Генная инженерия в производстве вакцин.

Вакцинация способствует формированию у ре­ципиента иммунитета к патогенным микроорга­низмам и тем самым защищает его от инфекции. В ответ на пероральное или парентеральное вве­дение вакцины в организме хозяина вырабаты­ваются антитела к патогенному микроорганиз­му, которые при последующей инфекции приводят к его инактивации (нейтрализации или гибели), блокируют его пролиферацию и не позволяют развиться заболеванию.

Эффект вакцинации открыл более 200 лет на­зад - в 1796 г. - врач Эдуард Дженнер. Он дока­зал экспериментально, что человек, перенесший коровью оспу, не очень тяжелую болезнь крупно­го рогатого скота, становится невосприимчивым к оспе натуральной. Натуральная оспа - высоко­контагиозное заболевание с высокой смертно­стью; даже если больной не погибает, у него не­редко возникают различные уродства, психические расстройства и слепота. Дженнер публично провел прививку коровьей оспы 8-лет­нему мальчику Джеймсу Фиппсу, использовав дая этого экссудат из пустулы больной коровьей оспой, а затем через определенное время дважды инфицировал ребенка гноем из пустулы больно­го натуральной оспой. Все проявления заболева­ния ограничились покраснением в месте привив­ки, исчезнувшим через несколько дней. Вакцины такого типа получили название дженеровских. Однако такой путь вакцинации не получил большого развития. Это объясняется тем, что в природе не всегда возможно найти малопатогенный аналог болезнетворного микроорганизма, пригодный для приготовления вакцины.

Более перспективным оказался метод вакцинации предложенный Пастером. Пастеровские вакцины получают на основе убитых (инактивированных) патоген­ных микроорганизмов либо живых, но не виру­лентных (аттенуированных) штаммов. Для этого штамм дикого типа выращивают в культуре, очищают, а затем инактивируют (убивают) или ослабляют (аттенуируют) таким образом, чтобы он вызывал иммун­ный ответ, достаточно эффективный в отноше­нии нормального вирулентного штамма.

Для иммунопрофилактики некоторых болезней, таких, например, как столбняк или дифтерия, наличие самих бактерий в вакцине необязательно. Дело в том, что главной причиной этих заболеваний являются выделяемые этими бактериями патогенные токсины. Ученые обнаружили, что эти токсины инактивируются формалином и могут затем безопасно использоваться в вакцинах. При встрече иммунной системы с вакциной, содержащей безопасный анатоксин, она вырабатывает антитела для борьбы с настоящим токсином. Такие вакцины получили название анатоксины.

Ранее такие инфекционные болезни, как ту­беркулез, оспа, холера, брюшной тиф, бубонная чума и полиомиелит, были настоящим бичом для человечества. С появлением вакцин, анти­биотиков и внедрением мер профилактики эти эпидемические болезни удалось взять под конт­роль. К сожалению, против многих болезней человека и животных вакцин до сих пор не существует или они малоэффективны. Сегодня во всем мире бо­лее 2 млрд. людей страдают заболеваниями, ко­торые можно было бы предотвратить с помощью вакцинации. Вакцины могут оказаться полез­ными и для профилактики постоянно появляю­щихся «новых» болезней (например, СПИДа).

Несмотря на значительные успехи в создании вакцин против таких заболеваний, как краснуха, дифтерия, ко­клюш, столбняк и полиомиелит, произ­водство и использование классических ”пастеровских” вакцин сталкивается с це­лым рядом ограничений.

1. Не все патогенные микроорганизмы удается культивировать, поэтому для многих заболе­ваний вакцины не созданы.

2. Для получения вирусов животных и человека необходима дорого-стоящая культура живот­ных клеток.

3. Титр вирусов животных и человека в культу­ре и скорость их размноже-ния часто бывают очень низкими, что удорожает производство вакцин.

4. Необходимо строго соблюдать меры предос­торожности при производстве вакцин из высокопатогенных микроорганизмов, чтобы не допустить инфициро­вания персонала.

5. При нарушении производственного процесса в некоторые партии вакцины могут попасть живые или недостаточно ослабленные виру­лентные микроорганизмы, что может приве­сти к неумышленному распространению ин­фекции.

6. Аттенуированные штаммы могут ревертировать (восстанавливать свою вирулентность), поэтому необхо­димо постоянно контролировать их вирулент­ность.

7. Некоторые заболевания (например, СПИД) нельзя предупреждать с помощью традици­онных вакцин.

8. Большинство современных вакцин имеют ог­раниченный срок годности и сохраняют ак­тивность только при пониженной температу­ре, что затрудняет их использование в развивающихся странах.

