Ocena użytkowników: 0 / 5

Gwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywna
 

RODZAJE SZCZEPIONEK PRZECIWBAKTERYJNYCH
TYPES OF ANTIBACTERIAL VACCINES

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,

dr hab. Gabriela Bugla-Płoskońska, tel. 71 375 6306,

 

Streszczenie
Obecnie wyróżniamy szczepionki, w których skład wchodzą żywe lub martwe drobnoustroje, lub poszczególne ich składniki. Szczepionki podjednostkowe, których produkcja oparta jest na oczyszczonych komponentach bakterii, charakteryzują się niewielkim działaniem immunostymulującym. Satysfakcjonujące rezultaty terapeutyczne uzyskuje się po zastosowaniu w procesie immunizacji preparatów z kwasem nukleinowym mikroorganizmu. Duże nadzieje pokłada się także w hodowli roślin transgenicznych jako nośników antygenów charakterystycznych dla patogenów.

Słowa kluczowe: szczepionka, antygen, immunizacja


Abstract
Much attention has been directed towards the potential use of live and attenuated microorganisms as vaccines for bacterial infections. Most of subunit vaccines based on purified bacterial antigens are rather poorly immunogenic. DNA vaccines have been shown to be effective at generating protective immune responses against a wide variety od diseases. Transgenic plants as a production source of vaccine proteins are also being evaluated.

Key words: vaccine, antigen, immunization

Wprowadzenie
Stosowanie szczepień ochronnych jest jedną ze strategii zwalczania chorób zakaźnych, w tym bakteryjnych. Szczepionka jest produktem pochodzenia biologicznego zawierającym komponenty zdolne do indukcji określonych procesów immunologicznych warunkujących powstanie trwałej odporności [1]. Jednym z wymogów stawianym preparatom szczepionkowym jest ich niska toksyczność, dlatego dobór odpowiednich antygenów jest tak istotny. Składniki komórek bakterii, jak na przykład toksyny wchodzą w skład tzw. szczepionek konwencjonalnych. Szczepionki nowej generacji, których produkcja oparta jest na technikach biologii molekularnej mogą zawierać: kwas nukleinowy drobnoustroju, atenuowane drobnoustroje, w których genom wpro¬wadzono gen/geny pochodzące z innego organizmu (szczepionki wektorowe), oczyszczone antygeny patogenów (szczepionki podjednostkowe, rekombinowane), sztucznie otrzymywane fragmenty antygenów białkowych (szczepionki peptydowe) oraz żywe mikroorganizmy pozbawione zjadliwości metodami inżynierii genetycznej. Program szczepień ochronnych ma na celu wytworzenie zbiorowej odporności na określone drobnoustroje, jak również eliminację bakterii chorobotwórczych [2, 3, 4].

Szczepionki zawierające atenuowane drobnoustroje
Preparaty tego typu zawierają żywe mikroorganizmy o osłabionych właściwościach chorobotwórczych. W wyniku np. kolejnych pasaży, zmiany warunków hodowli, z drobnoustrojów patogennych można uzyskać atenuowane szczepy tj. o zmniejszonej wirulencji (zjadliwości). Skuteczną atenuację można uzyskać poprzez hodowanie bakterii w środowisku odmiennym od optymalnego lub wywołując mutacje, które upośledzają metabolizm w komórce bakterii [1]. Wiele atenuowanych szczepów podanych w formie szczepionki namnaża się w organizmie biorcy, przez co naturalnie zwiększa się dawka antygenu w ustroju, i czas jego kontaktu z układem odpornościowym. Szczepionki zawierające atenuowane drobnoustroje dają optymalną ochronę poszczepienną. Atenuowany drobnoustrój wiążąc receptory na komórkach docelowych blokuje także drogę inwazji innym organizmom wirulentnym. Kolejną ważną cechą drobnoustrojów awirulentnych jest zdolność stymulowania lokalnej odpowiedzi immunologicznej w miejscu podania szczepionki. Powyższego zjawiska nie obserwuje się w trakcie immunizacji izolowanymi antygenami mikroorganizmów lub inaktywowanymi drobnoustrojami. Stosowanie szczepionek zawierających zdolne do namnażania się komórki bakterii niesie ze sobą niebezpieczeństwo wynikające z zachowania poprzez atenuowane szczepy resztkowej zjadliwości, która może się ujawnić w pewnych okolicznościach, jak np. u osób z pierwotnymi i wtórnymi nieodborami odporności. Nie wykluczone jest także zjawisko rewersji mutantów. Problemy wynikające ze szczepienia żywymi, osłabionymi mikroorganizmami dotyczą także skutków ubocznych powodowanych przez substancje toksyczne, będące składnikami osłon komórkowych jak np. lipopolisacharyd (LPS) [5]. Przykładem bakteryjnych szczepionek zawierających atenuowane komórki bakterii jest szczepionka przeciwko gruźlicy zawierająca atenuowany szczep prątka bydlęcego - Mycobacterium bovis (BCG - Bacille Calmette-Guerin). Skutkami niepożądanymi w przypadku zastosowania tej szczepionki mogą być: zmiany skórne w miejscu iniekcji i w okolicznych węzłach chłonnych, rumień, a nawet toczeń [4, 6]. Preparatem zawierającym atenuowane komórki bakterii jest jedna ze szczepionek przeciwko cholerze. Atenuowaną szczepionką jest także podawana doustnie szczepionka Ty21a zawierająca szczep Salmonella enterica serowar Typhi Ty21a, chroniąca przed durem brzusznym [7]. Warunki transportu i przechowywania, jakich wymagają wspomniane szczepionki ograniczają ich stosowanie, zwłaszcza w krajach Trzeciego Świata [8].

