От оспы до коронавируса

Вакцины: что это такое и зачем нужны

Николай Никитин, ПостНаука

Коклюш, полиомиелит, корь – это только некоторые из болезней, которые сегодня практически не встречаются благодаря вакцинации. Об эпидемиях оспы и брюшного тифа современные люди знают теперь лишь из книг.

Вакцинация формирует защитные механизмы организма для устойчивости к заболеванию и делает иммунную систему сильнее. Чаще всего вакцины делают из ослабленных форм патогена, чтобы подготовить иммунную систему к встрече с реальной угрозой – вирусом или бактерией. 

По данным ВОЗ, вакцинация позволяет ежегодно предотвращать от 2 до 3 миллионов смертельных случаев, а недоверие людей к вакцинам внесено в список десяти главных проблем здравоохранения, над которыми ВОЗ работала в 2019 году. Например, в 1958 году в США было зарегистрировано более 750 тысяч случаев кори – погибло 552 человека. Но когда вакцинация против кори стала обязательной, число случаев снизилось до нескольких десятков в год.

Первые вакцины. Как врачи победили черную оспу 

Вирусы и бактерии на протяжении всей истории живут по соседству с человеком. Не раз они вызывали эпидемии, жертвами которых становились сотни тысяч людей. Черная (натуральная) оспа – тяжелая вирусная инфекция – шестнадцать веков проходила по землям Европы, Индии, Китая и Персии. 

Лекарств от напасти не было, но врачи искали способ остановить хворь – так появилась вариоляция. У больного брали гной из пустулы и втирали его в кожу здорового человека. Идея была проста: вызвать легкое заболевание, чтобы впоследствии предотвратить тяжелое. После вариоляции человек переносил оспу в легкой форме, но этого было достаточно, чтобы сформировался иммунитет.

В 1718 году эту методику привезла в Европу Мэри Уортли Монтегю, супруга британского посла в Константинополе. Она узнала о вариоляции в Турции и не побоялась привить собственного пятилетнего сына. После «клинических испытаний» на преступниках и детях из церковных приютов способ взяли на вооружение британские врачи.

Смертность от вариоляции составляла всего 2% – неплохой показатель для XVIII века. Но методика не всегда работала гладко и порой вызывала эпидемии: врачи подсчитали, что за 40 лет клинического применения в одном только Лондоне погибло на 25 тысяч больных больше, чем за столько же лет до введения прививок. К концу XVIII века от вариоляции начали постепенно отказываться.

К этому времени британский сельский врач Эдвард Дженнер придумал новый способ борьбы с болезнью. Он обратил внимание, что местные доярки часто заражались коровьей оспой. Заболевание проходило в легкой форме, а после формировался иммунитет и к натуральной оспе. 

Дженнер предположил, что возбудители натуральной и коровьей оспы принадлежат к одному семейству и поэтому, переболев одной оспой, второй человек уже не заболеет. Около тридцати лет врач наблюдал за естественными случаями заболевания коровьей оспой и в 1796 году решился на публичный эксперимент. В присутствии врачей и зрителей Дженнер взял корочку оспы от доярки и «привил» ее восьмилетнему мальчику Джеймсу Фиппсу: врач взял немного жидкости из гнойника доярки и тем же ланцетом сделал надрезы у мальчика. Болезнь принялась, но развивалась только на привитых местах и протекала без осложнений. Спустя несколько недель Дженнер привил ребенку натуральную человеческую оспу, но и та не прижилась, и мальчик остался здоров. Такие эксперименты сегодня никто не допустит: слишком высок был риск, и мальчик мог умереть. Но ожидания Эдварда Дженнера оправдались. Метод получил название «вакцинация» (от слова vaccinia – «коровий»).

На самом деле на это обращали внимание и до Дженнера, но только он смог подвести теоретическую базу и доказать свою гипотезу экспериментально.

