiệm lâm sàng giai đoạn 1 với vaccine có nguồn gốc thực vật để ngừa norovirus (virus dạ dày và ruột).

Tiến xa nhất là vaccine có nguồn gốc thực vật ngừa COVID-19 của Công ty công nghệ sinh học Medicago (Canada), hiện đang thử nghiệm lâm sàng giai đoạn 3. Medicago cho biết vaccine ngừa COVID-19 sử dụng công nghệ VLP (virus-like particle, phần tử giống virus nhưng không gây nhiễm bệnh), chứa VLP giống SARS-CoV-2, kết hợp với tá chất của GSK để kích thích hệ miễn dịch.

Vaccine ngừa cúm từ nguồn thực vật của hãng này cũng đã hoàn tất các giai đoạn thử nghiệm lâm sàng và đang chờ phê chuẩn cuối cùng từ Chính phủ Canada, theo giám đốc y tế Công ty Brian Ward.

Hefferon cho rằng những thành công nói trên mở toang cánh cửa cho các bước tiến triển khác trong việc phát triển vaccine từ thực vật. “Ngành sản xuất vaccine từ thực vật phát triển chậm mà chắc. Chúng ta đã đạt đến giai đoạn mà việc tạo ra vaccine ngừa COVID-19 hoàn toàn khả thi và có thể làm được nhanh chóng… có thể tạo ra hàng chục triệu liều vaccine trong vòng 6 tháng tới hay khoảng đó” - Hefferon nói.

Lò phản ứng sinh học tự nhiên

Ngoài chuyện thiếu thốn nguyên phụ liệu, khâu đầu tiên trong quá trình sản xuất vaccine đã là một thách thức không nhỏ: tạo kháng nguyên - các phân tử kích thích hệ miễn dịch của con người chống lại một loại virus hay vi khuẩn nhất định. Các kháng nguyên phổ biến bao gồm virus bất hoạt, vi khuẩn, độc tố hay các protein của virus và vi khuẩn như protein gai của virus SARS-CoV-2.

Với các vaccine sử dụng công nghệ mRNA như của Pfizer-BioNTech và Moderna, các mẩu vật liệu di truyền (có vai trò hướng dẫn tế bào của con người để tạo ra protein gai của virus corona, từ đó kích hoạt hệ miễn dịch) cũng cần được sản xuất hàng loạt trong các cơ sở đắt tiền trước khi làm sạch, tinh chế thành thành phẩm.

Các kháng nguyên trong điều chế vaccine thông thường được tạo ra trong điều kiện nghiêm ngặt của phòng lab bằng cách để các tế bào (từ thận khỉ, côn trùng, buồng trứng chuột hamster...) nhiễm virus hoặc một phần của đoạn mã gene virus. Các dòng tế bào này sẽ được tiếp tục được nuôi cấy trong lò phản ứng sinh học từ vài ngày đến vài tuần, sau đó trải qua quy trình tinh chế phức tạp và mất nhiều thời gian trước khi đóng ống.

Thách thức ở đây là các lò phản ứng sinh học rất đắt tiền, đòi hỏi phải có nhân sự được đào tạo bài bản điều hành, và nguy cơ nhiễm khuẩn cao, vì thế các lò dùng để nuôi cấy những loại kháng nguyên khác nhau phải được đặt ở các khu vực riêng biệt và được kiểm soát chặt chẽ trong môi trường vô trùng.

“COVID-19 cho ta thấy ta không có đủ năng lực sản xuất toàn cầu để làm vaccine cho tất cả mọi người” - John Tregoning, chuyên gia nghiên cứu bệnh truyền nhiễm tại Đại học Imperial (Anh), nói với National Geographic. Bộ Quốc phòng Mỹ ước tính cần tốn 1,5 tỉ USD để vận hành một cơ sở chỉ làm được 3 loại vaccine khác nhau trong 25 năm.

Nhà máy vaccine thực vật sẽ loại bỏ sự cần thiết của lò phản ứng sinh học vì bản thân thực vật đã là một lò phản ứng như thế. Ta có thể trồng cây trong các nhà kính - nơi khí hậu được kiểm soát, ngăn được sâu bọ và không cần phải vô trùng.

 

National Geographic mô tả quang cảnh tại nhà kính của Hãng Medicago ở Raleigh, bang North Carolina: Hai cánh tay robot bê một khay thép chứa 126 cây non của Nicotiana benthamiana, một loài cây bản địa Úc, “bà con” gần với cây thuốc lá. Chỗ cây non này sau đó được đổ vào một chậu kim loại có chứa chất lỏng, trong đó gồm hàng triệu Agrobacterium tumefaciens - nhóm vi khuẩn lây nhiễm tự nhiên cho cây trồng. Các vi khuẩn này đã được chỉnh sửa để chứa một mẩu nhỏ ADN từ virus cúm hoặc virus SARS-CoV-2.

Khi cây đang ngập trong chất lỏng, một máy hút nhỏ sẽ hướng vào phần rễ để lá cụp xuống và nhăn lại. Sau đó vài giây, máy hút ngừng, lá bung trở lại và hấp thụ toàn bộ chỗ agrobacteria; các vi khuẩn được truyền dẫn xuyên suốt toàn bộ cấu trúc của cây. Thế là chỉ trong vòng vài phút, những cái cây Nicotiana benthamiana đã được biến đổi thành các lò phản ứng sinh học mini.

Vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens sẽ truyền AND của virus vào tế bào của cây; các tế bào sẽ sao chép chúng thành hàng triệu VLP giống virus corona, có vai trò như kháng nguyên nhưng không gây lây nhiễm.

Theo Brian Ward, sau khi được “nhúng vi khuẩn”, số cây đó sẽ được đưa vào nhà kính và sau 5 - 6 tuần, lá được thu hoạch, cho vào dây chuyền, băm nhuyễn và lại “tắm” qua enzyme để phá vỡ bức tường tế bào, giải phóng hàng triệu VLP. Chúng sẽ tiếp tục được tinh chế và đóng gói để ra thành phẩm là vaccine từ thực vật. Medicago đã sản xuất vaccine cúm theo cách này và đã hoàn tất cả 3 giai đoạn thử nghiệm lâm sàng vào năm 2018.

Theo Henry Daniell, chuyên gia nghiên cứu thuộc Đại học Pennsylvania, mặc dù chưa có ước tính công khai về chi phí sản xuất vaccine từ nguồn thực vật, việc sản xuất từ cây cỏ thay vì lò phản ứng sinh học sẽ rẻ hơn là điều không phải bàn cãi.

Công nghệ vaccine dựa trên thực vật đang được nghiên cứu không chỉ giúp thế giới ứng phó với các đại dịch hiện tại và tương lai, mà còn mang đến cơ hội mở rộng sản xuất vaccine sang các nước đang phát triển.■