Szczepionki, w których skład wchodzą zabite mikroorganizmy
Otrzymywane są z drobnoustrojów zabijanych poprzez zastosowanie roztworów fenolu, formaldehydu, wysoką temperaturą, promieniowaniem, lub w warunkach zwiększonego ciśnienia. Przygotowanie takiego preparatu ma na celu pozbawienie drobnoustroju zdolności do namnażania się w organizmie biorcy, przy jednoczesnym zachowaniu istotnych w procesie immunizacji determinant antygenowych. Szczepionki zawierające zabite (inaktywowane) drobnoustroje ustępują skutecznością preparatom bazującym na atenuowanych szczepach, gdyż w efekcie inaktywacji może dojść do zniszczenia lub zmiany w obrębie determinant antygenowych ważnych w procesie indukowania odporności. Dodatkowo, obecność w ustroju nie w pełni zinaktywowanego czynnika patogennego rodzi niebezpieczenstwo groźnych powikłań poszczepiennych. Na niekorzyść stosowania tego rodzaju szczepionek przemawia także fakt, że użyte bakterie nie namnażają się w organizmie, a tym samym nie indukują efektywnej odpowiedzi immunologicznej, opartej na powstawaniu komórek pamięci [8, 9, 10]. W tej grupie preparatów, znajdują się preparaty, zawierające zabite komórki Vibrio cholerae, Salmonella Typhi, Bacillus anthracis czy Yersinia pestis [4].

Szczepionki wektorowe
Bazują na tzw. organizmach wektorowych, do których wprowadza się informację w postaci fragmentów DNA, które kodują odpowiednie antygeny nie spokrewnionych ze sobą bakterii. Badania ostatnich lat dotyczyły stosowania jako wektora atenuowanych prątków M. bovis (BCG), a także niektórych szczepów Salmonella [4]. Najnowsze badania obejmują wykorzystanie bakterii Lactobacillus casei jako nośników antygenów białkowych Salmonella Enteritidis. Genetycznie modyfikowane bakterie kwasu mlekowego, które prezentują na swej powierzchni białko FliC, chronią przed rozwojem infekcji powodowanych przez S. Enteritidis. Innym przykładem szczepionki wektorowej jest preparat zawierający m.in. komórki bakterii Salmonella Typhimurium wytwarzające białka powierzchniowe OprF i OprI charakterystyczne dla pałeczek Pseudomonas aeruginosa. W warunkach laboratoryjnych, doustne szczepionki tworzone na podstawie rekombinowanych szczepów Salmonella sprawdziły się w zapobieganiu zakażeniom wywołanym przez bakterie Helicobacter pylori, Clostridium difficile i wirusy Papilloma. Prowadzone są badania nad preparatami nowej generacji (przez zastosowanie sterowanej mutagenezy) bazujących na atenuowanych szczepach V. cholerae, S. Typhi i Shigella flexneri. Organizmami używanymi jako wektory do przenoszenia „obcych“ antygenów są także M. bovis oraz Listeria monocytogenes. Gatunki te charakteryzują się m.in. tym, że namnażają się wewnątrz komórek gospodarza, co warunkuje stymulację limfocytów T cytotoksycznych w organizmie. Jednym z problemów wynikających z użycia żywych wektorów jest indukowanie odporności przeciw samemu wektorowi, co nie pozwala na jego ponowne efektywne użycie [5, 11].


