Na cestě k univerzální vakcíně proti chřipce

Očkování proti chřipce se veřejnosti těžko prodává. I běžná chřipková infekce může být pro jinak zdravé lidi vysilující a pro starší nebo slabé osoby smrtelná, proto je očkování důležité. Problémem je, že vakcíny proti chřipce mají rozporuplný účinek. „V dobré sezóně dosahujeme až 60% účinnosti, ale ve špatných, špatně přizpůsobených letech to může být až 10 nebo 20 %,“ říká Barney Graham, zástupce ředitele Centra pro výzkum vakcín v americkém Národním institutu pro alergie a infekční nemoci (NIAID) v Bethesdě ve státě Maryland.

Současné vakcíny proti chřipce poskytují ochranu pouze proti kmenům, ke kterým byly přizpůsobeny, takže „univerzální“ vakcína proti chřipce, která by poskytovala širší ochranu proti většině chřipkových virů, byla dlouholetým snem. Pandemie prasečí chřipky v roce 2009, která zaskočila zdravotnickou veřejnost a vyžádala si životy až půl milionu lidí po celém světě, dodala tomuto problému novou naléhavost.

„Pandemie v roce 2009 jasně a zřetelně ukázala, že nemáme dostatečně dobrá řešení pro vakcíny proti chřipce,“ říká Graham. „Virus jsme znali, ale nebyli jsme schopni dostatečně rychle vyrobit dostatečné množství vakcín.“ Efektivnější výroba je jedním z řešení, ale mnohem větší dopad by mělo jediné očkování, které by chránilo proti sezónním i novým kmenům.

Naštěstí se načasování pandemie shodovalo s velkým pokrokem ve vývoji technologií pro zkoumání lidské reakce na chřipku. „Kolem roku 2008 nebo 2009 začali lidé nacházet několik široce neutralizujících protilátek proti chřipkovému viru,“ říká Ian Wilson, strukturní biolog specializující se na vývoj vakcín ve Scripps Research Institute v La Jolla v Kalifornii. „Jakmile lidé začali hledat, objevili jich mnohem více.“

Nyní, přibližně 100 let po pandemii „španělské chřipky“ v roce 1918, která zabila asi 50 milionů lidí, se v preklinických i klinických testech slibně rozvíjí několik programů univerzálních vakcín. Ještě se však neví, zda některý z nich nakonec poskytne širokou ochranu, o kterou lékaři usilují.

Variabilní virus

Peter Palese, mikrobiolog z Icahn School of Medicine at Mount Sinai v New Yorku, se domnívá, že dnešní vakcíny proti chřipce jsou příliš kritizovány. „Jsou to poměrně dobré vakcíny, ale nejsou dokonalé,“ říká. Dodává, že hlavním problémem je, že vyvolávají cílenou imunitní odpověď proti pohyblivému cíli.

Člověka postihují dva hlavní typy chřipky. Chřipka A i B mohou přispívat k sezónní chřipce, ale některé podtypy chřipky A přednostně infikují zvířecí hostitele. Někdy tyto subtypy náhle získají schopnost infikovat člověka, což vede k pandemiím, jako byla ta v roce 2009. Vakcína proti sezónní chřipce je každoročně navržena tak, aby pokryla vždy dva kmeny chřipky A a B, a to na základě nejlepšího odhadu zdravotnické komunity o tom, které kmeny budou v daném roce dominantní.

Každý chřipkový virus je poset stovkami molekulárních struktur tvořených multifunkčním proteinem zvaným hemaglutinin. Hemaglutinin pomáhá viru vázat se a pronikat do hostitelských buněk. Skládá se z objemné hlavičky připojené k viru štíhlou stopkou. Většina imunitní odpovědi je zaměřena na hlavičku, protože je velmi exponovaná, ale existují také důkazy, že hlavička obsahuje prvky, které přednostně vyvolávají silnou protilátkovou odpověď. „Jsou zde strukturované smyčky a protilátky snadno rozpoznají takto vyčnívající smyčky,“ vysvětluje James Crowe, ředitel Vanderbilt Vaccine Center v Nashvillu v Tennessee. Tyto imunodominantní prvky jsou bohužel také velmi variabilní mezi jednotlivými kmeny.

