Mi Lilia blog: ¿Cómo se fabrican las vacunas de ARN contra la COVID-19?

PUBLICADO EL MAYO 5, 2021 POR RUBÉN MEGÍA GONZÁLEZ (COORDINADOR DEL ÁREA DE FORMACIÓN)

Rubén Megía y Amparo Tolosa

¿Sabes cómo se fabrican los objetos que te rodean? Si no has visto ningún video explicativo al respecto, seguramente te resulte difícil imaginar cómo se fabricaron la taza que te regaló tu amiga del instituto, tu vieja silla de escritorio o tu tarta preferida del supermercado. En el mundo de la genética sucede algo similar. Te pueden explicar millones de veces qué es una vacuna de ARN o cómo funciona, pero, ¿sabrías decir cómo se fabrican? Si la respuesta es no, estás de suerte, porque has llegado al post indicado.

Antes de entrar en materia, recordemos qué es una vacuna de ARN y cómo funciona.

¿Qué es una vacuna de ARN y cómo funciona?

Una vacuna es, por definición, cualquier preparación destinada a generar inmunidad. En el caso de las vacunas de ARN, el componente principal es una molécula de ARN monocatenario. Esta molécula, al ser traducida en nuestras células, produce proteínas del agente infeccioso. Las nuevas proteínas del agente infeccioso, que son inocuas para nuestro organismo, inducen una respuesta inmunitaria, con su correspondiente generación de linfocitos de memoria.

Las vacunas de ARN no son nuevas. Llevan estudiándose desde los años 90. Sin embargo, hasta noviembre del 2020, no se había aprobado ninguna. Las primeras vacunas de ARN en recibir aprobación (en este caso, aprobación de emergencia) han sido las vacunas contra la COVID-19 de Pfizer/BioNTech y Moderna. Un reciente artículo del New York Times nos cuenta cómo se producen las vacunas de ARN mensajero de Pfizer.

Paso 1. Todo empieza en el ADN

El proceso de fabricación de las vacunas de ARN comienza a partir de moléculas circulares de ADN que contienen en su interior la información para producir proteína S, una proteína de cubierta del coronavirus. Estas moléculas circulares de ADN, que son la materia prima de la vacuna, se han preparado en laboratorio utilizando plásmidos estándar a los que se ha introducido la secuencia de la proteína S mediante ingeniería genética (un proceso muy parecido a un cortapega molecular).

Los plásmidos pueden almacenarse a baja temperatura durante mucho tiempo, por lo que el primer paso de todo el proceso suele ser descongelar un vial de los que se utilizan para almacenarlos.

Paso 2. El ADN se multiplica en bacterias

Una vez descongelados los plásmidos. el siguiente paso es obtener muchos más a partir de cada uno. Para ello, se recurre a bacterias, que se dividen rápidamente y son expertas en multiplicarse.

Los científicos introducen los plásmidos en bacterias E.coli, ampliamente utilizadas en laboratorios, y las cultivan toda la noche en matraces con medio de cultivo adecuado para su crecimiento. Los matraces suelen estar la temperatura adecuada (a 37º grados las E. coli crecen muy bien) y en movimiento para que todo el cultivo esté aireado y optimizar las condiciones de crecimiento.

Posteriormente, este precultivo se añade a un tanque con hasta 300 litros de medio de cultivo, donde se favorece que las bacterias sigan dividiéndose y multiplicándose durante cuatro días. Cada bacteria tarda en torno a 20 minutos en dividirse, por lo que el resultado final son billones de bacterias, que contienen en su interior billones de plásmidos con la secuencia de la proteína S.

Paso 3. Purificación del ADN

El siguiente paso del proceso es obtener y purificar los plásmidos de ADN producidos en el cultivo bacteriano. Para ello se utilizan protocolos estándar con diferentes agentes químicos que rompen las membranas de las bacterias y permiten recuperar el ADN de los plásmidos, que es mucho más pequeño que el ADN genómico de las bacterias. A continuación, el ADN se purifica para que no queden restos del medio o de las bacterias.

Paso 4. Análisis de calidad del ADN

El ADN de los plásmidos va a ser utilizado para producir ARN en etapas posteriores por lo que es esencial que no haya contaminantes y la secuencia del fragmento que contiene la información de la proteína S no haya sufrido mutaciones durante la amplificación en las bacterias. Por lo tanto, una vez purificado el ADN se realizan diversas pruebas de calidad para confirmar que los plásmidos no han cambiado.

Los ADNs que pasan el control de calidad pueden ser introducidos en nuevas bacterias para generar más plásmidos o bien, ser utilizados en los siguientes pasos de la producción de vacunas.

