ANTYGENY BAKTERYJNE W SZCZEPIONKACH
BACTERIAL ANTIGENS IN VACCINES

dr Bożena Futoma-Kołoch, Gabriela Bugla-Płoskońska

Zakład Mikrobiologii, Instytut Genetyki i Mikrobiologii,
ul. S. Przybyszewskiego 63-77, 51-148 Wrocław, Uniwersytet Wrocławski

dr Bożena Futoma-Kołoch, tel. 71 375 6222,
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.
dr hab. Gabriela Bugla-Płoskońska, tel. 71 375 6306,
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Streszczenie
Zasadniczymi antygenami wchodzącymi w skład szczepionek przeciwbakteryjnych są: polisacharydy otoczkowe, białka błony zewnętrznej, białka fimbrialne, oraz inaktywowane chemicznie toksyny (anatoksyny, toksoidy). Wzmocnienie odpowiedzi poszczepiennej organizmu uzyskuje się poprzez zastosowanie adiuwantów. Wśród licznej grupy związków będących adiuwantami, znajduje się grupa substancji charakterystycznych dla komórki bakterii m.in. takich jak dipeptyd muramylowy, lipoproteiny oraz oligonukleotydy zawierające niemetylowane sekwencje CpG. W pracy przedstawiono liczne przykłady wstępnych badań innych autorów nad nowymi, obiecującymi antygenami bakteryjnymi.

Słowa kluczowe: szczepionka, antygen, bakteria

Abstract
Commonly used bacterial components of the vaccines are polysaccharides of the bacterial envelopes, recombinant outer membrane proteins, proteins of fimbriae and anatoxins (toxoids). Immunological response may be enhanced by using adiuvants. In a broad group of chemicals used as adiuvants are bacterial muramyl dipeptide and its derivatives, lipoproteins or oligonucleotides with unmethylated CpG motifs. In this paper we also report other authors‘ preliminary studies in finding new, promising bacterial antigens.

Key words: vaccine, antigen, bacteria

Wprowadzenie
Niniejsza praca zwraca uwagę na składniki komórki oraz pozakomórkowe metabolity mikroorganizmów stosowane w preparatach szczepionkowych. Poszczególne antygeny bakteryjne na różnym poziomie stymulują odpowiedź immunologiczną organizmu. Dlatego ważne jest, aby składnikami szczepionek były substancje odznaczające się silnym działaniem immunostymulującym. Intensywny rozwój technik biologii molekularnej i inżynierii genetycznej stwarza szansę na uzyskiwanie coraz bardziej bezpiecznych i skutecznych preparatów szczepionkowych.

Tabela 1. Antygeny bakteryjne aktualnie stosowane w szczepionkach

Egzotoksyny
Egzotoksyny są jednym z czynników zjadliwości bakterii, często decydującym o ogólnym obrazie choroby. Substancje te są wysoce toksyczne dla organizmu już w niewielkich dawkach oraz odznaczają się wyraźnym powinowactwem do określonych komórek i tkanek, wobec których działają. Clostridium tetani to gatunek bakterii, który produkuje jedną z najsilniejszych ze znanych toksyn biologicznych – neurotoksynę (TeNT). TeNT inhibuje wytwarzanie neuroprzekaźników: kwasu γ – aminomasłowego (GABA) i glicyny w komórkach nerwowych centralnego systemu nerwowego. Prowadzi to do niekontrolowanego przepływu impulsów w układzie nerwowym objawiającego się jako drgawki i skurcze mięśniowe. Pałeczki Bordetella pertussis są czynnikiem etiologicznym krztuśca, manifestującego się m.in. nieżytem górnych i dolnych dróg oddechowych z towarzyszącymi napadami kaszlu. Patogenne działanie B. pertussis wiąże się z produkcją m.in. toksyny, która zaburza prawidłowe przekazywanie sygnałów w komórkach gospodarza. Maczugowiec błonicy (Corynebacterium diphteriae) poprzez wytwarzanie cytotoksyny, wpływa na zahamowanie syntezy białek [1, 2]. Toksyna pozbawiona działania toksycznego (zazwyczaj przy użyciu formaldehydu w stężeniu 0,3%), ale zachowująca właściwości antygenowe nosi nazwę anatoksyny lub toksoidu (Tab. 1). Anatoksyny mogą być użyte jako jedyne antygeny w preparatach szczepionkowych np. przeciwko C. diphteriae i C. tetani lub mogą być sprzężone z innymi składnikami komórek bakteryjnych, takimi jak polisacharydy otoczkowe czy białka powierzchniowe, w przypadku Haemophilus influenzae typu B, Streptococcus pneumoniae, czy Neisseria meningitidis (Tab. 2).

