Kimya Aşının Soğuk Zincirini Çözebilir mi?
Fotoğraf: BioNTech ve Pfizer tarafından geliştirilen COVID-19 aşısı, normal bir buzdolabında saklanabileceği zaman kullanılacağı güne kadar -70 oC’de saklanmalıdır (Kaynak: © Ander Gillnea/AFP/Getty Images).
COVID-19 ile birlikte aşıların uygun sıcaklıklarda saklanmasının zorlukları vurgulanmaya başladı. Angeli Mehta, bilim insanlarının aşıları ısıl bozunmadan nasıl korumaya çalıştıklarını araştırmaktadır.
Dünya, COVID-19’a karşı korunmak için geliştirilen aşıların gelişini kutlarken, bu aşıların dağıtım lojistiği hiç olmadığı kadar ilgi çekmeye başladı. Aşıların etkili olmalarını sağlamak için doğru sıcaklıklarda tutmak pahalı bir iştir ve soğuk zincir, teslimat maliyetlerinin %80’ini oluşturmaktadır.
Aşıları gelişmekte olan dünyaya ulaştırmaktan sorumlu olan kurumlar sadece buzdolaplarına yılda 400 milyon dolardan fazla harcama yapıyorlar. Birleşik Krallık’ta kurduğu Stablepharma şirketinde aşı stabilizasyonu üzerinde çalışan biyomedikal araştırmacısı Bruce Roser, bu durumun sadece kendi başına bile çok sayıda aşı satın alabileceğini söylüyor.
Dünya Sağlık Örgütü’nün 2005 yılında aşıların %50’sinin boşa gittiğini tahmin etmesinden itibaren yenilikler olmuştur. Elektrik kesintilerine ve Batı Afrika’da Ebola için -60 oC’de depolamayı gerektiren uygulamaya rağmen bir aşının başarılı bir şekilde piyasaya sürülmesi ve bunun için geliştirilen buzdolapları bu duruma örnektir. Deneme ekibi, -85.5 oC’de kristalize olan faz değişimine özel denatüre alkollerle doldurulmuş çift cidarlı tanklar kullandı. Arktes adını verdikleri kaplar düzenli olarak 42 oC’ye kadar yüksek sıcaklıklarda kullanıldığında bile -70 oC civarındaki sıcaklıkları koruyabiliyordu.
Bu aynı zamanda dünyanın ilk mRNA aşısının depolanması için gereken ve COVID-19’a karşı kullanımı onaylanan ilk sıcaklıktır. Fransız Hükümeti, BioNTech ve Pfizer tarafından geliştirilen aşının %30’a varan bir kısmının, bu aşının dağıtımına ilişkin zorluklar göz önünde bulundurulduğunda potansiyel olarak israf edilebileceğini öne sürmüştür. Bununla birlikte Moderna tarafından geliştirilen ikinci bir mRNA aşısının -25 ile -15 oC arasındaki sıcaklıklarda daha iyi dayanabileceği kanıtlandı. Diğer bir aşı geliştiricisi olan Curevac, şu anda deneme aşamasında olan mRNA aşısının buzdolabında üç boyunca ve oda sıcaklığında 24 saat boyunca kararlı bir şekilde kalabileceğini söyledi.
Fotoğraf: Arktek cihazlarında Ebola aşılarının dağıtımı (Kaynak: © WHO/Sean Hawkey).
mRNA, hücrelere bağışıklık tepkisini ürettiren spayk proteinleri üretme yetkisini verir. Aşının hücrelere güvenilir bir şekilde taşınmasını sağlamak için aşı lipit nanoparçacık damlacıkları ile kaplanmıştır. Curevac sözcüsü Thorsten Schüller, geliştirdikleri aşıda doğal ve kimyasal olarak değiştirilmemiş mRNA’nın kullanılması sebebiyle diğer mRNA yaklaşımlarından farklı bir yaklaşıma sahip olduklarını açıkladı. “mRNA’nın lipit nanoparçacığın içinde kararlı bir şekilde kalmasını sağlamak için hidrolizden korunması gerekir. Bunu, mRNA’yı lipit nanoparçacığın içinde sıkı bir şekilde muhafaza ederek başardığımızı düşünüyoruz. Teorimiz, mRNA ne kadar sıkı bir şekilde muhafaza edilirse, hidroliz için o kadar az yüzeye sahip olacağıdır.”
Hem BioNTech (ve ortağı Pfizer) hem de Curevac, Kanadalı Acuitas Therapeutics firması tarafından geliştirilen lipit nanoparçacık teknolojisini kullanıyor. Başkanı ve CEO’su Thomas Maden, bu üç aşının özünde farklı bir şey olduğunu düşünmüyor, ancak BioNTech ve Pfizer durumu baz alındığında, aşının ne kadar süre ve hangi koşullar altında güvenilir bir şekilde saklanabileceğinin belirlenebilmesi için stabilite çalışmalarının yürütülmesine ilişkin gereken zamanın bir problem olduğunu öne sürüyor.
Şirketler şu anda düzenleyici kurumlara sunulacak verilerin oluşturulabilmesi için normal bir buzdolabının sıcaklığında (2-8 oC) ve -20 oC’de depolamaya yönelik stabilite çalışmaları yürütmektedir. Pfizer aynı zamanda normal bir soğutma altında kararlı olabileceğini savunduğu, dondurularak kurutulmuş ve liyofilize edilmiş bir formülasyon üzerinde çalışıyor. Bu nedenle de Maden, uzun vadede ultra soğuk depolamanın gerekli olmayacağına güveniyor.
Sputnik V adenovirüs aşısını geliştiren Rusya’nın Gamelaya Enstitüsü, Rusya’nın ulaşılması zor bölgeleri için toz halinde bir form geliştirdi. Ancak, liyofilize edilmiş bir form üretmenin daha pahalı ve zaman alıcı olması sebebiyle üretimin dondurulmuş aşıya (-18 oC’de depolama gerektirir) yöneleceğini söylüyor.
Tüm aşılar dondurularak kurutulamaz çünkü aşırı soğuğa maruz kalmış buz kristallerinin verdiği hasar, aşıların parçalanmalarına neden olur. İsveç merkezli Ziccum, havayla kurutulan aşıları geliştirdi ve bunların üretilebilmesi için dondurularak kurutulmuş formülasyonları üreten bir tesisten çok daha ucuza çalışabileceğini iddia ettikleri bir doldurma ve bitirme tesisi tasarladı.
Kontrollü Sıcaklık Zinciri’nde mevcut aşıların sınırlı bir süre için soğuk zincirin dışında tutulabileceği bazı durumlar vardır. Benin’de menenjit A’ya karşı geliştirilen aşının kullanıldığı bir çalışmanın sonuçları 40 oC’de dört güne kadar depolanma onayı almıştır ve lojistik maliyetlerini yarıya indirmiştir. Diğer aşıların da kısa süre için daha yüksek sıcaklıklarla baş edebilecekleri kanıtlanmıştır. Médecins Sans Frontiéres’in danışmanı Julien Potet, “Milyonlarca dozun kısa bir süre içinde büyük ölçekli kampanyalarda kullanılan aşılar için soğuk zincirdeki herhangi bir iyileştirme çok iyi olacaktır” dedi.
İleriyi Düşünmek
Aşırı kuraklıkla başa çıkabilen bitkilerden biyokatalizdeki gelişmelere kadar soğuk zincirin tamamen ortadan kaldırılmasına ilişkin araştırma çabalarında hiçbir eksiklik yoktur.
Jason Hallett’in İngiltere’deki Imperial College London’daki grubu sürdürülebilir biyoyakıt üzerinde çalışmaktadır ve enzimlerin selülozu parçalayabilmeleri için daha yüksek sıcaklarda çalışmasını sağlamak istediler. Bu amaç doğrultusunda da, iyonik sıvıları (herhangi bir sıcaklıkta sıvı olan tuzlar) kullanarak enzimi çok yüksek sıcaklıklarda stabilize etmeyi başardılar. Bu nedenle de Hallett, aynı yaklaşımın aşılar için de kullanılıp kullanılamayacağını merak etti.
