Đại dịch COVID-19 đã cho thấy khoảng cách lớn về các năng lực sản xuất vaccine hiện nay trên thế giới. Việc sản xuất các loại vaccine thông thường tốn kém và phức tạp. Vì vậy, chỉ một số ít quốc gia có công nghệ, nhân lực và tài chính để sản xuất vaccine. Những nước có thể sản xuất thì đang phải đối mặt với những thách thức liên tiếp về quản lý chất lượng trong cuộc đua sản xuất và phân phối hàng tỷ liều vaccine.
Các vaccine thông thường cũng phải bảo quản lạnh, một số loại thậm chí ở nhiệt độ âm 60 độ C trong suốt quá trình vận chuyển và bảo quản. Chuỗi bảo quản lạnh vaccine không chỉ đắt đỏ mà còn là rào cản lớn trong việc phân phối vaccine đến các cộng đồng vùng sâu vùng xa ở nông thôn và các nước có hạ tầng cơ sở chưa phát triển.
Vaccine phòng COVID-19 tại Ankara, Thổ Nhĩ Kỳ. Ảnh minh hoạ: THX/TTXVN
Một số nhà khoa học cho rằng một giải pháp tương lai là sử dụng các loài cây để sản xuất vaccine. Dù hiện chưa có vaccine nào được bào chế từ thực vật có thể dùng cho con người, nhưng một số đang được nghiên cứu. Công ty công nghệ sinh học Medicago của Canada đã bào chế một loại vaccine ngừa COVID-19 dựa trên thực vật và hiện đang được thử nghiệm lâm sàng giai đoạn cuối. Nhân viên dược của công ty này, ông Brian Ward cho biết vaccine phòng cúm dựa trên thảo dược của công ty này đã hoàn tất việc thử nghiệm lâm sàng và đang chờ Chính phủ Canada phê chuẩn.
Tháng 12/2021, chi nhánh công nghệ sinh học Kentucky BioProcessing ở Mỹ của công ty thuốc lá British American Tobacco, đã thông báo bắt đầu tiến hành thử nghiệm lâm sàng loại vaccine thảo dược ngừa COVID-19 của mình. Tháng 10/2021, công ty Icon Genetics GmbH của Nhật Bản cũng đã khởi động việc thử nghiệm lâm sàng cho vaccine tương tự. Các trường đại học, các công ty khởi nghiệp trong lĩnh vực công nghệ sinh học và nhiều chính phủ đã thành lập các quan hệ đối tác và tài trợ khá nhiều để mở rộng lĩnh vực này. Chính phủ Hàn Quốc đã đầu tư 13,5 tỷ USD cho nghiên cứu vaccine thảo dược và cơ sở sản xuất loại vaccine này đầu tiên tại thành phố Pohang dự kiến ở mở cửa từ tháng 10/2022. Theo ước tính, giá trị của thị trường vaccine thảo dược sẽ có thể tăng từ 40 lên 600 triệu USD trong 7 năm tới.
Bà Kathleen Hefferon, tác giả và giáo sư vi sinh vật học tại Đại học Cornell, chuyên nghiên cứu thực vật và công nghệ sinh học trong nông nghiệp, cho biết: "Ngàng sản xuất vaccine từ thực vật đang diễn ra chậm chạp nhưng vững chắc. Chúng ta đã đạt tới mốc mà ở đó việc sản xuất một thứ gì đó như vaccine ngừa COVID-19 là hoàn toàn khả thi và rất nhanh. Nói cách khác, trong 6 tháng tới, chúng ta có thể có hàng chục triệu liều vaccine khả dụng". Bà hy vọng "thành công hiện nay sẽ mở ra những cánh cửa cho các tiến bộ mới trong việc phát triển vaccine từ thực vật".
Công nghệ vaccine dựa trên thực vật không phải là mới khi khái niệm này đã có từ cách đây 30 năm. Các nhà khoa học đã sử dụng khoai tây, gạo, rau chân vịt, ngô và nhiều loại cây khác để tạo ra vaccine phòng bệnh sốt vàng da, bại liệt, sốt rét và dịch hạch, nhưng chưa có vaccine nghiên cứu nào đi đến thử nghiệm lâm sàng giai đoạn cuối, có thể vì thiếu khuôn khổ quy định về dược phẩm hoặc sự do dự trong đầu tư cho các công nghệ này.
