Vaccine manufacturing: challenges and solutions
Jeffrey B Ulmer, Ulrich Valley & Rino Rappuoli
Nature Biotechnology
Published online: 8 November 2006; doi:10.1038/nbt1261

Случившаяся недавно и еще не стершаяся из памяти нехватка противогриппозных вакцин явилась своевременным напоминанием о скудности мирового резерва вакцин и производственных проблемах, связанных с его пополнением. Применение новых методик к разработке, тестированию и производству вакцин в будущем может предотвратить возникновение подобных ситуаций и обеспечить появление новых высокоэффективных препаратов. Генные вакцины, вирусоподобные частицы, вакцины растительного происхождения, а также новые адъюванты (вещества, повышающие иммуногенность) и методики введения препаратов – разработка всех этих направлений должна привести к появлению новых, более безопасных и эффективных вакцин. Это, в свою очередь, сможет защитить большее количество людей от более широкого спектра инфекционных заболеваний. Однако высокая стоимость производства новых вакцин и юридические вопросы, касающиеся возможности их применения, являются для производителей серьезными проблемами.

Предотвращение распространения инфекций с помощью иммунизации, без сомнения, является одним из величайших достижений человечества в области медицины. В настоящее время вакцины ежегодно предотвращают до трех миллионов смертей. За ХХ столетие средняя продолжительности жизни людей увеличилась примерно на 30 лет, что в немалой степени обусловлено массовой вакцинацией. Одно из опаснейших инфекционных заболеваний – оспа – полностью ликвидировано с помощью вакцинации. Ожидается, что такая же участь в скором времени постигнет и полиомиелит. Однако строгие регулятивные правила, касающиеся иммунизации здоровых людей, и ограниченный доход от производства вакцин являются серьезными препятствиями, которые удерживают фармацевтические компании от вступления в вакцинный бизнес. В результате за последние годы количество производителей вакцин значительно уменьшилось, что привело к снижению конкуренции и подавлению стимулов к инвестированию в эту область.

Однако ситуация уже начала меняться. Несколько новых вакцин недавно получили разрешения для клинического использования. Ожидается, что некоторые из них получат статус блокбастера (будут приносить доход более миллиарда долларов США в год). В число претендентов входят Превнар (Prevnar), разработанный компанией Wyeth Pharmaceuticals для профилактики пневмококковых инфекций и Гардасил (Gardasil) компании Merck, предназначенный для предотвращения инфицирования папилломавирусами. Научный и экономический прогресс указывает на возможность того, что в следующем десятилетии скорость развития вакцинного бизнеса превысит скорость развития бизнеса фармакологических средств. Если ожидания оправдаются, то развитие и внедрение инновационных методик повысит шансы на успех разрабатываемых в настоящее время вакцин против ВИЧ, малярии, гепатита С и других заболеваний.

Первая крупномасштабная вакцинация имела место более 200 лет назад и ее целью была профилактика оспы. Сегодня многие инфекционные заболевания, как бактериальной, так и вирусной природы можно предотвратить с помощью вакцин. Однако до сих пор инфекции вызывают значительную заболеваемость и смертность, что указывает на необходимость создания новых и усовершенствования существующих вакцин. К настоящему времени исходные варианты некоторых вакцин уже заменены более эффективными версиями и постоянно появляются новые препараты. Половина существующих вакцин появилась в течение последних 25 лет, что соответствует разработке примерно одной вакцины в год, по сравнению с одной в пять лет, как это было в более ранний период. Появление новых и усовершенствованных вакцин привело к изменениям в методах производства, а в некоторых случаях, наоборот, производственные достижения привели к появлению новых профилактических средств.

Из данного обзора вы можете получить информацию об основных типах существующих вакцин, методах их производства, примерах того, какие изменения произошли в подходах к созданию вакцин и как новые технологии могут повлиять на производство вакцин в будущем.

ТИПЫ ВАКЦИН

Основные типы вакцин, лицензированных для клинического использования, содержат живые ослабленные, убитые или инактивированные микроорганизмы. Меньшее количество препаратов основано на очищенных компонентах микроорганизмов, а совсем немногочисленная группа – на белках, синтезированных с помощью метода рекомбинантных ДНК.

