Разработана инновационная технология ДНК-вакцин

Исследовательская команда из Центра Инфекционных Заболеваний и Вакцинологии (Center for Infectious Diseases and Vaccinology, США) и Института Биодизайна при Университете Штата Аризона (Arizona State University's Biodesign Institute, США) разработала универсальную технологию эффективных и безопасных ДНК-вакцин, основанную на использовании генно-инженерных бактерий. Производство вакцин по новой технологии требует гораздо меньших финансовых затрат, чем при производстве традиционных вакцин. Кроме того, разработанный метод универсален – можно создать вакцину против широкого спектра болезнетворных микроорганизмов, вирусов и грибов. Статья, описывающая инновационный метод получения ДНК-вакцин, была опубликована 5 ноября 2012 г. в интернет-издании журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.

Разработка вакцины, которая одновременно являлась бы безопасной и эффективной – довольно сложная задача для исследователей. Основные типы вакцин, лицензированных в настоящее время для клинического использования, содержат живые ослабленные, убитые или инактивированные микроорганизмы. Меньшее количество препаратов основано на очищенных компонентах микроорганизмов. Вакцины, содержащие живые ослабленные патогены, обычно вызывают сильный иммунный ответ – такой же, как при естественном инфицировании организма, но отрицательный момент состоит в том, что они способны спровоцировать развитие заболевания или распространиться в окружающую среду, где сохранят свою жизнеспособность. Вакцины, содержащие убитые патогены, и вакцины, созданные на основе патогенных частиц микроорганизмов, более безопасны, но обладают меньшей иммуногенной эффективностью. Для поддержания постоянной эффективности может потребоваться введение дополнительных доз вакцины.

Исследовательская команда под руководством Роя Кертисса (Roy Curtiss), директора Центра Инфекционных Заболеваний и Вакцинологии, работала над созданием одновременно безопасной и эффективной вакцины, которая принималась бы перорально и могла бы быть получена при минимальных финансовых затратах относительно стоимости вакцин, производимых традиционными методами. Ученые провели новаторские эксперименты в области разработки метода получения ДНК-вакцины с использованием генно-инженерного штамма бактерии Сальмонеллы. Разработанная ими технология основана на использовании ослабленного штамма бактерии для доставки реципиенту набора бактериальных антигенов, вызывающих иммунный ответ организма. Новый тип вакцины, названный RASV (recombinant attenuated Salmonella vaccines), способен провоцировать интенсивный иммунный ответ во всем организме и вызвать стойкий иммунитет. В настоящее время исследовательская команда продолжает совершенствовать вакцину.

Профессор Вей Конг (Wei Kong) из Института Биодизайна при Университете Штата Аризона совместно с сотрудниками научной группы Кертисса во время предыдущих исследований создали особый штамм Сальмонеллы, способный к самоуничтожению в организме через определенный период времени после выполнения иммунизационных задач. Для этого ученые модифицировали бактерию таким образом, что ее выживание стало зависеть от наличия искусственных сахаров, не встречающихся в естественных условиях организма. После того как в клетках, зараженных генно-инженерным штаммом Сальмонеллы, заканчивается запас специфического сахара, поставляемого вместе с вакциной, бактерии не способны сохранить целостность своих клеточных стенок, что приводит к их гибели. По мнению Конга, это важное свойство обеспечивает безопасность разработанной вакцины, поскольку гарантирует, что штамм Сальмонеллы не выживет в случае распространения в окружающую среду. Бактерии колонизируют клетки хозяина, провоцируют развитие мощного гуморального и клеточного иммунного ответа, а затем погибают.

Исследовательская команда экспериментально подтвердила эффективность применения генно-инженерных бактерий, использовав свои вакцины для борьбы с разными патогенами, такими как вирус гриппа и микобактерия Mycobacterium tuberculosis, являющаяся возбудителем туберкулеза. Недавно, после получения одобрения Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов США (Food and Drug Administration, FDA), была начата I фаза клинических испытаний, направленных на оценку эффективности и безопасности применения вакцины RASV для лечения детей, больных пневмонией.