Viry chřipky A jsou obzvláště rozmanité. Jsou klasifikovány podle čísel na základě podtypu proteinu hemaglutininu (H) a druhého virového proteinu známého jako neuraminidáza (N), přičemž mezi těmito podtypy je pozorována ještě větší variabilita kmenů. Například pandemie v roce 2009 vznikla na základě nového kmene subtypu H1N1. Rozsah variability hemaglutininu znamená, že špatný výběr kmene může způsobit, že příjemci zůstanou z velké části nechráněni – a dokonce i dobrá vakcína poskytuje omezenou ochranu proti budoucím kmenům. „Za dva roky se virus může znovu změnit, takže se můžeme znovu nakazit a onemocnět,“ říká Palese.

Další komplikací při hledání univerzální vakcíny proti chřipce je skutečnost, že náš imunitní systém je silně zkreslený svými prvními setkáními s chřipkou díky jevu zvanému imprinting – nebo, jak byl nazván, „původní antigenní hřích“. To znamená, že jedinci mají silnou protilátkovou odpověď na viry se společnými molekulárními vlastnostmi kmene, s nímž se setkali při prvním kontaktu, ale při prvním kontaktu se vzdáleně příbuznými kmeny začínají v podstatě od nuly. „Není to tak, že byste druhý virus neviděli – je to prostě, jako byste byli dítě a viděli ho poprvé,“ říká Crowe.

Imprinting je dvousečná zbraň, protože časná expozice správnému kmeni by teoreticky mohla vyvolat dalekosáhlou a silnou ochranu v reakci na očkování. Pokud se však dítě poprvé setká s relativně neobvyklým nebo atypickým kmenem chřipky, může se očkování ukázat jako méně účinné, pokud jde o probuzení široce ochranné imunity.

Sledování stability

Vakcína, která zaměřuje imunitní odpověď na stabilnější cíl na viru, by mohla problém virové rozmanitosti překonat. Vědci vědí, že takové cíle existují již desítky let. V roce 1983 Palese a jeho kolegové zjistili, že doména hemaglutininové stopky je u různých kmenů natolik podobná, že protilátky mohou rozpoznat specifické fyzikální vlastnosti, známé jako epitopy, hemaglutininových proteinů z více podtypů chřipky. Bohužel, stopka je z imunologického hlediska poněkud v pozadí, zastíněna vlivem hlavičky. „Vymysleli jsme epitopy do stopky a stejné epitopy do hlavičky a na epitopy v hlavičce reagujeme mnohem lépe,“ říká Palese. V některých případech však může imunita vzniknout i přirozenou cestou a v letech 2008 a 2009 byla od lidských dárců izolována řada protilátek specifických pro stonek.

V poslední době několik výzkumných skupin navrhlo několik vakcinačních strategií pro selektivní vyvolání kmenově specifické odpovědi. Grahamův tým v NIAID například podnikl pečlivý proces proteinového inženýrství samostatné verze kmene z chřipkového viru H1. „Trvalo nám asi sedm nebo osm let, než jsme ji zkonstruovali a stabilizovali natolik, abychom zachovali správné povrchy a struktury,“ říká Graham. Výzkumníci následně vytvořili nanočástice s více kopiemi těchto upravených kmenů a prokázali1 , že tyto mohou vytvářet silnou ochranu proti zcela odlišným podtypům chřipky A, jako je H5 – alespoň na zvířecích modelech. Tento design vakcíny nyní prochází fází I klinických zkoušek a v zásadě by mohl poskytnout ochranu proti mnoha nejvýznamnějším podtypům pandemického viru. Novější konstrukce kmenového hemaglutininu vyvinutá agenturou NIAID by mohla vést k ještě širší ochraně proti zbývajícím subtypům.