Fimbrie
Ważnymi strukturami osłon komórkowych występującymi u bakterii Gram-ujemnych są białkowe struktury – fimbrie, umożliwiające bakteriom adhezję do kolonizowanych przez nie powierzchni. Właśnie ta cecha bakterii, umożliwiająca im rozwój, namnażanie, a w konsekwencji skuteczną infekcję sprawia, iż struktury te budzą duże zainteresowanie jako składniki preparatów szczepionkowych (np. fimbrie K88, K99, oraz 987P). Istotnym jest zwrócenie uwagi na fakt, iż fimbrie nie wykazując toksyczności, a jedynie działanie immunostymulujące wobec komórek organizmów wyższych, są obiecującymi kandydatami na białkowe nośniki w szczepionkach [3, 4].

Otoczka
Wiele komórek bakterii, zarówno Gram-ujemnych, jak i Gram-dodatnich, otoczonych jest ściśle przylegającą warstwą polisacharydową lub polipeptydową. Kiedy osłona ta jest na tyle gruba, że staje się widoczna w mikroskopie świetlnym po zastosowaniu odpowiednich technik barwienia, nazywana jest otoczką. Stwierdzono, że bakterie patogenne, które nie wytwarzają otoczek, wykazują słabszą zdolność do wywołania zakażania. Szczepy S. pneumoniae, tracąc zdolność do syntezy otoczki, równocześnie stają się niechorobotwórcze. Antygeny otoczkowe chronią bakterie przed fagocytozą i białkami układu dopełniacza oraz sprawiają, że patogeny mogą uczestniczyć w tzw. zjawisku mimikry molekularnej. Na potwierdzenie tego, można przytoczyć dwa przykłady dotyczące otoczek Escherichia coli K1 i N. meningitidis grupy B, których otoczki zbudowane są z kwasu sjalowego, powszechnego składnika występującego w tkance nerwowej ludzi i zwierząt. Wytwarzanie takich struktur przez bakterie powoduje, że są one prawie nierozpoznawane przez układ immunologiczny zakażonego makroorganizmu jako „obce“. Otoczki stanowią także barierę przepuszczalności dla antybiotyków, hamują aktywność enzymatyczną leukocytów oraz ułatwiają adhezję bakterii do powierzchni. Swoistość antygenów otoczkowych jest tak wysoka, że pozwala na różnicowanie serologiczne w obrębie gatunków bakterii. Otoczki zaliczane są do tzw. antygenów T-niezależnych, co oznacza, że nie stymulują wytwarzania przeciwciał u dzieci przed drugim rokiem życia. Jest to cecha niepożądana, która w pewnym stopniu utrudnia projektowanie preparatów szczepionkowych zawierających polisacharydy otoczkowe [1, 4, 5].

Białka błony zewnętrznej (OMP)
Są składnikami charakterystycznymi dla bakterii Gram-ujemnych. Białko D uzyskiwane z bezotoczkowych szczepów Haemophilus influenzae jest jednym z kilku antygenów znajdujących się w szczepionkach koniugatowych stosowanych w immunizacji czynnej przeciwko S. pneumoniae. Badania kliniczne wskazują, że podawanie białka D w preparatach szczepionkowych zapobiega także zachorowaniom na zapalenie ucha środkowego powodowanego przez H. influenzae [6]. Jako potencjalnego kandydata na składową szczepionki przeciwko brucellozie upatruje się białko Omp25 występujące u szczepów Brucella abortus, B. melitensis oraz B. ovis. Natomiast rozwiązaniem zapobiegającym szerzeniu się boreliozy mogłoby być stosowanie preparatu szczepionkowego zawierającego jako antygen białko OspA izolowane z Borrelia burgdorferi. Istnieją także doniesienia, że szczepienie drobiu białkami OMP o masach cząsteczkowych 82,3 kDa i 75 kDa pochodzącymi z komórek Salmonella Enteritidis, podawanymi z odpowiednimi adjuwantami, mogłoby chronić przed kolonizacją jelit tych zwierząt przez szczepy Salmonella, co wpływałoby pośrednio na obniżenie zachorowań na salmonelozę, także w populacji ludzkiej. Białka UspA1 i UspA2 Moraxella catarrhalis są także obiektem badań nad szczepionkami. Antygeny te izoluje się ze szczepów będących czynnikami etiologicznymi zakażeń jamy nosowo-gardłowej u dzieci. OMP preparowane jako składniki szczepionek podjednostkowych mogą mieć różną formę, np. białkowych micelli, białek zamkniętych w liposomach lub wielojednostkowych kompeksów ISCOM [3, 7].