Живые ослабленные микроорганизмы

Противооспенная вакцина – первая вакцина для крупномасштабного применения – содержит живые частицы вируса коровьей оспы, являющегося близким родственником вируса человеческой оспы, но неспособного вызвать заболевание у человека. Впоследствии идея использования живых организмов для создания защитного иммунитета у человека пригодилась при создании вакцин против таких возбудителей, как холерный вибрион (Vibrio cholerae), вызывающие туберкулез микобактерии (Mycobacterium tuberculosis), возбудитель тифа (Salmonella typhi), вирусов желтой лихорадки, кори, эпидемического паротита (свинки), полиомиелита, краснухи, ветряной оспы, аденовирусов и ротавирусов.

Успех данного подхода зависит от точного определения грани между вирулентностью (способностью вызывать заболевание) и способностью приводить к развитию эффективного иммунитета. Если эту грань удалось найти, получившиеся в результате живые ослабленные микроорганизмы можно использовать в качестве эффективной вакцины благодаря присущим им трем главным элементам, необходимым для формирования устойчивого иммунитета:

– антиген(ы)-мишень(и), обеспечивающие формирование иммунологической памяти;

– ассоциированные с патогеном молекулярные комплексы, стимулирующие врожденный иммунитет (адъювантный эффект);

– присущая микроорганизмам способность проникать в организм.

В результате иммунная система реагирует на ослабленного возбудителя вакцины как на полноценный патоген. Для получения безопасных штаммов возбудителей обычно применяют метод искусственного мутагенеза с последующим отбором мутантов, направленным на устранение вирулентности. Например, входящий в состав противотифозной вакцины штамм S.typhi Ty21 получен в результате воздействия на возбудителя мутагенными агентами, что привело к ряду мутаций, позволяющих при соблюдении определенных условий выращивать бактерии в лаборатории, но предотвращающих их размножение в организме. Другие ослабленные микроорганизмы для производства вакцин создаются с помощью проводимого на протяжении нескольких поколений искусственного отбора, направленного на снижение вирулентности и повышение иммуногенности.

Производство живых ослабленных микроорганизмов в промышленных масштабах не требует больших финансовых затрат, так как они, как правило, накапливаются в больших концентрациях в бактериальной культивационной среде либо в среде, содержащей клетки, продуцирующие вирусные частицы. Однако существует одно важное обстоятельство, ограничивающее использование живых вакцин – это их потенциальная небезопасность. Проблема заключается в том, что не всегда можно отличить эффективно обезвреженные организмы от патогенных. Кроме того, всегда существует определенный риск возвращения используемыми штаммами вирулентности. Эти причины и обуславливают крайне медленный прогресс в разработке вакцин против таких заболеваний, как туберкулез и ВИЧ.

Инактивированные или убитые микроорганизмы

Вторым общепринятым методом изготовления вакцин является инактивация или умерщвление патогенных микроорганизмов. При таком подходе все антигены возбудителя доступны для иммунной системы, в то время как сам он абсолютно безвреден. Этот метод приемлем в тех случаях, когда патоген не содержит высокотоксичных компонентов и инактивация не нарушает структуры его антигенов. Таким образом производится несколько антибактериальных и антивирусных вакцин, в том числе вакцины против гриппа, гепатита А, бешенства и коклюша.

Из-за неспособности к размножению вакцины из убитых микроорганизмов в целом менее иммуногены, чем препараты из ослабленных возбудителей. Для компенсации этого такие препараты обычно вводят в комплексе с адъювантом (например, солями алюминия), повышающим их эффективность. Кроме того, убитые микроорганизмы не способны инициировать полноценный клеточный иммунитет (в особенности формирование цитотоксических Т-лимфоцитов) из-за недостаточной степени включения содержащихся в вакцинах экзогенных антигенов в механизм презентации эндогенных антигенов главного комплекса гистосовместимости I класса. Несмотря на это, вакцины из убитых возбудителей особенно эффективны для презентации конформационных эпитопов антител поверхности микроорганизмов.