В последнее десятилетие, с развитием техно­логии рекомбинантных ДНК, появилась воз­можность создать новое поколение вакцин, не обладающих недостатками традиционных вак­цин. Основные подходы к созданию вакцин нового типа на основе методов генной инженерии заключаются в следующем:

1. Модификация генома патогенного микроорганизма. Работы в этой области ведутся по двум основным направлениям:

А) Патогенный микроорганизм модифицируют, делетируя (удаляя) из его генома гены, ответственные за вирулент­ность (гены кодирующие синтез бактериальных токсинов). Способность вызывать иммунный ответ при этом сохраняется. Такой микроорганизм можно безбоязненно использовать в качестве живой вакцины, поскольку выращивание в чистой культуре исключает возможность спонтанного восстановления удаленного гена.

Примером такого подхода является разработанная недавно противохолерная вакцина на основе рекомбинантного штамма V.cholerae,у которого была удалена нуклеотидная последовательность, кодирующая синтез энтеротоксина, ответственного за патогенный эффект. Проводимые в настоящее время клинические испытания эффективности этой формы как противохолерной вакцины пока не дали однозначного результата. Вакцина обеспечивает почти 90%-ную защиту от холеры, но у некоторых испытуемых наблюдаются побочные эффекты, поэтому она нуждается в дальнейшей доработке.

Б) Другой способ получения непатогенных штам­мов, пригодных для создания на их основе живых вакцин, состоит в удалении из генома патоген­ных бактерий хромосомных областей, отвечаю­щих за некоторые независимые жизненно важные функции (метаболитические процессы), например синтез определенных азотистых оснований или витаминов. При этом лучше делетировать по крайней мере две такие области, поскольку вероятность их од­новременного восстановления очень мала. Пред­полагается, что штамм с двойной делецией будет обладать ограниченной пролиферативной спо­собностью (ограниченным сроком жизни в иммунизируемом организме) и сниженной патогенностью, но обес­печит выработку иммунного ответа. На подобном подходе в настоящее время созданы и проходят клинические испытания вакцины против сальмонеллеза и лейшманиоза.

2. Использование непатогенных микроорганизмов с встроенными в клеточную стенку специфическими имуногенными белками. С помощью методов генной инженерии создают живые непатогенные системы пере­носа отдельных антигенных участков (эпитопов) или целых имуногенных белков не­родственного патогенного организма. Один из подходов, используемых при создании таких вакцин, состоит в разме­щении белка - антигена патогенной бак­терии на поверхности живой непатогенной бак­терии, так как в этом случае он обладает более высокой иммуногенностью, чем когда он локализован в цитоплазме. Многие бактерии имеют жгутики, состоящие из белка флагеллина; под микроско­пом они выглядят как нити, отходящие от бак­териальной клетки. Если сделать так, что жгути­ки непатогенного микроорганизма будут нести специфический эпитоп (белковую молекулу) патогенного микроорга­низма, то можно будет индуцировать выработку защитных антител. Вакцина созданная на основе таких рекомбинантных непатогенных микроорганизмов будет способствовать развитию вы­раженного иммунного ответа на патогенный микроорганизм.

Именно такой подход использовали при соз­дании противохолерной и противостолбнячной вакцины.

3. Создание субъединичных (пептидных) вакцин.Если какие то патогенные микроорганизмы не растут в культуре, то на их основе не возможно создать классическую пастеровскую вакцину. Однако, можно выделить, клонировать и экспрессировать в альтернативном непатогенном хозяине (например, в Е. coliили линии клеток млеко­питающих) гены, отвечающие за выработку тех или иных антигенных белков, а затем выделить и использовать эти белки после очистки как «субъединич­ные» вакцины.

Субъединичные вакцины имеют свои достоинства и недостатки. Достоинства состоят в том, что препарат, содержащий только очищенный иммуногенный белок, стабилен и безопасен, его хими­ческие свойства известны, в нем отсутствуют дополнительные белки и нуклеиновые кислоты, которые могли бы вызывать нежелательные по­бочные эффекты в организме-хозяине. Недо­статки заключаются в том, что очистка специ­фического белка стоит дорого, а конформация выделенного белка может отличаться от той, ко­торую он имеет in situ (т.е. в составе вирусного капсида или оболочки), что может приводить к изменению его антигенных свойств. Решение о производстве субъединичной вакцины прини­мается с учетом всех имеющих отношение к де­лу биологических и экономических факторов. В настоящее время в разных стадиях разработки и клинических испытаний находятся вакцины против герпеса, ящура и туберкулеза.

4. Создание “векторных вакцин”. Эти вакцины принципиально отличаются от вакцин других типов тем, что имуногенные белки не вводятся в готовом виде в имунизируемый организм с компонентами вакцины (клетки микроорганизмов и продукты их разрушения), а синтезируются в непосредственно в нем, за счет экспрессии кодирующих их генов, которые в свою очередь переносятся в имунизируемый организм с помощью специальных векторов. Наиболее широко “векторные вакцины” создаются на основе вируса коровьей оспы (ВКО), а так же ряда других условно- или малопатогенных вирусов (аденовирус, полиовирус, вирус ветряной оспы). ВКО достаточно хорошо изучен, его геном полностью секвенирован. ДНК ВКО реплицируется в цитоплазме инфицированных клеток, а не в ядре, благодаря наличию у вируса генов ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы и фер­ментов, осуществляющих кэпирование, мети­лирование и полиаденили-рование мРНК. Поэ­тому, если в геном ВКО встроить чужеродный ген, так чтобы он находился под контролем ВКО-промотора, то он будет экспрессиироваться независимо от регуляторных и ферментных систем хозяина.