Совсем недавно научное сообщество заговорило, что Дженнер использовал не только вирус оспы коровы, но и оспы лошадей. Об этом начали задумываться после эксперимента научной группы из канадского Альбертского университета, которая смогла в лабораторных условиях воссоздать тот самый вирус лошадиной оспы. Восстановленный вирус не представляет опасности для людей, но биологически близок к вирусу черной оспы. Этот модельный вирус должен был помочь получить новую, более безопасную вакцину, но вызвал беспокойство общества об использовании его в качестве биологического оружия.

В XIX веке в Европе прививки от оспы по методу Дженнера постепенно стали повсеместными, а после его визита в Россию в 1814 году был учрежден оспопрививательный комитет. После революции в 1919 году советские власти и вовсе сделали прививки от оспы обязательными, а затем, в 1960-е, СССР добился от ВОЗ старта программы по массовой вакцинации человечества, и в 1980 году с этой болезнью было официально покончено. 

Современные вакцины

Одновременно с этим постепенно процесс вакцинирования становился все более и более безопасным. Дело в том, что способ Дженнера, при котором гной брали из пустул у коров, предполагал риск заражения другими заболеваниями. Поэтому его последователи придумали сначала растирать содержимое пустулы с глицерином, который избавлял взвесь от бактериальных примесей. Это резко уменьшило число побочных эффектов, но все же не свело их к нулю.

Современные вакцины значительно безопаснее и берут начало от препаратов Луи Пастера – французского химика и микробиолога, который во второй половине XIX века изучал процессы брожения. В те времена существовала теория, считавшая брожение чисто химическим процессом. Пастер доказал, что это не так. Установив биологические основы брожения, он сразу предположил, что результаты его исследований в конечном итоге могут пригодиться и в медицине.

Пастер утверждал, что существа, вызывающие брожение и болезни, могут быть похожи. Для того времени это была совершенно новая мысль. Медики середины XIX века предполагали, что заболевания происходят из сочетания нездоровой среды, дисбаланса жизненных процессов организма, влияния наследственности и действия «миазмов» – к ним относили сточные воды и отходы боен. Пастеру настолько не верили, что однажды во время его лекции о причинах и предупреждении куриной холеры во Французской академии медицины его вызвал на дуэль известный врач-ортопед и старейший член академии 80-летний Жюль Герен. Дуэли удалось избежать только после вмешательства президента академии.

Чтобы доказать свою теорию, Пастер начал изучать сибирскую язву. В 1876 году немецкий врач Роберт Кох выделил возбудителя сибирской язвы и описал жизненный цикл бактерии. Кох научился сохранять ее в высушенном состоянии таким образом, чтобы бактерия оставалась патогенной. Пастер немедленно подхватил методику и начал эксперименты по созданию вакцины от куриной холеры и сибирской язвы. Ему удалось химически ослабить выделенные возбудители обеих болезней таким образом, что в результате получились вакцины практически в том виде, в котором мы используем их сейчас.

Виды вакцин

Сегодня известно о пяти поколениях вакцин. Первое – это цельновирионные препараты: живые и инактивированные вакцины, в которых содержится полноценный вирион. Это вакцины для профилактики чумы и сибирской язвы, гриппа, оспы, желтой лихорадки и кори. Несмотря на их высокую эффективность, их сложно доставлять в отдаленные регионы, если под рукой нет холодильника. Инактивированные вакцины производятся из убитых высокой температурой или ядом возбудителей и не вызывают заражения, а потому их эффективность ниже, чем у живых вакцин. Чтобы у организма выработался иммунитет, такие вакцины вводят несколько раз, чего не требуется с живыми аналогами. 

Второе поколение – это расщепленные вакцины, или сплит-вакцины. Они представляют собой смесь компонентов вируса или бактерии – их белков или антигенов. Эти компоненты могут быть взяты из раздробленного в лабораторных условиях патогена.