Palese a Florian Krammer, virolog, který rovněž působí na Mount Sinai, vyvinuli alternativní přístup ke stimulaci kmenově specifické imunity. Vytvořili několik chřipkových virů s chimérickými hemaglutininovými proteiny, v nichž je stejná stonková doména spárována s různými exotickými hlavovými doménami z podtypů virů, které infikují především ptáky, a proto je nepravděpodobné, že by u lidí vyvolaly imprintingově podmíněnou odpověď. „Pokud se pak přeočkujete vakcínou, která má stejnou stopku, ale úplně jinou hlavičku, mohla by se posílit imunitní paměť proti stopce,“ vysvětluje Krammer.

Tento přístup využívá celou virovou částici, čímž vzniká potenciál vyvolat paralelní imunitní rozpoznávání dalších chřipkových antigenů. Na základě slibných důkazů o zkřížené ochraně proti různým podtypům chřipky A u zvířat nyní tým z Mount Sinai provádí zkoušky fáze I, aby prozkoumal bezpečnost a účinnost vakcíny u lidí.

Skryté slabiny

Na základě objevu zkřížených ochranných protilátek proti stonku ve volné přírodě několik výzkumných skupin rozprostřelo sítě, aby našlo další takové molekuly. „Používáme nejrůznější dárce – aktivně nemocné lidi, lidi, kteří se zotavili z ptačí chřipky, nebo se vydáme do jiných zemí, abychom našli dárce vystavené neobvyklým kmenům,“ říká Crowe. Po izolaci buněk B produkujících protilátky od těchto osob mohou vědci komplexně profilovat specifické cíle chřipky, které vyvolávají přirozenou imunitní odpověď, a identifikovat protilátky, které by mohly mít široké schopnosti neutralizovat infekci.

Tyto studie odhalily, že i v doméně variabilní hlavy hemaglutininu existují strukturní prvky, které jsou konzistentní napříč podtypy chřipky. V roce 2012 vědci ze Scripps a Crucell Vaccine Institute společnosti Janssen v nizozemském Leidenu identifikovali2 protilátku nazvanou CR9114, která vykazovala nebývalou šíři rozpoznávání. „Ta se skutečně mohla vázat jak na chřipku A, tak na chřipku B,“ říká Wilson, který se podílel na charakterizaci této protilátky. Tato protilátka se nyní používá k identifikaci cílových epitopů na hemaglutininu, které lze využít k dosažení dalekosáhlé neutralizace viru pro prevenci i léčbu.

V některých případech toto hledání odhalilo nečekaná zranitelná místa viru. Hemaglutinin se normálně sestavuje do vysoce stabilních komplexů tří těsně spojených molekul, ale Crowe a Wilson letos objevili3 , že tyto trimery se občas otevřou a odhalí slabé místo, na které se mohou navázat protilátky, což může potenciálně zmařit infekci širokou škálou chřipkových virů A. „Toto trimerové rozhraní je zcela novým univerzálním epitopem chřipky a všichni z něj šílí,“ říká Crowe. „Není ani jasné, jak to funguje, ale u zvířat to zjevně funguje.“

Velká část variability mezi chřipkovými viry je jen povrchní. Zkoumejte hlouběji uvnitř virové částice a najdete větší podobnost v základních bílkovinách. Ty jsou mimo dosah protilátek, ale mohou být rozpoznány T-lymfocyty – prvkem imunitního systému, který se dokáže zaměřit na buňky infikované chřipkou, jež představují peptidové znaky svých virových vetřelců, a zlikvidovat je.