Производство вакцин, содержащих убитые микроорганизмы, отличается от производства живых ослабленных вакцин лишь тем, что выделенные из культуральной среды возбудители инактивируют с помощью химических соединений, например формальдегида или бета-пропиолактона. Биохимический состав убитых бактерий, как правило, известен недостаточно хорошо, и они могут вызывать определенные побочные эффекты при попадании в организм. В отличие от них вирусы, выделяемые из надосадочной жидкости после разрушения выращенных в культуре клеток, практически не содержат клеточных компонентов. Кроме того, больший по сравнению с другими компонентами культуральных сред размер вирусных частиц обеспечивает возможность высокой степени очистки. Эти характеристики «убитых» вакцин обеспечивают их выбор при необходимости индукции гуморального (антителозависимого) иммунитета против вирусных заболеваний.

Очищенные или рекомбинантные субъединичные вакцины

Использование для производства вакцин целых живых или убитых микроорганизмов исключает необходимость идентификации нужных антигенов, однако обладает потенциальными недостатками в виде необходимости обеспечения безопасности и возможности развития недостаточного или патологического иммунного ответа. С этой точки зрения, если известен иммуногенный антиген, в большинстве случаев более безопасно и эффективно инициировать иммунный ответ избирательно.

Многие бактерии (например, возбудитель дифтерии Corynebacterium diphtheriae) синтезируют токсины, вызывающие патологические реакции в инфицированном организме. То, что с помощью нейтрализующих токсины антител можно избежать развития заболевания, известно уже давно, и предназначенные для этих целей вакцины основаны на обезвреженных вариантах токсинов, называемых токсоидами или анатоксинами.

Действующие согласно этому же принципу антитела против полисахаридов некоторых покрытых капсулами бактерий (например, Neisseria meningitidis и Streptococcus pneumoniae) известны благодаря своей способности инициировать антибактериальный иммунитет. Поэтому вакцины против таких микроорганизмов в качестве активного компонента содержат выделенные из бактериальных культур и очищенные полисахариды. Такие вакцины обычно эффективны при введении взрослым, но обладают слабым эффектом на иммунитет детей младше двух лет, что обусловлено незрелостью иммунной системы в этом возрасте и независимостью иммунного ответа на полисахариды от Т-лимфоцитов. Этот недостаток можно преодолеть с помощью белков-носителей, обеспечивающих развитие Т-лимфоцитарных реакций против полисахаридов. Например, вакцина против наиболее распространенного возбудителя инфекций дыхательных путей – гемофильной палочки (Haemophilus influenzae B) – производится путем конъюгации очищенных полисахаридов с одним из существующих белков-носителей.

И, наконец, рекомбинантные белковые вакцины, синтезируемые клеточными культурами, уже производятся против вируса гепатита В и возбудителя болезни Лайма Borrelia burgdorferi. Еще несколько препаратов находятся на стадии разработки.

Таблица 1. Основные типы вакцин

ИЗМЕНЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ВАКЦИН

Стимулом к изменению методов производства некоторых вакцин послужило сразу несколько факторов, в том числе необходимость повышения эффективности, качества и безопасности препаратов, а также практические причины, такие как стремление к простоте и снижению себестоимости производства. В результате процесс производства многих вакцин претерпел ряд изменений. Далее приведены некоторые факторы, подтолкнувшие к внесению изменений в процедуры производства вакцин.

Таблица 2. Изменения в производстве вакцин

Рекомбинантные белковые вакцины

К основным причинам, подталкивающим к замене традиционных вакцин на рекомбинантные белковые препараты, относятся следующие моменты: потребность в менее реактогенных и одновременно эффективных вакцинах (например, против сибирской язвы); необходимость создания более безопасных и лучше охарактеризованных вакцин (например, против гепатита В); отсутствие препаратов, обеспечивающих защиту сразу от большого количества серотипов (вариантов) одного и того же вида микроорганизмов (например, возбудителя менингита N meningitidis B).

Современная одобренная к применению вакцина против сибирской язвы изготавливается из не содержащего клеток фильтрата культур ослабленного штамма Bacillus anthracis без дополнительного очищения. Процесс производства препарата очень прост, однако получающаяся при этом вакцина содержит большое количество фрагментов бактериальных клеток, которые являются причиной болезни, иногда развивающейся в результате вакцинации. Вакцина нового поколения, в настоящее время проходящая клинические испытания, напротив, представляет собой высокоочищенный антиген, синтезируемый созданными с помощью метода рекомбинантных ДНК бактериальными клетками. Безопасность и эффективность этого типа вакцины необходимо тщательно протестировать, однако, судя по всему, она превосходит современную вакцину, требующую проведения серии из шести иммунизаций и последующих ежегодных инъекций.

