Trong thời gian qua, những thành tựu khoa học trong nghiên cứu về protein tái tổ hợp đã tạo ra cuộc cách mạng về ứng dụng các protein có giá trị y học trong điều trị bệnh ở người và động vật như vaccine, kháng thể, enzyme hoặc hormone sinh trưởng của người v.v.
Bên cạnh các hệ thống biểu hiện protein trên tế bào vi sinh vật, tế bào động vật, hiện nay nhiều nghiên cứu và các công ty lớn đã và đang hướng đến sản xuất các loại vaccine phòng bệnh cho vật nuôi và cả người từ thực vật. Để sản xuất các loại vaccine, các nhà nghiên cứu thông qua một công nghệ gọi là công nghệ biểu hiện protein tạm thời ở thực vật nhờ vi khuẩn Agrobacterium có sử dụng máy thấm hút chân không (còn gọi tắt là agroinfiltration). Hệ thống này có ưu điểm nhanh, hàm lượng protein tái tổ hợp cao, tính sinh miễn dịch không bị ảnh hưởng bởi vị trí gắn gen đích trong tế bào thực vật và có thể tiến hành biểu hiện trong các mô đã biệt hóa hoàn toàn như lá (Fischer et al.., 1999). Bên cạnh đó, thực vật có khả năng biểu hiện các protein tái tổ hợp có cấu trúc phức tạp và điều khiển tổng hợp protein vào trong các tổ chức chuyên biệt nội bào, sẽ hạn chế tác động của các enzyme thủy phân trong tế bào chất. Sản phẩm protein tái tổ hợp có thể được sản xuất ở mức độ công nghiệp. Khi đó, các nguy cơ về sức khỏe gây nên do nhiễm các nguồn bệnh và các độc tố cho người được giảm thiểu tối đa (Giddings, 2001; Schillberg et al., 2003).
WHO đã nhận định rằng vaccine có nguồn gốc từ thực vật là một con đường phát triển đầy hứa hẹn vì bên cạnh tiêm chủng, nó có thể sử dụng cho đường uống đối với một số bệnh ở đường tiêu hóa (https://www.who.int/biologicals/areas/vaccines/plants/en/). Vaccine được sản xuất từ thực vật là vaccine tiểu đơn vị vì vậy đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn DIVA (Differentiating Infected from Vaccinated Animals) cho phép quá trình giám sát bệnh được dễ dàng hơn so với việc sử dụng vaccine bất hoạt.
Công ty đi đầu trong nghiên cứu và sản xuất vaccine bằng công nghệ agroinfiltration là Medicago, Canada và hiện đã mở rộng sang cả Hoa Kỳ (xem Hình 1). Ở Medicago, vaccine cúm QIV dựa vào nền tảng công nghệ agroinfiltration đã được sản xuất và thử nghiệm lâm sàng giai đoạn 3. Kết quả đánh giá cho thấy vaccine tạo ra có khả năng sinh miễn dịch tốt hơn so với vaccine đã được cấp phép khác và có khả năng bảo hộ chống lại các biến chủng cúm mới. QIV sẽ là loại vaccine có nguồn gốc từ thực vật đầu tiên trên người có mặt trên thị trường, dự kiến sẽ có mặt kịp thời cho mùa cúm Bắc bán cầu 2020–2021. Ngoài ra, Medicago cũng đang phát triển một loạt các vaccine thực vật phòng virus rota, norovirus, cúm đại dịch, virus Tây sông Nile, viêm gan B và các kháng thể đơn dòng cho liệu pháp miễn dịch… (https://www.nature.com/articles/d43747-020-00537-y).
Đáng chú ý nhất là vào 3/2020, Medicago đã công bố sản xuất thành công hạt giả virus (virus-like particles, VLP) từ thực vật của coronavirus chỉ 20 ngày sau khi có được trình tự gene spike của virus SARS-CoV-2 (xem Hình 2). VLP có cấu trúc tự nhiên giống virus, cho phép hệ thống miễn dịch dễ dàng nhận ra chúng. Tuy nhiên, VLP thiếu vật liệu di truyền cốt lõi khiến chúng không thể lây nhiễm và không thể nhân bản. Sản xuất VLP là bước đầu tiên trong việc phát triển vaccine chống lại COVID-19 trước khi thử nghiệm tiền lâm sàng về tính an toàn và hiệu quả. Cũng bằng công nghệ agroinfiltration, Medicago cũng có một chương trình phát triển các kháng thể chống lại virus SARS-CoV-2 để sử dụng trong việc điều trị cho những người bị nhiễm virus này. (https://www.medicago.com/en/covid-19-programs/).
Ở Việt Nam, công nghệ agroinfiltration cũng đã được nhóm nghiên cứu của Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam tiếp cận và nghiên cứu từ những năm 2006 tới nay với sự hợp tác và chuyển giao công nghệ của đối tác Viện Nghiên cứu cây trồng và di truyền thực vật IPK, CHLB Đức. Khởi nguồn là những nghiên cứu tạo kháng nguyên HA của các chủng virus cúm A/H5N1 gây bệnh trên gia cầm ở Việt Nam và biểu hiện tạm thời thành công kháng nguyên này trên cây thuốc lá N. benthamiana sử dụng công nghệ agroinfiltration.
Thành công đáng ghi nhận của nhóm nghiên cứu là kháng nguyên HA đã có thể bảo hộ gà chống lại virus cúm A/H5N1 cường độc lên đến trên 90%. Từ thành công trên đối tượng virus cúm gia cầm A/H5N1, một số protein khác cũng đã được biểu hiện thành công bằng công nghệ này, như protein bề mặt GP5 và protein cấu trúc M là hai protein quan trọng trong phát triển vaccine phòng virus PRRSV gây hội chứng rối loạn sinh sản và hô hấp ở lợn (Porcine reproductive and respiratory syndrome) hay bệnh lợn tai xanh [Hồ Thị Thương et al., 2015a; Nguyễn Thị Minh Hằng et al., 2017]; hay protein COE của virus PEDV gây bệnh tiêu chảy ở lợn (Porcine epidemic diarrhea) [Ho et al., 2020]. Các kháng nguyên có có nguồn gốc thực vật này có khả năng kích thích sản sinh kháng thể trung hoà trên động vật thí nghiệm tương đương với vaccine thương mại.
Các phân tích trên cho thấy tiềm năng của công nghệ agroinfiltration trong nghiên cứu phát triển vaccine phòng chống các dịch bệnh trên thú y và các protein có giá trị y học ở Việt Nam. Công nghệ này cho phép tạo ra một số lượng lớn kháng nguyên làm ứng viên vaccine tiềm năng trong vòng 3–4 tuần kể từ khi xác định được trình tự của kháng nguyên đó, cho phép bắt kịp và phản ứng kịp thời với sự biến đổi di truyền của virus gây bệnh khi có đại dịch mới xảy ra.
PGS. TS. Phạm Bích Ngọc, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Biên tập: Nguyễn Phương Văn