Предыдущее исследование научной группы Кертисса было направленно на получение бактериальных антигенов, которые высвобождались бы во время лизиса бактериальной клетки. В новом исследовании ученые стремились превратить штамм Сальмонеллы с замедленным лизисом в универсальное средство доставки в организм ДНК-вакцин. Принцип ДНК-вакцин заключается во введении в организм генетического материала, приводящего к синтезу в клетках хозяина специфических бактериальных антигенов, которые стимулируют развитие в организме мощного клеточного и гуморального иммунного ответа. Это свойство обеспечивает важное преимущество разработанной вакцины перед другими вакцинами, поскольку продуцируемые антигены претерпевают в клетках хозяина гликозилирование – разновидность пост-трансляционной модификации белков. Такие модифицированные антигены, встречающиеся в организме при инфицировании разнообразными патогенными вирусами, грибами и паразитами, должны быть синтезированы клеткой хозяина.

В новом исследовании ученые доставили в организм вакцину, чья последовательность ДНК индуцировала у иммунизированного организма синтез защитного гликопротеина, как при заражении вирусной инфекцией. Предыдущие попытки достигнуть успеха при доставке ДНК-вакцин с помощью бактерий были сделаны в 1995 г., но только сейчас был получен положительный результат.

Для этого потребовалось совершить ряд ключевых изменений в RASV-вакцинах с замедленным лизисом. Ученые в течение 5 лет работали над решением этих вопросов. Чтобы повысить способность вакцинного вектора внедряться в клетки хозяина и трансформироваться в ее внутреннее содержание, был создан высокоинвазивный штамм Сальмонеллы с помощью применения рекомбинантной ДНК.

При инфекции организма Сальмонеллой клетки хозяина заключают бактерию в окруженную мембраной эндосому. RASV была модифицирована таким образом, чтобы зрелая бактерия смогла вывести свое иммуногенное содержимое из эндосомы в цитозоль клетки-хозяина.

Разработанные в дальнейшем варианты штамма Сальмонеллы были направлены на снижение способности патогена вызывать гибель клетки-хозяина, что препятствововало бы миграции ДНК-вакцины в ядро клетки-хозяина с целью индуцирования синтеза защитных антигенов.

Авторы отметили, что их пероральная RASV-вакцина по своим свойствам превосходит ранее предложенные ДНК-вакцины, вводимые путем внутримышечной инъекции или генной пушки. Старые методы были не эффективны при доставке вакцины в слизистые оболочки и лимфоидную ткань, что необходимо для развития устойчивого иммунитета.

Безопасность новой вакцины RASV была оценена на новорожденных мышах, беременных и иммунодефицитных мышах. «Мы смогли защитить мышей от доз вируса гриппа, которые в отсутствие иммунитета могли оказаться смертельными», - говорит Кертисс.

Вирус гриппа распространяется по всему миру в виде вспышек эпидемии, ежегодно вызывая от трех до пяти миллионов случаев тяжелой формы заболевания. Уровень ежегодной смертности варьирует от 250 до 500 тыс. случаев, возрастая до нескольких миллионов в годы пандемий. В настоящее время методы получения противогриппозных вакцин основаны на использовании куриных эмбрионов и клеточных культур. Эти способы дают возможность получить лишь ограниченное количество вакцины против вируса гриппа, что не позволяет привить от него каждого человека. Кроме того, высказаны опасения, что биотеррористы могут создать высококонтагиозные штаммы вируса гриппа, используя обратные генетические системы, основанные на плазмидах, и повлиять на процесс распространения эпидемий гриппа. По мнению Конга, ключом к успешному реагированию на эпидемию гриппа является повышение скорости получения подходящей вакцины.

Способность быстро создавать и равномерно повышать эффективность вакцин, направленных как против вируса гриппа, так и против других потенциально летальных патогенов. требует альтернативных подходов к дизайну, изготовлению и применению вакцин. Универсальная платформа ДНК-вакцин, предложенная в новом исследовании, является важным достижением в этой научной области.

По материалам Arizona State University

Оригинальная статья:
Wei Kong, Matthew Brovold, Brian A. Koeneman, Josephine Clark-Curtiss, and Roy Curtiss III. Turning self-destructing Salmonella into a universal DNA vaccine delivery platform. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012; DOI: 10.1073/pnas.1217554109 (http://www.pnas.org/content/early/2012/11/02/1217554109)