Современные вакцины против менингита В представляют собой грубые мембранные препараты, содержащие несколько антигенов бактериальной поверхности, индуцирующих синтез бактерицидных антител. Такие вакцины достаточно эффективны, но не обеспечивают защиты от всех многочисленных разновидностей возбудителя N.meningitides. Препятствовать распространению заболевания с помощью таких вакцин можно только в тех случаях, когда заболеваемость в определенной местности вызывается небольшим количеством циркулирующих штаммов. Недавно, в результате полного скрининга генома микроорганизма (подход получил название «обратная вакцинология»), целью которого являлась идентификация универсальных антигенов, появилась экспериментальная вакцина, содержащая несколько белков N.meningitides. Введение препарата животным приводило к индукции синтеза бактерицидных антител, эффективно уничтожающих широкий спектр серогрупп N.meningitides. Сейчас эта вакцина также проходит клинические испытания.

Недостатком таких вакцин является то, что они представляют собой смесь рекомбинантных белков, которые синтезируются по отдельности несколькими штаммами генетически модифицированных бактерий Escherichia coli. Потенциальным подходом к упрощению производственного процесса является объединение нескольких белков в полипротеиновые конструкции, что снизит количество подлежащих синтезу компонентов, не влияя на иммуногенность вакцины. Такой метод уже тестируется на нескольких экспериментальных препаратах.

Смещение приоритетов в сторону производства рекомбинантных вакцин привело к появлению продуктов, изготовление которых возможно только с помощью сложных последовательных производственных процессов. Это замедляет появление препаратов нового поколения на рынке, однако усложнение процесса производства должно с запасом окупиться безопасностью и эффективностью конечных продуктов.

Улучшенные противогриппозные вакцины

Противогриппозные вакцины содержат вирусные частицы, выращенные в куриных яйцах с развивающимися эмбрионами. Такие частицы выделяют, инактивируют и используют в качестве вакцины против гриппа уже более 60 лет. В последнее время описанный производственный процесс претерпел ряд модификаций. Во-первых, повышена эффективность очистки препарата от реактогенных компонентов. Во-вторых, ученые работают над созданием комбинированных штаммов вируса, в состав которых входят кодирующие гемагглютинин и нейраминидазу гены циркулирующего штамма, а остальные гены принадлежат стандартному штамму, оптимизированному для культивирования в куриных яйцах. В целом стратегия производства противогриппозных вакцин сохранена в первоначальном виде, что обусловлено низкими доходами, не способными обеспечить достаточных инвестиций в развитие технологии. Однако возросшая в последнее время потребность в вакцине и угроза пандемии гриппа неизбежно ведет к постепенному развитию и этого направления.

Ограничения в использовании современных противогриппозных вакцин связаны с их эффективностью, переносимостью и производством. Например, уровня и длительности иммунного ответа, индуцированного вакциной из инактивированного вируса гриппа, достаточно для защиты здорового взрослого человека в течение одного сезона. Совсем неплохо было бы усовершенствовать препарат таким образом, чтобы он мог защищать также детей и пожилых людей и, желательно, в течение более длительного срока. Кроме того, парентеральное введение инактивированных вакцин не приводит к развитию иммунного ответа слизистой оболочки, необходимого для полноценной защиты от этого респираторного патогена.

Понимание возможности развития побочных эффектов, а также боязнь инъекций являются основными причинами нежелания людей проходить иммунизацию против вируса гриппа. Лучше переносимые и вводимые менее инвазивными методами вакцины, скорее всего, привлекли бы большее количество желающих защитить себя от заболевания. Живая ослабленная вакцина, наносимая на поверхности слизистых оболочек, в принципе, могла бы инициировать сходный по силе или даже более выраженный иммунный ответ, чем инактивированная инъекционная вакцина.