ВКО имеет широкий спектр хозяев (позво­ночных и беспозвоночных), остается жизне­способным в течение многих лет после лиофилизации (испарения воды с помощью замораживания) и не обладает онкогенными свойствами, а потому весьма удобен для создания векторных вак­цин.

Векторные ВКО-вакцины позволяют провести иммунизацию сразу от нескольких заболева­ний. Для этого можно использовать рекомбинантный ВКО, который несет несколько генов, кодирующих разные антигены.

В зависимости от используемого ВКО-промотора чужеродный белок может синтезироваться в ранней или поздней фазе инфекционного цикла, при этом его количество определяется силой промотора. При встраивании в одну ДНК ВКО нескольких чужеродных генов каждый из них помещают под контроль отдельного ВКО-промотора, чтобы предотвратить гомологическую рекомбинацию между различными участками вирусной ДНК, которая может привести к утрате встроенных генов.

Живая рекомбинантная векторная вакцина имеет ряд преимуществ перед неживыми вирусными и субъединичными вакцинами:

1) образование и активность аутентичного антигена практически не отличается от такового при обычной инфекции;

2) вирус может реплицироваться в клетке-хозя­ине и увеличивать количество антигена, который активирует продукцию антител В-клетками (гуморальный иммунитет) и стимулирует выработку Т-клеток (клеточный иммунитет);

3) встраивание нескольких генов антигенных белков в геном ВКО еще больше уменьшает его вирулентность.

Недостаток живой рекомбинантной вирус­ной вакцины состоит в том, что при вакцинации лиц со сниженным иммунным статусом (напри­мер, больных СПИДом) у них может развиться тяжелая вирусная инфекция. Чтобы решить эту проблему, можно встроить в вирусный вектор ген, кодирующий человеческий интерлейкин-2, который стимулирует Т-клеточный ответ и ог­раничивает пролиферацию вируса.

Нежелательные побочные эффекты проли­ферации ВКО можно предупредить инактива­цией вируса после вакцинации. Для этого был создан чувствительный к интерферону вирус (ВКО дикого типа относительно устойчив к его действию), пролиферацию которого можно ре­гулировать в случае возникших при вакцинации осложнений.

Вектор на ос­нове живого аттенуированного полиовируса (его исследования только начинаются) привлекателен тем, что позволяет проводить пероральную вакци­нацию. Такие «слизистые» вакцины (вакцины, компоненты которых связываются с рецепторами, расположенными в легких или желудочно-кишеч­ном тракте) пригодны для профилактики самых разных заболеваний: холеры, брюшного тифа, гриппа, пневмонии, мононуклеоза, бешенства, СПИДа, болезни Лайма. Но до любых клиниче­ских испытаний любого на первый взгляд безо­бидного вируса как системы доставки и экспрес­сии соответствующего гена необходимо убедиться в том, что он действительно безопасен. Например, повсеместно используемый ВКО вызывает у лю­дей осложнения с частотой примерно 3,0-10^-6. По­этому из генома рекомбинантного вируса, кото­рый предполагается использовать для вакцинации человека, желательно удалить последовательности, ответственные за вирулентность.

К вакцинам для животных предъявляются менее жесткие требования, поэтому первыми вакцинами, полученными с помощью техноло­гии рекомбинантных ДНК, были вакцины про­тив ящура, бешенства, дизентерии и диареи по­росят. Создаются и другие вакцины для животных, а в скором времени появятся и рекомбинантные вакцины, предназначенные для человека.

Еще одним перспективным направлением в создании вакцин нового поколения является использование специально созданных трансгенных растений. Если встроить в геном вирусов этих растений гены, кодирующие синтез имуногенных белков или отдельных антигенных эпитопов различных патогенных микроорганизмов, то растения начнут их экспрессировать. После употребления в пищу таких растений в слизистой желудка и кишечника человека будут вырабатываться соответствующие антитела (так называемые мукозальные антитела). В бананах, например, удалось экспрессировать антиген холерного вибриона, антигены вируса гепатита В, и такие вакцины уже проходят клинические испытания. Антигены декарбоксилазы глутаминовой кислоты экспрессируются в картофеле и оказывают в опытах на животных антидиабетическое действие. Предполагается, что такие "банановые вакцины" в недалеком будущем могут составить серьезную конкуренцию как традиционным, так и генноинженерным вакцинам.