Эволюция вакцин: от прорыва Дженнера против оспы к современной иммунологии

---

История

Разработка вакцин для защиты от вирусных заболеваний — одна из вершин современной медицины. Первую вакцину создал Эдвард Дженнер в 1796 году для защиты от оспы. Дженнер заметил, что молчницы, переболевшие коровьей оспой — относительно безвредной инфекцией, — оказывались устойчивы к натуральной оспе, болезни людей, регулярно достигавшей эпидемических масштабов с крайне высокой смертностью.

Дженнер верно гипотезировал, что коровья оспа, болезнь животных, похожа на натуральную оспу. Он заключил, что реакция человеческого организма на введение вируса коровьей оспы как-то научит тело отвечать на оба вируса, не вызывая серьезного заболевания или смерти. Сегодня натуральная оспа полностью искоренена. Существуют только два замороженных образца этого вирулентного вируса (один в США, другой в России), и по состоянию на середину 1995 года идет серьезный научный спор — уничтожить ли их или сохранить для дальнейших лабораторных исследований.

Вирус — малый фрагмент РНК (рибонуклеиновой кислоты) и/или ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), материала во всех живых клетках, инструктирующего клетку, как расти и размножаться. Вирусы не могут размножаться сами по себе, а только захватывая ядро хозяин-клетки и заставляя ее производить дополнительные вирусы. Когда вирус успешно invadирует организм, он перехватывает процесс роста клеток хозяина.

В обычных обстоятельствах человеческий организм реагирует на вирусное вторжение несколькими способами. Общий иммунитет к вирусу может развиваться клетками тела, являющимися мишенями вирусной инвазии. В этом случае вирусы предотвращаются от доступа к хозяин-клеткам. Более распространенная защита — способность тела развивать клетки крови и лимфы, уничтожающие или ограничивающие эффективность вторгающегося вируса. Часто инфицированное человеческое тело «учит» себя отвечать на конкретный вирус в будущем, так что единичная инфекция, особенно от относительно безвредного вируса, обычно обучает тело реагировать на дополнительные инвазии того же вируса. Простуда, например, вызывается одним из нескольких сотен вирусов. После выздоровления от простуды большинство людей устойчивы к конкретному вирусу, вызвавшему эту простуду, хотя похожие вирусы простуды все равно вызывают похожие или идентичные симптомы. Для некоторых безвредных вирусов человек может даже развить иммунитет без видимых симптомов.

Семейства вирусов

Обычно существует несколько вариаций или штаммов любого конкретного вируса. В зависимости от числа вариантов биолог может группировать вирусы как типы или штаммы. Вакцины часто делают из более чем одной группы родственных вирусов; профилактическая реакция на поливалентную вакцинацию, вероятно, вызовет иммунитет почти ко всем вариантам группы, или по крайней мере к тем, с которыми человек, вероятно, столкнется. Выбор конкретных членов группы для использования в вакцине делается с peinной тщательностью и обдумыванием.

Производственный процесс

Производство антивирусной вакцины сегодня — сложный процесс даже после трудоемкой задачи создания потенциальной вакцины в лаборатории. Переход от производства потенциальной вакцины в малых количествах к производству галлонов безопасной вакцины в производственных масштабах драматичен, и простая лабораторная процедура может не подойти для ситуации «масштабирования».

Семя (Seed)

• 1. Производство начинается с малых количеств конкретного вируса (или семени). Вирус должен быть свободен от примесей, включая другие похожие вирусы и даже вариации того же типа. Кроме того, семя должно храниться в «идеальных» условиях, обычно замороженных, предотвращающих усиление или ослабление вируса сверх желаемого. Хранят в маленьких стеклянных или пластиковых контейнерах, объемы всего 5 или 10 куб. см, но содержащие тысячи, если не миллионы вирусов, в конечном итоге ведут к нескольким сотням литров вакцины. Морозильники поддерживают заданные температуры; графики и/или приборы снаружи морозильника ведут непрерывный учет температуры. Датчики запускают звуковые и/или компьютерные тревоги, если температура выходит за диапазон.