К третьему поколению вакцин относят субъединичные вакцины, для производства которых также используются частицы патогенов. Например, в случае вируса гриппа берутся поверхностные белки гемагглютинин и нейраминидаза. Для вакцины от коронавируса SARS-CoV-2 используют поверхностный S-белок, в бактериальных вакцинах – протективные антигены, на которые реагирует иммунная система.

Четвертое поколение – это адъювантные вакцины. Они содержат небольшой компонент возбудителя, но к нему добавлен адъювант – вещество, которое повышает иммунный ответ на антиген. Чаще всего используются адъюванты на основе солей алюминия. Адъювантами могут быть и другие вещества, включая и вирусы других носителей, например растений.

Сегодня активно ведутся испытания еще нескольких видов вакцин, которые считаются пятым поколением, – на основе ДНК (генных вакцин), РНК и вирусных векторов. В этом случае также используются вирусы-платформы, куда включаются нужные вирусные фрагменты. Так после введения вакцины, основанной на ДНК вируса, в клетку попадает генетический материал вируса, и она начинает воспроизводить вирусные антигены. Это активизирует иммунную систему и заставляет ее уничтожать зараженные клетки. РНК-вакцины действуют по такому же принципу, но воспроизводят вирус непосредственно в плазме клетки, минуя клеточное ядро. Вирусные векторы – это ослабленные вирусы, у которых удалили области генома, ответственные за репликацию. 

Зачем нужны вакцины

Благодаря вакцинам у человека формируется адаптивный (приобретенный) иммунитет. Для его выработки требуется лишь небольшая частица патогена – антиген, например вирусный белок, который связывается с клеткой.

Главный инструмент адаптивного иммунитета – лимфоциты. Т-лимфоциты отвечают за клеточный иммунитет, а В-лимфоциты – за гуморальный: они продуцируют антитела к антигенам. Когда в организм вводят вакцину, иммунная система начинает вырабатывать антитела.

Антитела – крупные молекулы, на одном конце которых находятся «липкие участки», распознающие антиген, а на другом – «контактный» участок, обеспечивающий связывание с рецепторами и белками самого организма. «Липкий» участок подходит к антигену по принципу «ключ – замок». Но В-лимфоциты очень редко могут сразу подобрать антитело, идеально подходящее к патогену. Они изменяют структуру «липкого конца» случайным образом, пытаясь подобрать нужный «ключ». Когда это происходит, другой «контактный» конец распознают фагоциты и съедают антитело вместе с прикрепленным к нему антигеном. Часто к одному и тому же вирусу вырабатывается множество антител, потому что они реагируют на разные антигены.

Можно ли создать универсальную вакцину, которая будет реагировать на антигены нескольких штаммов одного вируса? Например, против самого распространенного вируса – гриппа – вакцинация считается эффективным средством профилактики. Но не все так просто.

У вируса гриппа два основных антигена – белки нейраминидаза и гемагглютинин. Они быстро меняют свои антигенные свойства, поэтому каждый год нужна новая вакцина. Если вакцинироваться регулярно, может возникнуть перекрестный иммунитет к очередному штамму.

Совсем другой сценарий с вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ). Он мутирует в несколько раз быстрее вируса гриппа, поэтому создать эффективную вакцину, используя известные подходы, ученые пока не могут. Таким образом, для каждого патогена задачу разработки вакцины нужно ставить отдельно.

Всего в мире сейчас существует порядка 100 зарегистрированных вакцин к 30 заболеваниям. Первая половина – вакцины от вирусных инфекций, вторая – от бактериальных.

Вакцины будущего

Одно из самых перспективных направлений в вирусологии – создание адъювантных вакцин на основе вирусов растений. Вирусы растений абсолютно безопасны для человека, а потому их пытаются так или иначе использовать для создания вакцинных препаратов. 

Вирусы растений комбинируют с полноценными вирусными частицами либо их частями. Для этого на поверхность безопасного для человека вируса растения химическими или генно-инженерными методами «прикрепляют» искомый антиген, то есть частицу вируса, против которого будет работать вакцина. Вирус растения служит не только платформой для нужного антигена, но и адъювантом, резко повышающим иммунный ответ организма.