Szczepionki podjednostkowe
Zawierają w swoim składzie odpowiednie frakcje komórkowe drobnoustrojów. Przykładem może być szczepionka przeciwko Haemophilus influenzae typu B zawierająca polisacharyd otoczkowy tj. fosforan polirybozylo rybitolu (PRP) [6]. Szczepionki podjednostkowe mogą zawierać antygeny uzyskane na drodze syntezy chemicznej lub wytwarzane przez bakterie, drożdże lub linie komórkowe. Ponadto, preparaty takie mogą zawierać kilka starannie wyselekcjonowanych antygenów drobnoustrojów (szczepionki koniugatowe), które po podaniu chronią przed kilkoma chorobami jednocześnie. Nośnikami białkowymi używanymi do tworzenia koniugatów mogą być białka osłon komórkowych bakterii, ale również egzotoksyny, ich pozbawione toksyczności postaci (anatoksyny, toksoidy) oraz fimbrie. Poprzez właściwy dobór składników koniugatu można ograniczyć wystąpienie efektów ubocznych po podaniu szczepionki i zapobiec wytwarzaniu autoprzeciwciał krzyżowo reagujacych z antygenami gospodarza. Dzięki połączeniu polisacharydowej otoczki z anatoksyną w jednej szczepionce koniugatowej uzyskuje się silniejszą odpowiedź immunologiczną. Obecnie trwają badania nad wykorzystaniem oprócz antygenu otoczkowego Neisseria meningitidis również innej struktury antygenowej bakterii – LPS. Opra¬cowano metodę łączenia nietoksycznej formy LPS z białkiem, zachowując jednocześnie pełny, niezmieniony immunogenny epitop wewnętrznej części rdzenia endotoksyny [5, 9].
Obiecującymi cząsteczkami strukturalnymi jako potencjalnymi składnikami szczepionek podjednostkowych są białka błony zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych (OMP, outer membrane protein), takie jak: białko Omp25 występujące u Brucella abortus, B. melitensis, gatunków wywołujących brucelozę; białko OspA Borrelia burgdorferi; białka o masach cząsteczkowych 82,3 kDa i 75,6 kDa, będące składnikami komórek S. Enteritidis, które po podaniu zwierzętom mogłyby zapobiegać szerzeniu się salmonelozy; PorA, PorB, App, FbpA, FetA, LbpA, LbpB, OpaA i Opc, są potencjalnymi kandydatami szczepionkowymi prze¬ciwko N. meningitidis będących czynnikiem etiologicznym zapalenia opon mózgowo-rdzeniowych i ogólnoustrojowego zakażenia krwi [12, 13].
Antygeny wchodzące w skład szczepionek podjednostkowych otrzymywane na drodze syntezy chemicznej cechują się zwykle niską immunogennoscią, a dodatkowym problemem jest niezdolność dzieci poniżej 2 roku życia do wytwarzania przeciwciał w odpowiedzi na antygeny grasiczozależne, do których należą np. węglowodany wchodzące w skład niektórych otoczek bakterii. Problem ten rozwiązuje się poprzez łączenie (sprzężenie, skoniugowanie) antygenu z nośnikiem nieswoiście nasilającym odpowiedź immunologiczną – adiuwantem (np. wodorotlenkiem glinu, fosforanem wapnia, olejem parafinowym, toksoidem krztuścowym, lipopolisacharydem bakteryjnym) [1, 6].
Innym sposobem zwiększenia immunogenności preparatów jest podanie antygenu w postaci micelli, lub w pęcherzykach liposomowych. Liposomy pełniące rolę adiuwantów podane z antygenami białkowymi jak i węglowodanowymi aktywują odpowiedź na poziomie humoralnym i komórkowym. Działanie adiuwantów liposomowych testowano w połączeniu z antygenami Streptococcus mutans, Streptococcus sorbinus i Bacillus subtilis [14, 15].
Z tego względu, że proces produkcji szczepionek podjednostkowych jest kosztowny, prawdopodobnie będą one z czasem zastępowane przez szczepionki rekombinowane. Niedogodnoscią przy stosowaniu preparatów podjednostkowych jest to, że wykazują ograniczony czas stymulacji układu odpornościowego, gdyż nie zawierają żywych, namnażających się bakterii. Nie pozwala to na uzyskanie wystarczająco silnej odpowiedzi immunologicznej, a zatem istnieje konieczność ich wielokrotnego podawania.