Imperial ekibinin protein bazlı aşılar için geliştirdikleri formülasyon, proteinin ısınırken katlanmasını ve açılmasını durduruyor. Aynı zamanda bu, aşılarda uygun konsantrasyonlarda kullanılması gereken proteinlerin bir araya toplanmasını da önler. Bu nedenle de, RNA bazlı aşılar ile lipit dağıtımına ilişkin aracın stabilize edilmesini sağlarlar. “Stabilizasyon yaklaşımı oldukça benzerdir ancak burada yüzey mühendisliğine ihtiyaç duymuyoruz. İyonik sıvıların etkileşim biçimlerini değiştirerek bu sıvıları kümeleşmenin önlenebilmesi için formülasyon yardımcıları olarak kullanıyoruz. Ayrıca RNA’nın hidrolizini yavaşlatarak da bir miktar fayda sağlıyoruz.”
Hallett’in grubu, Imperial’daki meslektaşları tarafından COVID-19’a karşı geliştirilen ve kendi kendini çoğaltan bir RNA aşısını yeniden formüle etti ve bu aşının oda sıcaklığında 50 gün boyunca kararlı kalabildiğini buldular. Halett, “Karşılaştığımız en büyük zorluk aslında kimyasal bir sorun değildi çünkü enzim formülasyonlarının aşılara uyarlanması kolaydı. Ancak, insanlara iyonik sıvı enjekte edeceğimizi düşünmüyordum” dedi. Ekip, toksik olmayan bir molekülü keşfedebilmek için gıdalara yöneldi ve bu gıdaları yeni bir tuz oluşturmak için kullandı. Ancak bu bulgularının bir insana enjekte edilebilmesi konusunda hazır değiller.
Bruce Roser’in yolculuğu susuz yaşayabildiği için diriliş adı verilen bir bitkiyle başladı. Bu bitkinin kururken korunabilmesini sağlayan şeyin bir trehaloz şekeri olduğunu keşfetti. Su mevcut olduğunda bitki açılır ve yeniden büyümeye başlar. “Diğer şekerler de dahil olmak üzere ilaç endüstrisinin kurutma işlemi sırasında ürünleri stabilize etmek için kullandıkları şeylerin çoğu bozulur ve ürünlerle reaksiyona girerek onlara zarar verir ama trehaloz bunu yapmaz. Vücutta da etkisizdir. Şimdiden 25’ten fazla ilaçta stabilize edici ajan olarak kullanılıyor.”
Stablepharma’nın StablevaX isimli sisteminde, üreticinin sıvı formdaki aşısı şekeri ve süngere yüklenen bir çözeltiyi içeren propriyete bir tampona eklenir. Islak sünger bir şırıngaya konulur ve kurutulur. Diğer şekerlerin aksine traheloz kristalleşmez, berrak bir katı formunu alana kadar viskoz bir hale gelir.
Roser, “Ürün, oksijen veya diğer kimyasallar gibi depolamada kademeli bir zarara yol açabilecek moleküller de dahil olmak üzere tamamen etkisiz, şeffaf ve çözünür bir cama hapsolmuştur” diye açıklıyor. “Kimyayı durdurdunuz ve her şey zaman ve mekanda donmuş durumda. Su eklediğinizde tüm süreç tersine döner ve molekül, başladığınız zamandaki haliyle sonlanır.”
Fotoğraf: Bruce Roser, trehaloz adı verilen stabilize edici şeker sayesinde saat gülü bitkisinin kuraklıklara dayanabildiğini keşfetti (Kaynak: © Shutterstock).
Roser’in şirketi, bu teknik kullanılarak stabilize edilebilen 90 aşı üzerinde çalıştı ve şu anda koronavirüs aşıları için bu tekniği uygulamaya çalışıyorlar. Roser, mRNA’nın stabilize edilebileceğinden emin ancak mRNA’yı çevreleyen lipit nanoparçacıklar bu sürecin zorlu kısmı olacak. Şirketi, COVID-19’a karşı geliştirilen ikinci nesil aşıların neler olabileceğini araştırıyor.
