L'ARN est-il l'avenir des vaccins ?
La pandémie de covid 19 suscite un effort de recherche sans précédent, dans de nombreux domaines. La nécessité de protéger partout les populations et de retrouver au plus vite une vie sociale et une activité économique "normales" s'est révélée un puissant moteur d'entreprise et d'innovation, au travers d'accélération de procédures, de facilitation de l'accès aux études et de financements exceptionnels. Les effets de cette mobilisation sont aujourd'hui particulièrement visibles dans le domaine des vaccins : alors que plus de 100 projets ont été mis en route depuis le début de 2020, le plus souvent avec une grande implication des Etats, 48 sont au stade des essais cliniques, dont 11 en phase 3. Parmi ces derniers, trois viennent coup sur coup d'annoncer de premiers résultats d'efficacité très satisfaisants, supérieurs à 90 %. Deux de ces vaccins (Bnt162b2 et mRNA-1273) font appel à une technologie nouvelle : ils sont principalement constitués d'ARN, ou acide ribonucléique, et non pas des classiques "antigènes" (généralement des protéines) contre lesquels on cherche à induire une réponse immunitaire. L'utilisation d'ARN présente en principe plusieurs avantages, mais elle suscite des interrogations légitimes.
Qu'est-ce que l'ARN ?
C'est une classe de molécules que l'on trouve chez tous les êtres vivants, à l'intérieur des cellules, qu'elles soient animales, végétales, bactériennes ou parasitaires, et chez de nombreux virus. Alors que l'ADN (acide désoxyribonucléique) a pour principale fonction de stocker l'information génétique et se trouve, dans les cellules, essentiellement dans le noyau où il constitue les chromosomes, l'ARN participe à la synthèse des protéines de deux façons : "copié" sur l'ADN des gènes (on parle de "transcription"), il transporte le code des protéines de l'ADN du noyau cellulaire vers le cytoplasme, et il est le principal constituant des ribosomes, les machines moléculaires qui vont déchiffrer ce code pour synthétiser les protéines. Cette synthèse porte le nom de "traduction". Ces différents ARN sont appelés respectivement ARN messagers (ARNm, ou mRNA en anglais), dont la séquence correspond aux protéines à produire, et ARN ribosomiques (ARNr ou rRNA), dont la séquence est constante. Les cellules produisent et contiennent d'autres ARN, notamment les ARN de transfert (ARNt), également impliqués dans la synthèse des protéines, et de petits ARN ayant surtout des fonctions de régulation ou de communication. Comme pour l'ADN, la séquence de l'ARN est constituée par l'enchainement de 4 molécules différentes (les "bases"), qui permet une grande variété de combinaisons associées à différentes origines et fonctions.
Chez les virus, l'ARN peut également constituer le support de l'information génétique : c'est le cas chez les coronavirus, dont le génome est constitué d'une seule molécule d'ARN de près de 30 000 bases codant une vingtaine de protéines. Parmi celles-ci se trouvent des protéines non structurales (essentiellement des enzymes nécessaires à la réplication des virus dans les cellules) et des protéines de structure, qui constituent les particules virales, composées de plusieurs couches. La protéine S (de "surface" ou de "spicule") des coronavirus est la plus externe et donc la plus exposée aux interactions avec le système immunitaire de l'homme. Elle permet la fixation du virus aux cellules qu'il infecte, et elle est une cible privilégiée pour les anticorps qui sont produits chez les personnes immunisées.
Comment un ARN peut-il constituer un vaccin ?