Szczepionki zawierające DNA
Czynnikiem immunogennym w tzw. szczepionkach DNA jest plazmid, tj. kolista część DNA pochodząca z komórki bakteryjnej [16]. Dostarczanie plazmidów do ludzkich komórek odbywa się za pomocą plastrów naskórnych lub bezigłowymi metodami wstrzykiwania takimi jak Gene Gun (armatka genowa) czy Bioject, które wykorzystują do tego sprężone powietrze. Po tym, jak plazmidy wnikną do komórki gospodarza następuje ekspresja genów kodujących najczęściej białka patogenów. Uwolnione z komórki „obce“ białka pobudzają układ odpornościowy w podobny sposób jak podczas zakażenia organizmu [17]. Podczas gdy, preparaty szczepionkowe stosowane są głównie w profilaktyce, dodatkową zaletą szczepionek zawierających DNA jest to, że mogą być użyteczne także w terapii. Obiecujące wyniki uzyskuje się w leczeniu nadwrażliwości dróg oddechowych na alergeny roztoczy kurzu domowego. Skuteczny efekt profilaktyczny z wykorzystaniem szczepionek DNA uzyskano w przypadku zakażeń wirusowych (np. HSV, odra, wścieklizna), bakteryjnych (M. tuberculosis, Mycoplasma pulmonis), pasożytniczych (Leishmania sp., Plasmodium sp.). Szczepionki DNA dają nadzieję w zapobieganiu niektórym chorobom związanym z autoagresją, jak np. autoimmunologiczne zapalenie mózgu i rdzenia kręgowego, a także nowotworowym jak np. chłoniak, rak okrężnicy, piersi, płuc. Warto podkreślić, że bezpieczeństwo stosowania szczepionek DNA nie zostało w pełni potwierdzone. Wśród potencjalnych zagrożeń jakie niesie ze sobą ich stosowanie wymienia się: inkorporację plazmidowego DNA do genomu gospodarza oraz aktywację onkogenów lub/i inaktywacja genów supresorowych. Ewaluacji i optymalizacji wymagają procedury związane ze stosowaniem tej metody: wielkość dawki, droga podania, schemat leczenia, dobór adiuwantów [8]. Najnowsze doniesienia wskazują, że podawanie szczepionki DNA może odbywać się poprzez wielokrotne nakłuwanie skóry, podobnie jak przy wykonywaniu tatuażu [18]!

Szczepionki z roślin
Wysiłki badaczy rozwijających gałąź nauki jaką jest wakcynologia zmierzają do uproszczenia drogi podania szczepionki (droga doustna). Stąd, najnowsze badania naukowe obejmują także wykorzystywanie roślin transgenicznych do produkcji antygenów charakterystycznych dla drobnoustrojów patogennych, np. wytwarzanie toksyny tężcowej lub anatoksyny błoniczej przez komórki owoców bananowca. Dzięki temu antygeny bakteryjne, ale także wirusowe mogłyby być w łatwy sposób zaaplikowane osobom poddawanym czynnej immunizacji. Ponadto, wprowadzenie do użytku szczepionek tzw. roślinnych eliminowałoby problem zachowania restrykcyjnych warunków przechowywania i transportu preparatów. Okazuje się, że uzyskanie długotrwałej odporności jest wręcz niemożliwe, dlatego niezbędne jest stosowanie adiuwantów, których zadaniem byłoby m.in. indukowanie odporności związanej z błonami śluzowymi, a także wzmocnienie immunogenności słabych antygenów. Dlatego technologia otrzymywania szczepionek pochodzenia roślinnego wymaga jeszcze wielu lat badań [5].