В качестве такого адъюванта часто используют вирус табачной мозаики, однако можно брать почти любые вирусы растений. Уже прошли доклинические исследования вакцины против вируса краснухи на основе структурно-модифицированного вируса табачной мозаики. Такие же исследования ведутся и в отношении ротавирусной инфекции, сибирской язвы и SARS-CoV-2 – вируса-возбудителя COVID-19. Помимо этого на основе вирусов растений можно производить различные противоопухолевые препараты, прицельно уничтожающие опухолевые клетки.

Существуют вакцины и на основе вирусов животных. Такие вирусы используются в качестве носителя для доставки необходимых антигенов в клетки благодаря их возможности проникать в клетки человека. К нам относят вакцину против натуральной оспы, которая производится на основе вируса оспы коров (сейчас это отдельный вакцинный штамм вируса осповакцины). Кроме этого, в мире активно разрабатываются вакцины на основе аденовируса обезьян, из которого вырезают кусочки генома, отвечающие за вирулентность самого вируса. Такие вакцины в настоящее время разрабатываются и против коронавируса, вызывающего заболевание COVID-19.

Испытание вакцин и побочные эффекты

Разработка вакцины – долгий и дорогой процесс. В стандартной ситуации разработка вакцины начинается с базового исследования возбудителя и разработки первичной структуры препарата. Когда прототип препарата готов, исследователи переходят к доклиническим испытаниям: вакцину проверяют на живых клетках, а затем на лабораторных животных. По результатам оценивают эффективность, безопасность и дозировку вакцины. После этого с разрешения надзорных органов начинаются клинические исследования на людях. Они включают три фазы, в каждой из которых изучается эффективность препарата, побочные эффекты и иммунный ответ пациентов. Даже после регистрации и выпуска вакцины на рынок ее продолжают исследовать и оценивают безопасность.

В среднем от момента создания вакцины в лаборатории до ее выхода на рынок проходит 10–15 лет. Иногда вакцину получается сделать быстрее, как это произошло с вакциной от вируса Эбола. 

В 2014 году произошла сильная вспышка лихорадки в Центральной Африке. Количество зараженных не уменьшалось, поэтому эту вакцину выпустили раньше, не дожидаясь завершения всех стадий клинических испытаний. Однако сам препарат появился на рынке лишь в 2020 году. 

Подобная ситуация повторилась и с вакцинами против нового коронавируса SARS-CoV-2. По состоянию на август 2020 года в Китае и России были зарегистрированы две вакцины против коронавируса, несмотря на короткий срок клинических испытаний. Хотя с момента, когда ученые обнаружили первых зараженных, прошло меньше года.

В доклинические исследования входят тесты, в которых препарат проверяют на животных. Согласно протоколу, необходимо использовать несколько классов животных: мышей, крыс, хомяков и кроликов. Самыми подходящими объектами для подобных испытаний становятся обезьяны, но редко используют больше нескольких особей для одного этапа по этическим и финансовым соображениям (содержание животных обходится исследователям очень дорого).

Если выпустить вакцину слишком рано, у людей могут появиться побочные реакции, которые не успели заметить во время сокращенных клинических испытаний. В 1955 году американская фармацевтическая компания Cutter Laboratory выпустила на рынок инактивированную вакцину против полиомиелита. Она не прошла клинические испытания должным образом, поэтому в продажу попали 120 тысяч доз вакцин с патогенным штаммом. После этого в течение недели были зарегистрированы десятки тысяч случаев заболевания полиомиелитом. У нескольких десятков детей инфекция вызвала паралич вплоть до остановки дыхания. Эта история стала толчком для создания протоколов клинических испытаний вакцин.

Об авторе: Николай Никитин – доктор биологических наук, заведующий сектором кафедры вирусологии биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru