Вакцины на основе синтетических сахаров: возможности и перспективы применения

На протяжении всей истории человечества борьба с инфекционными заболеваниями представляла собой, возможно, самое ожесточённое сражение. Эпидемии уносили жизни десятков миллионов человек, а созданию вакцин противостояло множество препятствий, среди которых не на последнем месте было и неприятие прививания простыми людьми, распространение ими вымышленных эффектов вакцинации. Например, британскому врачу Эдварду Дженнеру, проводившему опыты по созданию вакцины от натуральной оспы, понадобилось немало времени и усилий, чтобы обнародовать результаты своих наблюдений и провести опыты на людях, поскольку прививание жидкостью, взятой из пустул коров, больных коровьей оспой, всё же внушало людям большие опасения, несмотря на перспективу исцеления от жизнеугрожающего заболевания.

С начала XIX века человеческое общество прошло длинный путь и претерпело множество изменений. Прививание является теперь признанным социально значимым методом для защиты от различного рода инфекций. О некоторых инфекционных заболеваниях (натуральная оспа, полиомиелит) можно сказать, что они практически искоренены благодаря массовой вакцинации. Однако, постепенно забывая о трагических последствиях страшных инфекций, многие родители теперь отказываются вакцинировать своих детей, мотивируя отказ опасениями о том, что иммунизация может вызвать какую-либо нежелательную реакцию и повлечь за собой осложнения у здорового ребёнка. По этой причине разработка современных средств вакцинации требует особого внимания к снижению проявления побочных эффектов, хотя и просветительская работа среди населения не должна прекращаться.

Говоря о средствах для вакцинации, начать стоит с краткого напоминания о механизмах их действия, которое направлено на то, чтобы спровоцировать направленный на распознавание и уничтожение возбудителя – бактерии, вируса, паразита – иммунный ответ. Иммунная реакция, индуцированная вакциной, представляет собой сложный каскадный процесс, основанный на реакциях антител и работе Т-клеток, которые опосредуют устранение инфекционных агентов за счет распознавания чужеродных молекул на поверхности клеток (это могут быть белки, жиры, полисахариды). Каким же образом побуждается развитие требуемой реакции иммунной системы? Возвращаясь к первой вакцине Дженнера против оспы, можно охарактеризовать её как живую вакцину. В живых вакцинах (например, против туберкулёза, жёлтой лихорадки) используются небольшие количества жизнеспособных, но ослабленных (аттенуированных) возбудителей, которые хотя и способны к дальнейшему размножению, однако не вызывают развития полной картины заболевания. Инъецированные возбудители презентируют клеткам иммунной системы человека собственные поверхностные антигены, благодаря чему образуются иммунокомпетентные клетки, которые довольно продолжительно циркулируют в крови и, встречая возбудителя, уничтожают его (то есть ответная реакция иммунной системы довольно близка к естественной). Кроме живых вакцин, существуют мёртвые вакцины – когда в основе лежит использование полностью инактивированных возбудителей, их обезвреженных токсинов или же специфических антигенов (например, вакцины против гриппа, гепатита).

Во второй половине XX века начался поиск специфических для отдельных возбудителей поверхностных антигенов, которые можно было бы использовать в качестве основы для вакцины. Чаще всего на данную роль определяют различные белки. С развитием и автоматизацией методов секвенирования в начале нового тысячелетия стало возможным расшифровать геном возбудителей многих инфекций, что позволило учёным, сравнивая последовательности генома возбудителей и человека, выявить наиболее характерные для них поверхностные белки. Наряду с белками не менее интересными в данном ключе представлялись полисахариды (гликаны), которые посредством связывания с белками или липидами могут быть заякорены во внешней мембране клетки. Полисахариды являются полимерами, состоящими из сотен моносахаридных остатков, которые могут быть объединены в цепи как с линейной, так и с разветвлённой структурой. Поскольку полисахариды, встречающиеся в бактериальных клетках и клетках человеческого организма, сильно отличаются друг от друга (и между различными штаммами бактерий), то данный класс соединений вполне может быть основой для создания специфических вакцин. Подобная идея зародилась еще в 20-х годах прошлого века, когда выделенные поверхностные полисахаридные цепочки впервые было предложено использовать в качестве основы для вакцин. Первые такие вакцины были введены в практику в 1974 году и были направлены против менингококков, пневмококков и гемофильной палочки. Но, несмотря на положительные стороны, среди недостатков этих вакцин можно выделить то, что иммунная система детского организма до двух лет не способна распознавать сложные полисахариды и давать старт защитному каскаду реакций. Точно так же достижение достаточной степени иммунной защиты с помощью полисахаридных вакцин затруднительно и у людей старше 60-ти лет, иммунная система которых ослаблена. Также, хотя вакцины на основе полисахаридов оказывают стимулирующее воздействие на клетки-антителопродуценты (В-клетки), однако не запускают Т-клеточный ответ, который необходим для длительно сохраняющегося стойкого иммунитета.