L'ARN entrant dans la composition de tous les être vivants, il n'est pas normalement lui-même un antigène reconnu par le système immunitaire. S'il peut être utilisé dans un vaccin, c'est parce que, lorsqu'il se retrouve à l'intérieur des cellules, il peut diriger la synthèse des protéines ou fragments de protéines contre lesquels on veut obtenir une réponse immunitaire. Les conditions à remplir sont d'identifier la protéine qui fera le meilleur vaccin (elle doit être non seulement une cible pour des anticorps capables d'empêcher l'infection mais aussi un bon "stimulant" de l'immunité), de synthétiser l'ARNm avec la séquence correspondante, et de trouver un moyen de faire pénétrer cet ARN dans les cellules qui produiront ainsi elles-mêmes l'antigène vaccinant. On dispose pour cela de plusieurs procédés, l'un des plus efficaces étant d'encapsuler ou d'enrober l'ARN dans des vésicules lipidiques microscopiques, des liposomes ou des nanoparticules, qui peuvent fusionner avec la membrane des cellules, elle aussi lipidique, pour libérer leur contenu à l'intérieur. Cette méthode est bien adaptée pour l'ARN car la couche lipidique le protège des enzymes qui pourraient le détruire. Elle autorise en principe de nombreuses variations, car il est possible d'insérer en surface des particules des molécules qui vont les guider vers des cellules ou des compartiments cellulaires précis.
Quels en sont les avantages ?
L'ARN est facile à synthétiser. Connaissant la protéine contre laquelle on veut vacciner, on construit la matrice d'ADN qui porte la séquence codante correspondant aux régions d'intérêt. On peut à ce stade introduire des modifications qui rendront l'antigène produit plus stable ou immunogène.
L'ADN est ensuite transcrit in vitro pour produire l'ARN, une technique dont disposent tous les laboratoires de biologie moléculaire. Des techniques de purification spécifiques permettent de ne conserver que les molécules attendues. Leur conformité est contrôlée par des techniques de séquençage très répandues.
On ajoute à la séquence codant la protéine des séquences de reconnaissance ou de régulation qui seront reconnues par les ribosomes et permettront la traduction. D'autres séquences peuvent servir à diriger rapidement la protéine synthétisée vers la surface cellulaire, où elle sera exposée aux cellules immunitaires. On peut également introduire des séquences qui rendent possible une réplication de l'ARNm, un processus qui n'existe pas normalement dans la cellule. Des motifs ajoutés aux extrémités des chaines ("coiffe" et "queue poly-A") freinent leur dégradation dans les cellules et leur permettent de fonctionner plus longtemps. On peut ainsi obtenir, à partir de petites quantités d'ARN injecté, une production importante et durable de protéine vaccinante.
Il n'y a donc pas besoin pour vacciner de purifier ou de synthétiser en grande quantité la protéine elle-même, ce qui est souvent difficile et couteux, parfois même dangereux lorsqu'il est nécessaire pour cela de cultiver des virus ou des bactéries.
Il est possible, en jouant simplement sur la séquence de l'ARN, de faire produire la protéine antigénique sous une forme différente de sa forme naturelle (celle qui est produite lors de l'infection virale) dans le but d'en augmenter le pouvoir immunogène, par exemple en créant des répétitions de séquences, des structures polymériques, ou en retirant au contraire des séquences s'opposant à une bonne exposition des molécules. Des expérimentations sont généralement nécessaires pour déterminer les meilleures configurations moléculaires, elles sont également facilitées par le recours à l'ARN messager.
On peut rapidement modifier la séquence de l'ARN pour changer la cible du vaccin, chercher à immuniser contre des protéines différentes, introduire de nouveaux antigènes, adapter le vaccin à des variations antigéniques du micro-organisme contre lequel on cherche à protéger. Toutes ces modifications sont possibles sans changer fondamentalement la composition du vaccin, qui reste facile à contrôler. Or, ce contrôle est une étape essentielle pour la production d'un vaccin aux caractéristiques d'efficacité et de sécurité constantes.
L'ADN peut également servir à concevoir des vaccins. Il est facile à produire (on fait généralement pour cela travailler des bactéries !) et il est plus stable et facile à conserver que l'ARN. Il est utilisé dans quelques vaccins vétérinaires mais les essais faits chez l'homme pour la prévention du sida, de la grippe, du paludisme ou de la dengue n'ont jamais encore permis de produire de vaccins efficaces. A la différence de l'ARN, directement traduit dans le cytoplasme des cellules, l'ADN doit parvenir dans le noyau pour y être transcrit en molécules d'ARNm qui rejoindront ensuite le cytoplasme.
Cette étape de transcription permet une amplification de la synthèse finale de protéine, beaucoup d'ARNm pouvant être produits à partir d'une seule molécule d'ADN, mais elle expose à un risque : dans le noyau, l'ADN étranger peut s'intégrer par différents mécanismes à l'ADN des chromosomes. Il modifie alors de façon définitive le génome de la cellule, entrainant un risque de dysfonctionnement (perte ou acquisition de fonction), de transformation (la cellule peut devenir cancéreuse), ou de transmission héréditaire si la cellule concernée appartient à la lignée germinale. On dispose de suffisamment de recul pour affirmer que la probabilité de ces événements est très faible, mais elle n'est certainement pas nulle. L'ARN n'expose pas à ce risque.
Quelles sont les questions auxquelles il faudra répondre ?
C'est la première fois qu'on se prépare à utiliser un vaccin ARN chez l'homme à grande échelle et de nombreuses questions se posent quant à la faisabilité, l'efficacité et la sécurité de cette technologie.
La faisabilité
La production des différents composants d'un vaccin ARN (avec son "principe actif", l'ARNm, les nanocapsules lipidiques, le milieu de dilution, les stabilisants éventuels), y compris en grande quantité, est un processus bien maitrisé. Elle ne nécessite pas, à l'inverse de d'autres types de vaccins (vaccins inactivés, vaccins sous-unités préparés à partir de virus ou bactéries entiers), la culture d'agents pathogènes, imposant des équipements et des procédures très lourdes et des délais considérables. D'importants investissements ont déjà été effectués par des industriels disposant du savoir-faire, qui sont en mesure de produire plusieurs millions de doses. Les contrôles de qualité sont également simples et bien standardisés, il ne sera pas nécessaire d'avoir recours à des mises en culture ou des inoculations à l'animal pour détecter un éventuel retour à la virulence.
La conservation et la distribution du vaccin poseront plus de problèmes. L'ARN est un composé fragile, particulièrement sensible à des nucléases (les RNAses) présentes partout dans l'environnement et difficiles à éliminer. Seule une congélation à très basse température (-70 °C) peut en garantir la préservation. Les conséquences de phénomènes de décongélation-recongélation sont particulièrement à redouter. Une chaine de grand froid devra donc être établie, sans rupture, depuis la sortie de la chaine de production jusqu'aux utilisateurs. Des solutions existent, mais elles sont couteuses et imposent une logistique sophistiquée et encore peu répandue. La stabilisation de l'ARN annoncée par Moderna, grâce à un procédé qui n'est pas dévoilé, constitue à l'évidence un avantage considérable : le vaccin pourrait être conservé à -20 °C pour 6 mois, et même entre 4 et 8 °C pour 30 jours. Il reste cependant possible que ce problème de la conservation constitue un frein à une utilisation généralisée de vaccins ARN.
L'efficacité
C'est une question centrale, les réponses à apporter restent nombreuses. On ne dispose aujourd'hui que des données intermédiaires communiquées par Pfizer-BioNTech et Moderna sur leurs vaccins anti-covid, aucun vaccin à ARN n'ayant été utilisé chez l'homme auparavant. Les deux fabricants annoncent une efficacité très élevée, de l'ordre de 95 %, bien au dessus des attentes et des exigences formulées par les autorités de régulation, notamment l'agence européenne du médicament (EMA : European Medicines Aggency), pour envisager une autorisation d'utilisation.
Ces efficacités, résultats d'une analyse intermédiaire des essais de phase 3 lancés il y a plusieurs mois, sont calculées sur des effectifs encore réduits. Les données complètes des essais n'ont pas encore été examinées, ni par les fabricants, ni par la communauté scientifique et les autorités de régulation. Plusieurs questions restent ainsi en attente :
- Tous les individus sont-ils uniformément protégés, quels que soient leur âge, leur sexe, leurs antécédents médicaux, leur état de santé au moment de la vaccination ?
- Contre quoi sont-ils protégés ? Le vaccin permet-il seulement d'éviter les formes modérées de l'infection ? Protège-t-il aussi contre les formes graves ? (Les données communiquées par Pfizer et Moderna semblent indiquer que oui). Evitera-t-il les formes asymptomatiques en permettant l'élimination du virus ?
- Les caractéristiques du virus déterminent en grande partie l'efficacité que peut atteindre un vaccin. Certaines observations font redouter que l'immunité anti-coronavirus (le SARS-CoV-2, mais aussi les coronavirus des rhumes hivernaux, ceux du SARS de 2002 et du MERS) soit de courte durée, n'excédant pas quelques mois, et rendant possible des réinfections. Il semble cependant qu'une immunité cellulaire et une mémoire immunitaire puissent persister des années après une infection. Mais combien de temps durera la protection conférée par un vaccin ? Pour leur essai, Pfizer et Moderna ont choisi d'inoculer deux doses de vaccin à 21 jours d'intervalle. Sera-t-il nécessaire de faire des rappels, avec quelle fréquence ?
- Les vaccins mis au point seront-ils efficaces contre tous les variants du SARS-CoV-2 en circulation ? Des virus mutants échappant à la protection peuvent-ils apparaitre ? Des virus découverts dans des élevages de visons suscitent des craintes, bien qu'ils ne semblent pas avoir été transmis à l'homme. Sur ce point, on peut penser que l'ARN est un atout, car il est très facile de modifier sa séquence pour prendre en compte les mutations des antigènes viraux dans des délais courts.
La sécurité
Les essais de phase 1, 2 et 3 commencés au début de l'année ont concerné à ce jour quelques dizaines de milliers de volontaires, et il n'a pas été mis en évidence d'effet indésirable nouveau ou grave avec les vaccins ARN de Pfizer et de Moderna. Les événements indésirables observés lors de ces essais étaient locaux (rougeur, douleur au point d'injection) ou généraux (malaise, fièvre), plus fréquents avec le vaccin qu'avec le placebo, mais comparables à ceux observés avec des vaccins anciens. Aucun n'a justifié un arrêt des essais. Pour autant, on manque encore de recul pour confirmer l'innocuité des vaccins en population générale :
- Trop peu d'individus ont encore été vaccinés, et ils ne représentent pas tous les groupes de population auxquels les vaccins devront s'adresser : en particulier, les enfants et les femmes enceintes ont été exclus des essais, on ignore si un vaccin ARN pourra leur être administré.
- Bien qu'ils soient composés des mêmes bases que les ARN des cellules humaines, les ARN reproduisant des séquences virales peuvent être reconnus comme étrangers par des systèmes de défense dits "innés" (système TLR, interféron). Ils déclencheraient alors des réactions aboutissant à leur élimination, ce qui pourrait nuire à l'efficacité du vaccin, et peut-être aussi à des destructions cellulaires et à des effets indésirables. On connait un certain nombre de motifs induisant ce type de réponse (certaines séquences ou des zones d'auto-appariement), que l'on peut ne pas faire apparaitre dans l'ARN retenu pour le vaccin, mais des découvertes restent possibles.
- Les vaccins ARN font produire les antigènes par les cellules des personnes vaccinées. Ces cellules deviennent ainsi la cible de la réponse immunitaire, comme c'est le cas lors d'une infection virale. Ce processus normal peut être à l'origine d'effets indésirables s'il est trop intense ou étendu, ou s'il touche des cellules non remplaçables. L'ARN non incorporé par les cellules pourrait d'autre part avoir des effets toxiques. Tous ces effets pourraient dépendre de la dose injectée et faire aussi intervenir des susceptibilités individuelles. Lors d'essais antérieurs de vaccins à ARN chez l'homme, contre la rage (1) ou la grippe (2), on a pu observer des effets indésirables sévères. Ces essais utilisaient des doses d'ARN de 80 à 640 µg, peut-être trop élevées. Pfizer et Moderna ont utilisé des doses de 30 et 100 µg d'ARN par injection, respectivement. Elles ont semble-t-il été bien tolérées, mais la détermination d'un dosage garantissant un rapport bénéfice/risque convenable pour tous pourrait prendre du temps. La durée de vie courte des ARN et la voie intramusculaire choisie pour l'administration du vaccin, dont la diffusion est surtout locale, agissent également pour limiter les effets délétères.