В 2003 году вакцина FluMist на основе адаптированного к холоду вируса гриппа (cold-adapted influenza vaccine, CAIV), разработанная компанией MedImmune Vaccines, получила лицензию в США на интраназальное введение здоровым индивидуумам в возрасте 5-49 лет. Адаптированный к холоду штамм вируса появился в результате культивирования нескольких поколений вируса в культуре клеток при 25 градусах Цельсия, что привело к ослаблению его патогенности. Чувствительность полученного штамма к температуре ограничивает его способность к размножению при введении в верхние дыхательные пути, что практически устраняет его способность вызывать заболевание. Однако он индуцирует как синтез различных классов антител (IgG сыворотки и IgA слизистой оболочки носа), так и появление специфичных киллерных Т-лимфоцитов, что обеспечивает защиту от постоянно меняющего антигенный профиль человеческого вируса гриппа. Сегментирование генома вируса, за счет возможности комбинирования генов гемагглютинина и нейраминидазы циркулирующих вирусов и оставшихся шести генов ослабленного стандартного штамма, облегчает производство вакцинных штаммов как для традиционных, так и для адаптированных к холоду вакцин. Потенциальной проблемой при производстве живых вакцин является нестабильность генома, который может измениться в процессе производства. Однако недавнее исследование не выявило в геномах девяти тестируемых штаммов никаких мутаций, произошедших в процессе производства вакцины. В настоящее время культивация адаптированных к холоду вирусов для производства вакцин также осуществляется в куриных яйцах.

Современный метод производства противогриппозных вакцин очень трудоемок, длителен и требует расхода миллионов яиц. Выбор используемого штамма вируса должен делаться за много месяцев до начала сезона повышенной заболеваемости, что значительно повышает вероятность несоответствия вакцины вирусу, для профилактики которого она предназначена. Кроме того, культивирование вируса в куриных яйцах способствует непроизвольному отбору штаммов, способных расти в этих условиях, что еще больше повышает вероятность несостоятельности вакцины. Таким образом, потребность в более быстром и технологически совершенном технологическом процессе очевидна.

Одним из возможных решений проблемы является отказ от использования куриных яиц и замена их культурами клеток. Это должно ускорить процесс, повысить его контролируемость и пригодность для производства больших объемов продукции. Кроме того, такой подход исключит вероятность развития аллергических реакций на компоненты куриных яиц. В настоящее время на последних стадиях разработки находятся методы производства противогриппозных вакцин с помощью нескольких клеточных линий и, судя по всему, они довольно скоро заменят традиционно используемые подходы.

Дальнейшие усовершенствования работы с клеточными культурами могут быть связаны с использованием методик обратной (реверсивной) генетики, в основе которых лежит обратная транскрипция генов РНК циркулирующих вирусов в ДНК. Такие ДНК-плазмиды, кодирующие антигены вируса гриппа, используются для трансфекции клеток (встраивания чужеродной ДНК в клетку), которые в результате начинают синтезировать вирусные антигены. Этот подход является многообещающей альтернативой сложному и неэффективному процессу создания разнородной популяции вирусов путем инфицирования яиц или клеток. Ускорение процесса производства противогриппозных вакцин за счет использования клеточных культур и методов обратной генетики особенно важно, учитывая постоянно появляющиеся новые штаммы гриппа, в том числе штаммы вируса птичьего гриппа H5N1, способного вызывать заболевание у людей. Кроме того, уменьшение временного промежутка между идентификацией вируса и созданием вакцины снижает вероятность их несоответствия.

Несоответствие объемов производства потребности в противогриппозных вакцинах

Сезонная тривалентная противогриппозная вакцина содержит по 15 г вирусного гемагглютинина для каждого из трех типов вируса гриппа (всего 45 г гемагглютинина). Современный мировой объем производства сезонных вакцин с использованием куриных яиц составляет примерно 1 миллиард доз моновалентных вакцин (что соответствует примерно 300 миллионам сезонной трехвалентной вакцины). Если оптимистично предположить, что для профилактики пандемии гриппа достаточно вакцинации одной дозой, содержащей 15 г гемагглютинина, то даже в этом случае современный объем производства позволит провести вакцинирование только 40% мировой популяции, причем лишь за два года. Для обеспечения вакциной всего населения мира потребуется пять лет и более двух миллиардов яиц (на производство трех моновалентных доз затрачивается одно яйцо). Моделирование возможного сценария распространения пандемии гриппа в США показало, что самым эффективным методом снижения количества инфицирований является вакцинация, но лишь в случае доступности и оперативного распространения достаточного количества препаратов. Таким образом, для обеспечения своевременной эффективной вакцинации всего населения мира существующий объем производства необходимо увеличить в шесть раз. В настоящий момент это невозможно из-за недостаточно развитой производственной инфраструктуры и технических трудностей.