Чтобы разрешить вышеописанные проблемы, были разработаны конъюгатные вакцины, суть которых в том, что изолированные бактериальные полисахариды сцеплены с белком-носителем, на который и направлена реакция Т-клеток (также дополнительно в состав вакцины может входить адъювант – соединение, способствующее усилению иммунного ответа наряду с презентируемым антигеном). В качестве белкового компонента могут быть использованы такие обезвреженные токсины (анатоксины), как столбнячный, дифтерийный или их модификации. Белково-полисахаридные конъюгаты эффективны для иммунизации даже маленьких детей. К примеру, среди рекомендованных конъюгатных вакцин всем детям показана прививка против гемофильной палочки серотипа В (входит в состав комбинированной вакцины). До внедрения вакцины против гемофильной инфекции более половины случаев менингита, вызванного Haemophilus influenzae, протекавшие довольно тяжело, были чреваты серьезными осложнениями или оканчивались летально. Тяжело протекающее воспаление оболочек головного мозга может быть вызвано и менингококками, против которых также разработаны конъюгатные вакцины. Полисахаридные вакцины могут быть использованы для защиты от некоторых серотипов менингококков, различающихся по своим капсульным полисахаридным антигенам (A, C, W-135 и Y), тогда как полисахариды менингококков типа В обладают большим сходством с мембранными полисахаридами клеток нервной ткани, вследствие чего избежать аутоиммунных реакций можно с помощью конъюгатной вакцины.

Также нельзя не вспомнить одного из самых частых возбудителей тяжёлых инфекционных заболеваний (менингит, пневмония, средний отит) – Streptococcus pneumoniae. Пневмококки населяют дыхательные пути организмов-носителей, а у подверженных заражению людей активно размножаются и расселяются, что сопровождается развёрнутыми клиническими симптомами соответствующего заболевания. Полисахаридная вакцина против 23-х из девяноста известных серотипов пневмококков появилась в 1983 году, а для детей со 2-го месяца жизни рекомендовано прививание конъюгатной вакциной, охватывающей 13 серотипов (в качестве примера успешно применяемой вакцины можно привести превенар-13).

В посте хотелось бы еще обратить внимание не только на механизм действия и аспекты применения конъюгатных полисахаридных вакцин, но и на способы их производства. Выделить капсульные полисахариды бактерий теоретически совсем не сложно, однако на практике возникает немало технических проблем, связанных с капризностью некоторых микроорганизмов: одни совсем не растут в культуре, другие растут, но плохо и медленно. Также очистка гликанов может затрудняться различными факторами. Не стоит забывать и о белковом компоненте конъюгатной вакцины: белки, как правило, температурочувствительны и поддержание их в функциональном состоянии требует хранения вакцин в хорошо охлаждаемом месте, а обеспечение таких условий содержания требует определенных финансовых затрат. И, наконец, используемые в качестве адъюванта соли алюминия могут в некоторых случаях давать нежелательные побочные эффекты. По этим причинам учёные начали искать способы синтетического получения конкретных вакцин с определённой химической структурой. Несмотря на то, что эти поиски начались уже давно, синтез сложных разветвлённых полисахаридов долгое время оставался слабым местом любых автоматизированных систем. В 70-80-х годах был налажен синтез пептидов и коротких участков ДНК (олигонуклеотидов), а идея проведения синтеза пептидов на полимерных твёрдых частицах, принадлежащая Роберту Меррифилду, позволила значительно ускорить данный процесс. Позже в Институте имени Макса Планка в Потсдаме была разработана система, позволяющая оптимизировать и ускорить процесс синтеза полисахаридов до считанных часов. Однако прежде чем система была выведена в коммерческий оборот прошло более 12-ти лет, и только с 2014-го года аппараты стали устанавливаться в первых лабораториях по всему миру.

Некоторые полностью синтетические полисахариды находятся в настоящее время на разных стадиях испытаний в качестве основ для вакцин (например, против клостридий, пневмококков), в том числе клинических.

Источники

1. Anish, C. et al.: Chemical Biology Approaches to Designing Defined Carbohydrate Vaccines, Chemistry & Biology, 2014
2. Seeberger, P. Erörterung von Konjugat-Vakzine in BioSpektrum, 2/2016