Adiuwanty
Adiuwantem określa się substancję, która podana z antygenem zwiększa odpowiedź immunologiczną na ten antygen. Adiuwanty stosowane w szczepionkach są nieswoistymi modulatorami układu immunologicznego. Same zazwyczaj nie posiadają właściwości antygenowych, a ich zadaniem jest:
- wzmocnić immunogenność słabych antygenów,
- przyspieszyć i wzmocnić odpowiedź poszczepienną,
- pobudzić odpowiedź komórkową układu odpornościowego,
- zwiększyć siłę reakcji komórek układu odpornościowego u osób z niedojrzałym układem immunologicznym oraz osób starszych,
- zredukować dawkę antygenu w szczepionce, a zatem zmniejszyć koszty jego produkcji,
- umożliwić jednolitą odpowiedź odpornościową na różne antygeny w szczepionkach złożonych,
- indukować odpowiedź immunologiczną związaną z błonami śluzowymi [8].
Istnieje pewna grupa substancji stosowanych jako adiuwanty, których źródłem są komórki bakteryjne. W tej grupie wyróżnia się: LPS (lipopolisacharyd), MPL (monofosforylowany lipid A), oligonukleotydy zawierające niemetylowane sekwencje CpG, enterotoksynę E. coli, toksynę cholery, dipeptyd muramylowy (MDP) i jego pochodne, N-acetylomuramylo-L-alanylo-D-izoglutaminę - składnik ściany komórkowej Mycobacterium sp., lipoproteiny ściany komórkowej bakterii Gram-ujemnych, toksoidy: krztuścowy, błoniczy, tężcowy. MPL zachowuje wiele cech wyjściowej molekuły, jakim jest lipid A, działa jednak gorączkotwórczo w o wiele mniejszym stopniu [9]. Najmniejszym fragmentem peptydoglikanu zachowującym właściwości adiuwantowe jest MDP. Syntetycznie otrzymywane MDP mają te same właściwości co naturalne (izolowane ze ściany komórkowej bakterii) i są wykorzystywane w modelach eksperymentalnych do stymulowania odpowiedzi immunologicznej na obecność w ustroju szeregu mikroorganizmów. Aktywność adiuwantowa preparatów zawierających syntetyczne MDP wzrasta znacząco po ich połączeniu z odpowiednim antygenem. Adjuwantami w szczepionkach mogą być: fosforan glinu, wodorotlenek glinu, emulsje zawierające skwalan, czy emulsje na bazie oleju arachidonowego [10].

Podsumowanie
Składniki bakterii oraz ich pozakomórkowe metabolity indukują procesy zapalne i pobudzają odpowiedź immunologiczną gospodarza. Jednak układ immunologiczny nie zawsze potrafi poradzić sobie z inwazją patogenów – ma to ścisły związek z jednej strony z kondycją zainfekowanego organizmu, a z drugiej z obecnością pewnych antygenów na powierzchni komórki bakterii. Poszerzanie wiedzy w zakresie budowy i funkcji struktur bakteryjnych jest niezwykle istotne, gdyż zwiększa szanse na wybór najbardziej optymalnych metod niezbędnych w profilaktyce bądź walce z infekcjami powodowanymi przez drobnoustroje.

Literatura
1. F.H. Kayser, K.A. Bienz, J. Eckert, R.M. Zinkernagel: Mikrobiologia lekarska, PZWL, Warszawa 2007.
2. B. Futoma-Kołoch: Toksyny bakteryjne jako czynniki wirulencji, część II. Egzotoksyny, Laboratorium - Przegląd Ogólnopolski, 2010, vol. 9/10, s. 30-33.
3. G. Bugla-Płoskońska, B. Futoma-Kołoch: Antygeny powierzchniowe bakterii Gram-ujemnych jako czynniki ich wirulencji, Laboratorium - Przegląd Ogólnopolski, 2007, vol. 6, s. 55-58.
4. B.M. Sobieszczańska: Agregacyjne Escherichia coli – nowa grupa szczepów E. coli odpowiedzialnych za biegunki, Postępy Mikrobiologii, 2003, vol. 42, s. 139-160.
5. A. Cisowska: Polisacharydowa otoczka K1 pałeczek Escherichia coli i jej znaczenie w chorobotwórczości tych drobnoustrojów, Postępy Mikrobiologii, 2003, vol. 42, s. 3-22.
6. M. Toropainen, A. Raitolehto, I. Henckaerts, D. Wauters, J. Poolman, P. Lestrate, H. Kayhty: Pneumococcal Haemophilus influenze protein D conjugate vaccine induces antibodies that inhibit glycerophosphodiester phosphodiesterase activity of protein D, Infection & Immunity, 2008, vol. 76, s. 4546-4553.
7. G. Bugla-Płoskońska, B. Futoma-Kołoch, W. Doroszkiewicz: Rola białek błony zewnętrznej w oddziaływaniach bakterii gram-ujemnych z organizmem gospodarza, Postępy Mikrobiologii, 2007, vol. 2, s. 139-152.
8. D.T. O’hagan, M.L. Mackichan, M. Singh: Recent development in adiuvants for vaccines against infectious diseases, Biomolecular Engineering, 2001, vol. 18, 69-85.
9. G. Virella: Mikrobiologia i choroby zakaźne, Elsevier Urban & Partner, Wrocław 1999.
10. Markiewicz Z. 1993. Struktura i funkcje osłon bakteryjnych. PWN, Warszawa.
11. W. Mazurowska-Magdzik: Szczepionki monowalentne i poliwalentne (skojarzone) wady i zalety ich stosowania, Przegląd Pediatryczny, vol. 2001, 31, s. 103-106.