Существующие и планируемые мировые ресурсы противогриппозной вакцины

Реальные цифры, которые отражали бы планируемый объем мировой продукции протигриппозных вакцин с использованием культур клеток, на настоящий момент неизвестны. Однако Министерство здравоохранения и социального обеспечения США недавно заключило контракты с шестью производителями вакцин. Выполнение условий контрактов подразумевает создание мощностей, которые обеспечивали бы производство 600 миллионов доз вакцин в течение шести месяцев (включая время подготовки). Итого планируемые мощности должны ежегодно производить 1,45 миллионов доз вакцин. Если эти планы осуществятся, то объем производства вакцин с помощью клеточных культур в США превысит сегодняшние мировые возможности производства вакцин в куриных яйцах. Учитывая это, достижение конечной цели – тотальной иммунизации в течение одного года – будет возможно в том случае, если остальные страны мира обеспечат производство вакцин с помощью клеточных культур, суммарная мощность которого превышала бы объем планируемого США производства в 2,5 раза. Кроме того, сократить время, необходимое для обеспечения мировых потребностей в противогриппозных вакцинах может повышение их эффективности и снижение необходимой дозы с помощью адъювантов.

Новые методы создания вакцин

Как уже было упомянуто выше, использование вакцин, содержащих живые или мертвые микроорганизмы или их компоненты, позволило значительно снизить заболеваемость инфекционными болезнями и даже полностью избавиться от некоторых из них. Однако традиционные подходы неэффективны в целом ряде случаев, в том числе для профилактики и лечения хронических инфекций и рака. В таких ситуациях требуется индукция мощных клеточных иммунных реакций, в том числе стимуляция цитотоксических лимфоцитов, функции которых заключаются в уничтожении инфицированных и злокачественных клеток. Кроме того, в некоторых случаях необходима более высокая специализация иммунных клеток по отношению к определенным антигенам, в особенности к опухолевым неоантигенам. Для обеспечения этого необходимы новые методы презентирования антигенов иммунной системе. В случае онкологических заболеваний важно также преодоление иммунологической толерантности к собственным антигенам. Несколько перспективных методик в настоящее время находятся на разных стадиях разработки и со временем могут помочь в усовершенствовании производства существующих вакцин.

Генные вакцины

Клеточный, в особенности цитотоксический, иммунитет особенно эффективно стимулируется при экспрессировании антигена клетками самого организма, что происходит при вирусной инфекции. Вакцины, содержащие живые микроорганизмы, как и генные препараты, основанные на ДНК-плазмидах и рекомбинантных вирусных векторах, способны вызывать подобную реакцию иммунной системы. Такие препараты, как VLP-вакцины (VLP – virus-like particle – вирусоподобные частицы), также способны активизировать цитотоксические лимфоциты (см. ниже) путем интернализации и процессинга антигенов антигенпрезентирующими клетками, однако этот механизм отличается от запускаемых живыми вирусными вакцинами реакций. Одним из привлекательных качеств генных вакцин является то, что они сочетают в себе простоту и способность вызывать специфичный иммунный ответ, характерные для рекомбинантных вакцин, и возможность индукции цитотоксического ответа, традиционно обеспечиваемой введением живых микроорганизмов. Благодаря этим качествам генные вакцины против инфекционных и онкологических заболеваний подают большие надежды при проведении доклинических и клинических испытаний.

Внедрение таких вакцин в практику должно значительно облегчить производственный процесс. Во-первых, вирусные ДНК-плазмиды для вакцин синтезируются бактериями E. coli в процессе обычной ферментации, что позволяет производить высокоочищенные и стабильные препараты в промышленных масштабах. Во-вторых, метод рекомбинантных ДНК позволяет ускорить производство новых вакцин, что важно в борьбе с вновь возникающими заболеваниями, такими как пандемичный грипп. Единственное отличие ДНК-вакцин друг от друга – это состав гена, встраиваемого в бактериальную клетку при их производстве. Таким образом, процесс производства таких вакцин универсален и не зависит от характера возбудителя. В 2005 году две генные вакцины получили официальное разрешение на использование в ветеринарной практике и, судя по всему, этот класс препаратов ждет большое будущее.