Tüm gözler COVID-19 üzerinde yoğunlaşırken milyonlarca çocuk aşıların soğuk tutulmasına ilişkin zorluklar nedeniyle aşıyla önlenebilecek hastalıklara yakalanıyor. Médecins Sans Frontiéres, her yıl 5 yaşından küçük 1.5 milyon kişinin öldüğünü tahmin ediyor. Birleşik Krallık’taki Bath Üniversitesi’nden Asel Sartbaeva; difteri, tetanos ve boğmacaya karşı ısıya dayanıklı formülasyonları üretebilmek için çalışıyor.
Fotoğraf: Silikatlaşma, silikanın proteinlerin etrafında yoğunlaştığı, proteinleri tek tek kapladığı ve ardından bir agrega oluşturduğu sürekli bir işlemdir. Nötr bir pH değerinde tampondaki proteine hidrolize edilmiş tetraetil ortosilikatın ilave edilmesi silikanın çekirdeklenmesiyle sonuçlanır. Negatif yüklü silika ile etkileşime giren proteinin üzerinde bulunan pozitif yüklü harici kalıntılarda (örneğin mavi renkli lizin ve arjinin) silikatlaşmayı başlatan elektrostatik kuvvetler aracılığıyla indüklenir (aşama 1). Polimerik silika türlerinin yoğunlaşması farklı proteinlerin silika ile kaplanmasıyla sonuçlanır (aşama 2). Ortaya çıkan yük dengesizliği kümeleşme ve kütle büyümesi yoluyla stabilizasyona neden olur (aşama 3). Bulanık çözeltinin vakum kullanılarak filtrelenmesi, protein yüklü silika nanoparçacıklarının agregalarını içeren kurutulmuş toz malzeme ortaya çıkar (Kaynak: © Doekhie vd.)
Onun ve Newcastle Üniversitesi’ndeki meslektaşlarının benimsediği yaklaşım aşının içinde bulunan protein moleküllerini vakumla süzülen ve koruyucu bir silika kafese koymaktır ve bu yaklaşıma silikasyon adını verdiler. Çözeltinin jel haline getirildiği bir yöntemi kullanarak silikanın önceden parçalanmasını ve hidrolize uğramasını sağlıyorlar. Daha sonra, ürünü proteinle karıştırarak bu ürünün proteinin etrafındaki bir ağ içinde büyümesini sağlıyorlar.
Araştırmacılar, en güncel çalışmalarında silikasyonun tetanos aşısını koruduğunu, oda sıcaklığında saklanmasını sağladığını, soğutulmadan nakledilebildiğini, iki saat boyunca 80 oC’lik bir ısıya dayanabildiğini ve böylece bu aşının enjekte edildiği farelerde hala bir bağışıklık tepkisi oluşturabildiğini gösterdi. Bir sonraki adım, DTP aşısının üç bileşeninin de bu kapsama alınmasıdır ancak işlemin daha iyi bir şekilde kontrol edilmesi gerekmektedir. Araştırmacılar, aşının koruyucu kabuğundan salınabilmesi için klinik dostu bir mekanizmaya da ihtiyaç duyuyor. Mevcut çalışmalarda toz, silis kabuğunun parçalanabilmesi için bir tampon çözeltisine konulur ve silika ile protein ayrıştırılır. “Laboratuvardaki kullanımı oldukça kolay bir yöntemdir ancak bu yöntemin tıptaki uygulaması zordur.” Aşının bir şırınganın içinde salınmasını sağlayabilecek bir cihazın tasarlanabilmesi amacıyla mikroakışkanlar alanında çalışan bilim insanlarının çalışmaları devam etmektedir.
COVID-19 ile mücadelenin aciliyeti, bu ilerlemeler için çok erken olabilir, ancak aşı geliştiricileri bu ilerlemelerin ihtiyaç duyulduğu anda aşıların piyasadaki yerlerini alabilmeleri konusunda yardımcı olabileceğini umuyor.
Kaynak: chemistryworld.com