Podsumowanie
Technologia produkcji preparatu antygenowego spełniającego rolę szczepionki powinna dążyć do identyfikacji wielu wariantów tego samego antygenu. Konstruowanie skutecznych szczepionek przeciwko bakteriom chorobotwórczym powinno wpłynąć na eradykację wielu chorób zakaźnych. Wydaje się teoretycznie możliwe, że przy zastosowaniu szczepień na skalę światową, możliwa byłaby eliminacja bakterii patogennych, takich jak H. influenzae typu B, S. pneumoniae, czy N. meningitidis. Jednak, czy przebiegająca wielokrotnie szybciej od naszej ludzkiej, ewolucja bakterii pozwoli nam odnieść ten spektakularny sukces? Należy wierzyć, iż konsekwencja w działaniu, zaangażowanie wielu światowych grup badawczych, prowadzenie badań podstawowych, klinicznych i szeroko prowadzona edukacja sanitarna przybliżą nas do tego. Aktualnie rozwój wakcynologii zmierza do zminimalizowania efektów ubocznych, pojawiających się po podaniu szczepionki oraz do uproszczenia sposobu aplikowania tych preparatów, zwłaszcza dzieciom.

Literatura
1. J. Gołąb, M. Jakubisiak, W. Lasek: Immunologia, PWN, Warszawa 2004.
2. G. Bugla-Płoskońska, B. Futoma-Kołoch: Nowoczesne konstruowanie szczepionek, Laboratorium - Przegląd Ogólnopolski, 2008, vol. 5, s. 41-43.
3. M. Witoń, K. Sala: Szczepionki konwencjonalne i szczepionki nowej generacji. Laboratorium - Przegląd Ogólnopolski, 2006, vol. 7, s. 44-46.
4. I. Roit, J. Brostoff, D. Male: Immunologia, PZWL, Warszawa 2000.
5. M.A. Liu: Vaccine developments, Nature Medicine, 1998, vol. 4, s. 515-519.
6. J. Wysocki, H. Czajka: Szczepienia w pytaniach i odpowiedziach. HELP MED, Kraków 2007.
7. S. Ball: SARS i inne nowe epidemie, MEDYK, Warszawa 2003.
8. M. Kurowski, P. Kuna: Szczepionki DNA – nowy aspekt swoistej immunoterapii chorób alergicznych, Alergia Astma Immunologia, 1999, vol. 4, s. 13-17.
9. T. Jackowska, M. Grzelczyk-Wielgórska: Skuteczność i bezpieczeństwo szczepionki przeciwko meningokokom grupy C skoniugowanej z toksoidem tężcowym stosowanej łącznie z innymi szczepionkami – przegląd piśmiennictwa, Przegląd Epidemiologiczny, 2010, vol. 64, s. 99-103.
10. D. Socha, M. Chałubiński: Szczepionka zamiast wiertła, Wiedza i Życie, 2009, vol. 7, s. 50-52.
11. M. Girard: Szczepienia 100 lat po Pasteurze, Mikrobiologia i Medycyna, 1996, vol. 4, s. 24-26.
12. 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.
13. I. Livey, M. O’Rourke, A. Traweger, H. Savidis-Dacho, B.A. Crowe, P.N. Barrett, X. Yang, J.J. Dunn, B.J. Luft: A new approach to a lyme disease vaccine, Clinical Infectious Diseases, 2011, vol. 52, s. 266-270.
14. O. Kayser, R.H. Muller: Biotechnologia Farmaceutyczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2003.
15. A. Milicic, R. Kaur, A. Reyes-Sandoval, C. Tang, J. Honeycutt, Y. Perrie, A.V. Hill: Small cationic DDA:TDB liposomes as protein vaccine adjuvants obviate the need for TLR agonists in inducing cellular and humoral responses, PLoS One, 2012, vol. 7, e34255.
16. L. Jedlina-Panasiuk: Próby wykorzystania szczepionek genetycznych przeciwko helmintom, Kosmos, 2005, vol. 54, s. 123-130.
17. M.P. Morrow, D.B. Weiner: Lecznicza moc DNA, Świat Nauki, 2010, vol. 8, s. 53-57.
18. J.H. Berg, B. Nuijen, J.H. Beijnen, A. Vincent, H. Tinteren, J. Kluge, L.A.E. Woerdeman, W.E. Hennink, G. Storm, T.N. Schumacher, J.B.A. Haanen: Optimization of intradermal vaccination by DNA tattooing in human skin, Human Gene Therapy, 2009, vol. 20, s. 181-189.