Размножение вируса

• 2. После разморозки и прогрева семенного вируса под строго заданными условиями (комнатная температура или водяная баня), малую كمية вирусных клеток помещают в «клеточный завод» — небольшую машину, которая с добавлением подходящей среды позволяет вирусным клеткам размножаться. Каждый тип вируса лучше всего растет в среде, специфичной для него, установленной в до-производственных лабораторных процедурах, но все содержат белки млекопитающих в той или иной форме, например, очищенный белок из коровьей крови. Среда также содержит другие белки и органические соединения, поощряющие размножение вирусных клеток. Для вируса среда в клеточном заводе — хозяин для размножения. Смешанная с подходящей средой, при соответствующей температуре и за заданное время вирусы размножаются.
• 3. Помимо температуры, другие факторы должны контролироваться, включая pH смеси. pH — мера кислотности или щелочности, измеряемая по шкале от 0 до 14, и вирусы должны держаться на определенном pH в клеточном заводе. Обычная вода, ни кислая, ни щелочная (нейтральная) имеет pH 7. Хотя емкость, в которой растут клетки, не очень велика (возможно, размер кастрюли 4-8 кварт), к ней подключено впечатляющее число клапанов, трубок и датчиков. Датчики следят за pH и температурой, есть различные соединения для добавления сред или химикатов, таких как кислород, для поддержания pH, места для отбора образцов на микроскопический анализ и стерильные устройства для добавки компонентов клеточного завода и извлечения промежуточного продукта, когда он готов.
• 4. Вирус из клеточного завода затем отделяют от среды и помещают во вторую среду для дополнительного роста. Ранние методы 40 или 50 лет назад использовали бутылку для хранения смеси, и результатом роста был единственный слой вирусов, плавающий на среде. Вскоре обнаружили, что если вращать бутылку пока растут вирусы, можно получить еще больше вируса, потому что слой вируса растет на всех внутренних поверхностях бутылки. Важное открытие 1940-х — рост клеток сильно стимулируется добавлением ферментов к среде, самым часто используемым из которых является трипсин. Фермент — белок, также функционирующий как катализатор в питании и росте клеток.

  В современной практике бутылки не используются вообще. Растущий вирус держат в емкости больше, но похожей на клеточный завод, и смешивают с «бэдами» — почти микроскопическими частицами, к которым вирусы могут прикрепляться. Использование бэд дает вирусу гораздо большую площадь для прикрепления и, следовательно, гораздо больший рост вируса. Как и в клеточном заводе, температура и pH строго контролируются. Время, затрачиваемое на выращивание вируса, варьируется по типу производимого вируса и в каждом случае является строго охраняемой тайной производителя.

Разделение

• 5. Когда накоплено достаточное количество вирусов, их отделяют от бэд одним или несколькими способами. Брой могут прокачать через фильтр с отверстиями, достаточно большими для прохода вирусов, но малыми для удержания бэд. Смесь могут центрифугировать несколько раз для разделения вируса от бэд в емкости, откуда его затем могут откачать. Еще одна альтернатива — промыть смесь бэд другой средой, смывающей вирус с бэд.

Выбор штамма

Конечная вакцина будет либо из ослабленного (аттенуированного) вируса, либо из убитого вируса. Выбор одного или другого зависит от ряда факторов, включая эффективность полученной вакцины и ее побочные эффекты. Вакцина против гриппа, разрабатываемая почти каждый год в ответ на новые варианты возбудителя, всегда является аттенуированной. Вирулентность вируса может диктовать выбор; вакцина против бешенства, например, всегда убитая.