Dosud se vakcinologové zaměřovali především na protilátky, protože představují zásadní první linii obrany proti cirkulujícím částicím viru, ale T-lymfocyty poskytují kritickou ochranu tím, že zadržují infekci, jakmile je v plném proudu. „Lidé jsou vystaveni nákaze a infikují se v průměru každé dva až tři roky,“ říká Sarah Gilbertová, která vede vývoj vakcín v Jennerově institutu Oxfordské univerzity ve Velké Británii. „Naprostá většina těchto infekcí probíhá buď bez příznaků, nebo mírně,“ říká, „a důvodem je, že lidé mají dostatečně silnou odpověď T-buněk, která je ochrání.“

Vyvolání skutečně ochranné odpovědi T-buněk obecně znamená opětovné probuzení paměťových T-buněk, které se vytvořily po předchozí expozici. Gilbertův tým používá ochromený vakcinační virus, který může infikovat lidské buňky a který syntetizuje dva různé imunitu stimulující chřipkové proteiny, ale není schopen další replikace. „Jedinou dávkou jsme u lidí zaznamenali osmi- až desetinásobné zvýšení již existujících reakcí T-buněk,“ říká Gilbert. Dodává, že cílové proteiny jsou z 90 % shodné u všech chřipkových virů A, což nabízí potenciál široké ochrany proti pandemickým kmenům.

Vakcína Gilbertové prochází dvěma zkouškami fáze II pod vedením společnosti Vaccitech, kterou spoluzaložila v Oxfordu. Zdá se, že silná reakce T-buněk přispívá také ke zjevné zkřížené ochraně, kterou nabízí vakcína proti chřipce s defektem replikace od společnosti FluGen se sídlem v Madisonu ve Wisconsinu, která zaznamenala úspěch v nedávné druhé fázi klinických zkoušek.

Zkoušky a útrapy

I když probíhá několik slibných sérií zkoušek na lidech, cesta na kliniku je stále plná obtíží. Pro počáteční studie preklinického vývoje vakcín se často používají myši, ale Palese upozorňuje, že nejsou přirozeným rezervoárem chřipkového viru. Mnozí výzkumníci proto rychle přecházejí k testování svých kandidátů na vakcíny na fretky, protože jsou široce vnímavé vůči chřipce a fyziologicky se více podobají lidem, protože fretky mají delší dýchací cesty než myši. Oba druhy jsou však krátkověké, což ztěžuje studium účinků vakcíny v průběhu mnoha kol expozice chřipce.

Gilbert začal pracovat na prasatech ve spolupráci s Pirbright Institute poblíž Wokingu ve Velké Británii. Tento dlouhověký druh by mohl sloužit jako užitečný testovací případ i jako důležitý příjemce vakcín. „Horní dýchací cesty prasat jsou velmi podobné lidským a mají tendenci se nakazit stejnými viry,“ říká. „A existuje potřeba vakcín proti chřipce u prasat – předpokládá se, že pandemický virus H1N1 z roku 2009 pochází od prasat.“

Krammerová také používá prasata jako model, ale říká, že jejich velká velikost ztěžuje jejich rutinní využití ve výzkumu. Navíc váhá, zda z jakéhokoli zvířecího modelu vyvozovat příliš mnoho závěrů: „

Konečným důkazem pro jakoukoli vakcínu proti chřipce je ochrana před onemocněním v klinických studiích. U domnělé univerzální vakcíny je však takové testování složitější. Stále více skupin používá „human challenge“ testy, při nichž jsou zdraví dobrovolníci po očkování záměrně vystaveni určitému chřipkovému kmeni. Tento přístup umožňuje rychlejší studie s menšími kohortami a definovanými podmínkami expozice – což snižuje náklady na studii – a také umožňuje výzkumníkům ručně vybírat viry, proti kterým chtějí chránit.

Zkoušky s výzvou však mají i své kritiky. „Není to přirozená infekce. Musíte lidi naočkovat milionem nebo dokonce deseti miliony částic viru,“ říká Krammer, „a nezdá se, že by to fungovalo jako přirozená infekce“. Tyto testy také vynechávají velmi mladé a velmi staré lidi, což jsou skupiny, které jsou vůči chřipce nejzranitelnější.