- Dans le cas de la covid 19, l'immunité qui se développe, soit après l'infection, soit par la vaccination, ne peut-elle pas jouer un rôle néfaste ? On a beaucoup parlé d'emballement de l'immunité ou de "tempête cytokinique" pouvant aggraver l'évolution de l'infection chez certains malades et justifiant l'essai de traitements anti-inflammatoires et immunosuppresseurs. On s'inquiète également de la possibilité que certains anticorps incapables de neutraliser le virus agissent au contraire comme des facilitateurs de l'infection, par un mécanisme dit ADE (Antibody-dependant enhancement). Mais cette crainte n'est pas spécifique aux vaccins ARN, elle concerne tous les vaccins anti-covid 19.
En Europe comme aux Etats-Unis, les autorités de régulation (EMA en Europe, FDA aux Etats-Unis) se sont engagées à accélérer les processus de validation des candidats vaccins contre la covid 19. Partout, la réalisation des différents essais cliniques nécessaires (phase 1 à 3) a été facilitée. La circulation toujours importante du virus a permis de parvenir rapidement à une évaluation de l'efficacité des vaccins, une étape qui aurait pu prendre beaucoup de temps ou faire recourir à des "challenges" (infection volontaire) si l'épidémie s'était ralentie. Il n'est donc pas surprenant qu'on dispose déjà de résultats pouvant faire espérer une mise à disposition prochaine des vaccins les plus avancés. Pour autant, seul le temps qui va s'écouler et une surveillance renforcée seront en mesure de répondre aux questions qui restent posées.
Beaucoup de ces questions concernent tous les candidats vaccins en cours d'élaboration, quelle que soit la technologie mise en œuvre, mais avec des implications différentes. De cette technologie dépendra pour partie l'efficacité du vaccin (niveau et durée de l'immunité, type de protection, adaptation à d'éventuelles mutations du virus) et sa sécurité (en population générale, pour les groupes à risque : personnes âgées, immunodéprimées, femmes enceintes, jeunes enfants…). A la suite des essais de phase 3 qui doivent être menés à leur terme pour tous les candidats avant leur commercialisation, commencera la phase 4 et la surveillance des événements indésirables post-vaccinaux dans la durée et sur de très grands effectifs.
Seule cette surveillance est à même de mettre en évidence des effets très rares, se produisant chez un petit nombre de personnes, dans des circonstances particulières, non identifiées lors des essais précédents. Les questions posées trouveront sûrement leur réponse au cours de ces phases, mettant en évidence les avantages et inconvénients des différentes approches vaccinales. Le fait de disposer déjà de plusieurs possibilités dont les indications vont se préciser doit nous rendre optimistes.
Les vaccins ARN ont un formidable potentiel. Si leur efficacité et leur innocuité sont démontrées, ils trouveront de nombreuses applications, en rendant possible l'immunisation contre des protéines qu'il n'est plus nécessaire d'extraire ou de produire en grande quantité, qu'elles appartiennent à des agents pathogènes infectieux ou à des cellules cancéreuses. Des applications à des vaccins individuels, "sur mesure", sont tout à fait envisageables.
Références
- M. Alberer, U. Gnad-Vogt et coll. Safety and immunogenicity of a mRNA rabies vaccine in healthy adults: an open-label, non-randomised, prospective, first-in-human phase 1 clinical trial.
- K. Bahl, J.J. Senn et coll. Preclinical and Clinical Demonstration of Immunogenicity by mRNA Vaccines against H10N8 and H7N9 Influenza Viruses.