• 6. Если вакцина аттенуированная, вирус обычно аттенуируют перед производственным процессом. Тщательно отобранные штаммы культивируют (выращивают) многократно в различных средах. Существуют штаммы вирусов, которые на самом деле становятся сильнее при росте. Эти штаммы явно непригодны для аттенуированной вакцины. Другие штаммы становятся слишком слабыми при многократном культивировании, и они тоже неприемлемы для вакцинного использования. Как каша, стульчик и кровать, которые понравились Золотокудрявой, только некоторые вирусы «в самый раз», достигая уровня аттенуации, делающей их приемлемыми для вакцинного использования, и не меняя силу. Недавние молекулярные технологии сделали возможной аттенуацию живого вируса молекулярной манипуляцией, но этот метод все еще редок.
• 7. Вирус затем отделяют от среды, в которой он вырос. Вакцины нескольких типов (как большинство) комбинируют перед упаковкой. Фактическое количество вакцины, вводимой пациенту, будет относительно малым по сравнению с средой, в которой она вводится. Решения о том, использовать ли воду, спирт или другое растворение для инъекционной вакцины, например, принимаются после повторных тестов на безопасность, стерильность и стабильность.

Контроль качества

Для защиты чистоты вакцины и безопасности работников, делающих и упаковывающих вакцину, соблюдают условия лабораторной чистоты на протяжении всей процедуры. Все перекачивания вируса и сред проводят в стерильных условиях, и все используемые инструменты стерилизуют в автоклаве (машине, убивающей организмы теплом, которая может быть меньше ювелирной коробки или больше лифта) до и после использования. Работники, выполняющие процедуры, носят защитную одежду, включающую одноразовые халаты Тайvek, перчатки, носки, сеточки для волос и маски. Производственные помещения специально кондиционируются так, чтобы в воздухе было минимальное число частиц.

Процесс одобрения

Для продажи препаратов по рецепту в США производитель должен соответствовать строгим лицензионным требованиям, установленным законом и обеспечиваемым Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и лекарств (FDA).

Все препараты по рецепту должны пройти три фазы тестирования, хотя данные второй фазы иногда могут использоваться для выполнения требований третьей фазы. Фаза 1 должна доказать, что лекарство безопасно, или по крайней мере что нежелательные или неожиданные эффекты не возникнут при его введении. Если лекарство проходит Фазу I, его должны протестировать на эффективность — оно должно делать то, для чего предназначено; лекарство нельзя продавать бесполезным или утверждающим эффект, которого у него нет. Наконец, Фаза III предназначена для количественной оценки эффективности лекарства. Хотя от вакцин ожидается эффективность близкая к 100 %, некоторые лекарства могут быть приемлемы даже с ограниченной эффективностью, пока назначающий врач знает шансы.

Весь производственный процесс тщательно рассматривается FDA, которое изучает записи процедур и посещает производственный объект. Каждый шаг производственного процесса должен быть задокументирован, и производитель должен продемонстрировать «состояние контроля» для производственного процесса. Это означает, что скрупулезные записи должны вестись для каждого шага, и должны существовать письменные инструкции для каждого шага. За исключением грубых ошибок, FDA не определяет, правилен ли каждый шаг процесса, а только что он безопасен и задокументирован достаточно для выполнения так, как это规定 производителем.

Будущее

Создание пригодной, безопасной антивирусной вакцины задействует множество шагов, которые, к сожалению, не всегда можно выполнить для каждого вируса. Еще многое предстоит сделать и узнать. Новые методы молекулярной манипуляции заставили более одного ученого верить, что вакцинная технология лишь сейчас входит в «золотой век». Усовершенствование существующих вакцин возможно в будущем. Вакцина против бешенства, например, вызывает побочные эффекты, делающие ее неудовлетворительной для массовой иммунизации; в США вакцина против бешенства теперь применяется только к пациентам, заразившимся вирусом от инфицированного животного и которые, без иммунизации, вероятно, развили бы фатальное заболевание.

ВИЧ-вирус, который биологи считают вызывающим СПИД, в настоящее время не поддается традиционным методам производства вакцин. Вирус СПИД быстро мутирует из одного штамма в другой, и данный штамм не кажется дарующим иммунитет против других штаммов. Кроме того, ограниченный иммунизирующий эффект либо аттенуированного, либо убитого вируса не может быть продемонстрирован ни в лаборатории, ни на испытуемых животных. ВИЧ-вакцина еще не разработана.