Dalším problémem je, že americký Úřad pro kontrolu potravin a léčiv stále vyžaduje před schválením testování v reálném prostředí, a to je obtížné a nákladné. Vyžadují tisíce účastníků, aby se zajistilo, že dostatečný počet lidí bude vystaven chřipce, a musí zahrnovat několik sezón, aby se prokázala účinnost proti více virovým kmenům nebo podtypům.

Mnozí akademičtí výzkumníci tvrdí, že i zahájení klinické studie může představovat téměř nepřekonatelný problém, protože vyžaduje přístup k sofistikovaným výrobním zařízením, která splňují vysokou laťku dobrých výrobních standardů. „I když se jedná o jednoduchou konstrukci, hovoříme o nejméně roce na její výrobu a nákladech přibližně 1 až 2 miliony USD,“ říká Krammer. Několik velkých společností, jako jsou GlaxoSmithKline a Janssen, tyto investice uskutečnilo, ale získat tolik finančních prostředků od veřejných nebo soukromých subjektů není zdaleka snadné. Gilbertová se snažila získat finanční prostředky pět let, než založila svou společnost, která získala kapitál potřebný k tomu, aby její laboratorní program vakcíny mohl být uveden do druhé fáze zkoušek.

Další investice jsou možná na cestě. V posledních několika letech se NIAID i americký Úřad pro pokročilý biomedicínský výzkum a vývoj prioritně zaměřily na vývoj univerzální vakcíny a Nadace Billa & Melindy Gatesové spojila síly s vládními i nevládními organizacemi a vytvořila Globální konsorcium sponzorů pro vývoj univerzální vakcíny proti chřipce.

Zvyšování laťky

Vakcíny, které jsou nyní vyvíjeny, slibují mnohem širší ochranu než současné sezónní očkování, ale zdaleka nejsou skutečně univerzální. Světová zdravotnická organizace (WHO) stále vidí v takových vakcínách značnou hodnotu a vyzvala k vytvoření vakcíny, která by do roku 2027 zabránila závažnému onemocnění všemi formami chřipky A, což by zabránilo pandemiím. Krammer však poukazuje na to, že sezónní chřipkové infekce typu B mohou také způsobit vážné úmrtí, a on i Palese se na svých stránkách zaměřili na skutečnou univerzálnost. „Myslím, že WHO nasadila laťku příliš nízko,“ říká Palese. „Ve skutečnosti bychom se měli snažit mířit vysoko.“

Univerzální ochrana nemusí znamenat odstranění všech stop chřipkového viru, ale pouze zajištění dostatečné imunity k minimalizaci příznaků infekce. I dosažení tohoto skromnějšího cíle bude pravděpodobně vyžadovat vícenásobný útok. „Kmenové protilátky přispívají k ochraně, ale pravděpodobně nestačí k velmi silné ochraně,“ říká Crowe. „Byly by jen součástí schématu.“

Jistě, Gilbertová zkoumá možnosti širšího imunologického útoku, který by spojil chimérickou kmenovou vakcínu skupiny Mount Sinai s vakcinační technikou jejího týmu. „Přinejmenším u myší,“ říká, „byla kombinace těchto dvou přístupů lepší než kterýkoli z nich samostatně.“

Lepší pochopení lidského imunitního systému a jeho reakce na infekci by mohlo být podkladem pro chytřejší vakcinační strategie. V květnu 2019 udělil americký Národní institut zdraví 35 milionů dolarů mezinárodnímu týmu výzkumníků, aby vytvořili profil imunity malých dětí v letech po jejich prvním vystavení chřipce, což poskytne dosud nejhlubší vhled do procesu imprintingu.

Jejich zjištění by mohla pomoci konstruktérům vakcín zjistit, jak nejlépe přenastavit imunitní systém, dokud zůstává tvárný. A to by podle Crowea mohlo změnit pravidla hry. „Mohli byste si představit, že jako první expozici provedete univerzální očkování s prospěšným imprintingem po zbytek života,“ říká.