К сожалению, вводимые путем инъекций в буферном растворе ДНК-плазмиды обладают достаточно слабой иммуногенностью в человеческом организме. Возможно, это проблему удастся решить путем усовершенствования методов доставки препаратов в организм. Как альтернатива ДНК-плазмидам в настоящее время рассматриваются рекомбинантные вирусные векторы, получаемые из аденовирусов, поксивирусов и альфавирусов. Подобно обычным ДНК-вакцинам, рекомбинантные вирусные векторы доставляют в клетки гены, кодирующие антигены возбудителей-мишеней, однако с более высокой эффективностью, выражающейся в развитии более выраженного иммунного ответа. Однако, с точки зрения производства, создание вирусных векторов сложнее, чем производство ДНК-вакцин. Структура вектора, его генетическая стабильность, линии клеток-производителей, условия размножения и очистки вирусных частиц, а также характеристики готового продукта – все это должно быть тщательно продумано и отработано в целях получения высококачественных безопасных препаратов. Несколько основанных на вирусных векторах вакцин уже проходят клинические испытания; ведется активная работа над стандартизацией вышеперечисленных параметров.

Кроме связанных с производством технических трудностей, существует проблема, связанная с тем, что в течение жизни у многих людей уже выработался иммунитет на вирусы, в особенности на аденовирусы и поксивирусы. Это значительно снижает эффективность вакцинации сконструированными на основе этих вирусов векторами. В качестве стратегий преодоления этой проблемы рассматриваются такие подходы, как повышение дозы, подбор редких серотипов вирусов (с которыми большинство людей не сталкивалось), разработка поэтапных режимов вакцинации и удаление из векторной ДНК-последовательности иммунодоминантных эпитопов.

VLP-вакцины

VLP, или вирусоподобные частицы, формируются в результате самосборки белков вирусных капсидов при их помещении в клеточную культуру. Вакцины на основе VLP обладают перед вакцинами других типов целым рядом преимуществ. Во-первых, они состоят из частиц, содержащих много повторяющихся копий антигенов, в структуру которых входят взаимодействующие с антителами эпитопы. Это обеспечивает эффективную активацию как гуморального, так и клеточного иммунного ответа, в том числе формирование специфичных цитотоксических лимфоцитов. Во-вторых, вирусоподобные частицы не содержат вирусных нуклеиновых кислот и не способны к самовоспроизведению, что обеспечивает их безопасность. В-третьих, VLP-вакцины эффективны при нанесении на слизистые оболочки, в том числе ротовой полости. И, наконец, существует много вариантов синтеза таких частиц. Для этого можно использовать культуры клеток млекопитающих, насекомых, растений, а также дрожжи и бактерии. Это обеспечивает возможность подбора условий производства согласно специфическим требованиям, предъявляемым к каждому конкретному продукту.

Эффективная самосборка капсидов отдельных вирусов, а также корпускулярная природа вирусоподобных частиц значительно облегчают производство и очистку этого типа вакцин по сравнению растворимыми вакцинами на основе рекомбинантных белков. Уже созданы и прошли клинические испытания VLP-вакцины против ВИЧ, вируса Норфолка и человеческого папилломавируса. Вакцины против типов 16 и 18 папилломавируса, стимулирующие иммунный ответ на специфический антиген L1, продемонстрировали высокую иммуногенность, а также способность предотвращать инфицирование людей папилломавирусами и развитие ассоциированных с ними поражений слизистой шейки матки. Недавно эти вакцины получили официальное одобрение для практического использования.

Вакцины растительного происхождения

Применение съедобных вакцин растительного происхождения значительно облегчает процессы производства препаратов и их доставки в организм. Учитывая то, что большинство патогенов попадает в организм через слизистые оболочки, создание и поддержание полноценного местного иммунитета слизистых оболочек должно обеспечить защиту человека от большинства инфекционных заболеваний. Особенно привлекательно выглядит пероральное введение вакцин, т.к. оно позволяет избежать использования инъекционных игл и допускает самостоятельное применение. Производство вакцин с помощью растений является весьма привлекательным подходом с точки зрения безопасности и эффективности затрат. Растительные вакцины не могут содержать животных белков, а также патогенов животного происхождения, в том числе прионов. Возможности создания растительных вакцин практически безграничны и не требуют осуществления сложных технологических манипуляций. Трансгенные растения, такие как картофель, томаты и бананы, в состав которых входят необходимые для вакцинации антигены, можно выращивать в промышленных масштабах, для чего не требуется разработки сложных и дорогостоящих производственных процессов и оборудования.