Paso 5. Cortar y purificar el ADN con la secuencia de la proteína S

El siguiente paso del proceso es cortar y purificar el fragmento del plásmido que contiene la secuencia de la proteína S. Este paso es necesario porque las vacunas de ARN solo contienen material hereditario correspondiente a la proteína S. Es decir, gran parte del plásmido no se utiliza en etapas posteriores. En esencia, solo se utilizará el ADN que codifica la proteína S.

Para realizar este paso, se añaden enzimas que cortan el ADN por los extremos de la secuencia de interés. Estas enzimas reconocen secuencias de ADN específicas y cortan la molécula circular del plásmido, de forma que se producen moléculas lineales de plásmido y del fragmento que contiene la proteína S.

Los fragmentos de ADN con la proteína S se separan del resto por filtración, de forma que el resultado final de esta etapa son botellas de un litro llenas de fragmentos de ADN con la información de la proteína S en solución. El ADN obtenido se analiza de nuevo para confirmar su calidad para los siguientes pasos.

Paso 6. Del ADN al ARN

El siguiente paso es utilizar el el ADN obtenido como patrón para producir ARN mensajero.

La solución de ADN se mezcla con enzimas y componentes del ARN. Las enzimas se encargan de abrir el ADN y utilizarlo como molde para generar un ARN mensajero de la proteína S. Este proceso lleva varias horas. La mezcla donde se produce la reacción, que contiene ADN, ARN, enzimas y componentes del ARN, se filtra posteriormente para obtener únicamente el ARN mensajero.

Paso 7. Control de calidad del ARN

Al igual que se hacía con el ADN, los científicos de Pfizer comprueban la pureza de la solución de ARN mensajero resultante del paso anterior y analizan sus secuencia para confirmar que no haya modificaciones o alteraciones.

Paso 8. Ensamblaje del ARN mensajero y la capa lipídica

Las vacunas de ARN mensajero son, en esencia, moléculas de ARN mensajero cubiertas con una capa de lípidos.

La mezcla de lípidos que componen la vacuna se prepara en paralelo al ARN mensajero y contiene cuatro componentes:

Lípidos ionizables con carga positiva que se unirán al ARNmensajero, cargado negativamente.
Lípidos PEGilados que contribuyen a controlar el tamaño y estabilidad de las partículas víricas y
Lípido neutral que contribuyen a que se forme la estructura
Colesterol, que ayuda en la formación de la estructura de la vacuna.

Para mezclar la solución de ARN mensajero con la de lípidos en la proporción correcta, se utilizan diferentes bombas, que controlan el flujo de los componentes y su interacción. Cuando los lípidos interaccionan con el ARN mensajero, cargado negativamente, se unen al mismo formando dos capas a su alrededor, que protegen el ARN del exterior.

A continuación, las partículas de vacunas se filtran de nuevo para eliminar cualquier impureza, como por ejemplo el etanol que se utiliza para mezclar la solución de lípidos.

Paso 9. Preparación de las vacunas en los viales

Una vez preparada la solución de la vacuna, se rellena con ella los viales en los que se distribuirá. Cada vial contiene 0.45 mililitros de solución de vacuna, que tras ser diluida podrá ser utilizada en 6 dosis. Estos viales son lavados y esterilizados previamente y deben pasar diferentes pruebas de calidad para garantizar que no tienen imperfecciones que comprometan su integridad o la efectividad de la vacuna, ni fugas.

El vertido de la vacuna en los viales debe realizarse rápidamente para evitar la degradación del ARN mensajero. Una vez rellenados los viales se evalúa de nuevo que estén intactos. A continuación se etiquetan, se ponen en bandejas con capacidad de 195 viales cada una y se congelan a -70 grados centígrados en congeladores que garantizan esta temperatura en todo su interior.

Paso 10. Empaquetado y Envío

Con la vacuna preparada en los viales, el siguiente paso es empaquetarlos para su distribución a cualquier parte del mundo. En este proceso el mantenimiento de la cadena de frío es vital para garantizar que la vacuna mantiene su efectividad.

Las bandejas de 195 viales se pueden empaquetar de cinco en cinco en cajas con hielo seco que mantienen el frío durante el tiempo suficiente hasta que lleguen a su destino y puedan ser almacenadas o utilizadas.

En total, el proceso de producción de la vacuna lleva 60 días.

Todos los pasos de la vacuna no se realizan en las mismas instalaciones. Por ejemplo, en EE.UU. la producción y purificación de los plásmidos de ADN se lleva a cabo en las instalaciones de Pfizer de Chesterfield. Desde ahí, se envían botellas de ADN congelado a las instalaciones de Andover en Massachusetts o Mainz en Alemania, donde se obtiene el ARN mensajero, que a su vez es enviado congelado a otras instalaciones donde se prepara la vacuna final.