Năm 2006, Bộ Nông nghiệp Mỹ đã phê chuẩn vaccine từ thực vật cho bệnh Newcastle, lây giữa gia cầm với nhau. Nhưng chưa có một vaccine dược phẩm nào được phê chuẩn sử dụng cho người. Cho tới gần đây, chỉ một loại vaccine được thực hiện thử nghiệm lâm sàng.
Để sản xuất vaccine, các nhà khoa học phải tạo ra được kháng nguyên hàng loạt, đó là loại tế bào kích thích phản ứng miễn dịch trước một virus hoặc vi khuẩn cụ thể. Các kháng nguyên phổ biến bao gồm các virus bất hoạt hoặc xác virus và vi khuẩn, các chất độc hoặc các protein từ virus và vi khuẩn như protein gai của SARS-CoV-2. Đối với các vaccine ngừa COVID-19 của Pfizer/BioNTech và Moderna, phân tử mRNA (mẩu nhỏ vật chất di truyền mang thông tin cho tế bào của người để sản xuất protein gai của SARS-CoV-2) cũng phải được sản xuất hàng loạt tại các cơ sở tốn kém và sau đó được tinh chế.
Các kháng nguyên cho các vaccine thông thường được sản xuất bằng cách tạo sự lây nhiễm có kiểm soát trong phòng thí nghiệm vào các tế bào (của côn trùng, thận của khỉ, buồng trứng của chuột hoặc các động vật khác) bằng một virus hoặc một đoạn mã gene của virus có thể kích hoạt các tế bào sao chép virus hoặc kháng nguyên. Các dòng tế bào ủ bệnh trong vài ngày hoặc vài tuần sau đó thực hiện các tiến trình tinh chế phức tạp và kéo dài trước khi được đưa vào các ống đựng.
Thách thức của quy trình công nghệ này rất tốn kém, đòi hỏi nhân sự được đào tạo đặc biệt để thực hiện và nguy cơ lây nhiễm cao, vì vậy các quy trình phát triển các loại kháng nguyên khác nhau phải được bảo vệ trong các khu vực biệt lập và được kiểm soát nghiêm ngặt với các điều kiện vô trùng.
Các vaccine dựa trên thực vật giúp loại bỏ các quy trình trên vì bản thân chúng đã là những quy trình tự bào chế. Các loại cây có thể sinh trưởng trong môi trường nhà kính với các điều kiện khí hậu được kiểm soát để ngăn chặn sâu và rệp tấn công, nhưng không cần đến các điều kiện vô trùng.
Tại khu vực nhà kính của công ty Medicago ở Raleigh, North Carolina (Mỹ), robot sẽ nhấc một khay bằng thép chứa 126 cây Nicotiana benthamiana, một loại cỏ dại có họ với cây thuốc lá của Australia được sử dụng trong sản xuất thuốc lá, lật úp xuống và ngâm khay trong một bể kim loại lỏng chứa hàng triệu vi khuẩn nông nghiệp, một nhóm vi khuẩn sẽ tạo sự lây nhiễm tự nhiên cho cây. Vi khuẩn nông nghiệp trong nhà kính này đã được biến đổi để chứa một đoạn nhỏ DNA của virus SARS-CoV-2. Vài phút sau, lá cây phình to ra vì ngậm chất lỏng chứa vi khuẩn nông nghiệp và truyền vào cấu trúc mạch của cây. Chỉ trong vài phút, các cây Nicotiana benthamiana đã được biến đổi thành những quy trình công nghệ siêu nhỏ. Vi khuẩn nông nghiệp truyền DNA của virus vào các tế bào của cây, sau đó tạo ra hàng triệu bản sao của các hạt giống virus được dùng làm kháng nguyên nhưng không lây nhiễm.
Các cây trên được đưa lại nhà kính và sau 5-6 ngày, lá cây được thu hoạch, đặt vào một băng chuyền, cắt nhỏ và ngâm vào một bể enzyme để phá vỡ các tế bào và giải phóng hàng triệu hạt như virus, sau đó được tinh chế và đóng gói. Thành phẩm là một vaccine từ thực vật. Năm 2018, vaccine phòng cúm của Medicago là vaccine từ thực vật đầu tiên trên thế giới hoàn tất thử nghiệm lâm sàng giai đoạn ba.