На настоящий момент клубни картофеля трансгенных сортов, экспрессирующие бактериальный токсин и антигены гепатита В и вируса Норфолка и в сыром виде представляющие собой съедобные вакцины, успешно прошли I фазу клинических испытаний. Однако на некоторые вопросы еще предстоит получить ответы. В том числе необходимо детальное изучение возможности развития иммунологической толерантности слизистой оболочки ротовой полости при употреблении съедобных вакцин, важна разработка протоколов приема таких препаратов, а также разработка повышающих эффективность вакцин адъювантов. Не последним вопросом является поиск растений, являющихся оптимальными системами для производства вакцин. Одним из критериев отбора является съедобность плодов растения в сыром виде, что позволяет избежать потери антигенов при термической обработке.

Новые адъюванты и системы доставки

Эффективность вакцин, содержащих рекомбинантные или очищенные белковые фрагменты, обычно снижается из-за недостаточной иммуногенности и трудностей с доставкой в организм, чего не скажешь о вакцинах, основанных на целых микроорганизмах, содержащих множество стимулирующих иммунитет компонентов и не нуждающихся в помощи при проникновении в организм. Это обуславливает необходимость разработки повышающих эффективность вакцинации адъювантов и систем доставки. На сегодняшний день разрешение на применение в комплексе с вакцинами, предназначенными для людей, получило очень небольшое количество соединений, в том числе соли алюминия и водомасляная эмульсия MF59. Однако результаты последних исследований указывают на то, что решающую роль в развитии приобретенного иммунного ответа играет стимуляция механизмов врожденного иммунитета. Это привело к тому, что в настоящее время много усилий уделяется разработке подходов, которые помогли бы задействовать механизмы врожденного иммунитета в развитии полноценного иммунного ответа на вакцинацию.

Уже разработано несколько экспериментальных потенцирующих иммунитет средств, значительно повышающих эффективность вакцин. К таким препаратам относятся иммуностимулирующие олигонуклеотиды CpG, синтетические аналоги монофосфориллипида А и малые молекулы имидазохинолиновых соединений. Смеси таких потенцирующих средств с вакцинами демонстрируют весьма высокую эффективность, однако в большинстве случаев адъювантный эффект можно значительно усилить с помощью подбора систем доставки вакцин в организм. Например, в экспериментах на животных показано, что использование микрочастиц и эмульсий для одновременного введения в организм антигенов и иммунных потенцирующих средств приводит к значительному повышению эффективности вакцинации.

Производство таких вакцин, однако, связано с определенными трудностями, так как для этого необходимо сначала провести синтез трех индивидуальных компонентов и только потом создать на их основе конечный продукт.

Выводы

В настоящее время в практическом здравоохранении применяются вакцины, разработанные много лет назад, но усовершенствованные по мере развития медицинской науки. Усовершенствование вакцин обусловлено необходимостью повышения их безопасности, переносимости и эффективности. В результате появились продукты, обладающие улучшенными характеристиками, производство которых, однако, невозможно без усложнения технологических процессов. В то же время, некоторые разработанные десятилетия назад вакцины, например, вакцину против гриппа, до сих пор получают с помощью допотопных, давно устаревших методов. Изменения в подходах к производству таких вакцин стимулируются желанием внедрения более эффективных усовершенствованных технологий. Конечной целью является создание препаратов, эквивалентных своим прототипам, или превосходящих их по свойствам, но производимых с помощью современных технологических процессов, в больших объемах и со скоростью, позволяющей удовлетворить существующие запросы. И, наконец, существуют заболевания, против которых бессильны вакцины, производимые с помощью традиционных методов. В таких случаях требуется разработка новых подходов к созданию вакцин, которые, в свою очередь, могут оказать влияние на уже существующие технологии. Несмотря на все достижения в области производства вакцин, есть ряд проблем, которые практически невозможно решить. К ним относятся инерция производителей, затрудняющая замену традиционных методов производства новыми; сложные регулятивные вопросы, касающиеся иммунизации здоровых людей новыми вакцинами, и повышение финансовых затрат при переходе на производство новых усовершенствованных препаратов.

Перевод: Е.Рябцева

Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/