W kierunku uniwersalnej szczepionki przeciw grypie

Szczepionki przeciw grypie mogą być trudne do sprzedania społeczeństwu. Nawet zwykła infekcja grypowa może być osłabiająca dla osób zdrowych, a także śmiertelna dla osób starszych lub słabych, dlatego szczepienia są ważne. Problem polega na tym, że szczepionki przeciw grypie działają w sposób niespójny. W dobrym sezonie skuteczność szczepionki sięga 60%, ale w złych, niedopasowanych latach może wynosić zaledwie 10% lub 20%” – mówi Barney Graham, zastępca dyrektora Centrum Badań nad Szczepionkami w Narodowym Instytucie Alergii i Chorób Zakaźnych (NIAID) w Bethesda w stanie Maryland.

Obecne szczepionki przeciw grypie chronią tylko przed szczepami, do których zostały dopasowane, dlatego od dawna marzy się o „uniwersalnej” szczepionce, która zapewniałaby szerszą ochronę przed większością wirusów grypy. Pandemia świńskiej grypy w 2009 roku, która zaskoczyła społeczność zajmującą się zdrowiem publicznym i spowodowała śmierć aż pół miliona osób na całym świecie, nadała tej kwestii nowy, pilny charakter.

„Pandemia z 2009 roku sprawiła, że stało się oczywiste i jasne, że nie mamy wystarczająco dobrych rozwiązań w zakresie szczepionek przeciwko grypie”, mówi Graham. „Znaliśmy wirusa, ale nie byliśmy w stanie wyprodukować wystarczającej ilości szczepionek wystarczająco szybko”. Bardziej efektywna produkcja jest jednym z rozwiązań, ale pojedyncze szczepienie, które chroni zarówno przed sezonowymi, jak i pojawiającymi się szczepami, miałoby znacznie większy wpływ.

Na szczęście czas pandemii zbiegł się z wielkim postępem w rozwoju technologii badania ludzkiej odpowiedzi na grypę. „Około 2008 lub 2009 roku ludzie zaczęli znajdować kilka szeroko neutralizujących przeciwciał przeciwko wirusowi grypy” – mówi Ian Wilson, biolog strukturalny specjalizujący się w opracowywaniu szczepionek w Scripps Research Institute w La Jolla w Kalifornii. Kiedy ludzie zaczęli szukać, odkryto ich znacznie więcej.”

Teraz, około 100 lat po pandemii „hiszpańskiej grypy” z 1918 roku, która zabiła około 50 milionów ludzi, wiele programów szczepionek uniwersalnych wykazuje obiecujące wyniki zarówno w testach przedklinicznych, jak i klinicznych. Jednak dopiero okaże się, czy którykolwiek z nich ostatecznie zapewni szeroką ochronę, której poszukują klinicyści.

Zmienny wirus

Peter Palese, mikrobiolog z Icahn School of Medicine at Mount Sinai w Nowym Jorku, uważa, że dzisiejsze szczepionki przeciwko grypie są zbyt krytykowane. „Są to dość dobre szczepionki, ale nie są doskonałe” – mówi. Głównym problemem, dodaje, jest to, że wywołują one skoncentrowaną odpowiedź immunologiczną przeciwko ruchomemu celowi.

Ludzie są atakowani przez dwa główne typy grypy. Zarówno grypa A, jak i B mogą przyczyniać się do rozwoju grypy sezonowej, ale niektóre podtypy grypy A preferują zakażanie gospodarzy zwierzęcych. Czasami te podtypy nagle nabywają zdolność do zakażania ludzi, co prowadzi do pandemii, takich jak ta z 2009 roku. Każdego roku szczepionka przeciwko grypie sezonowej jest projektowana w taki sposób, aby obejmowała po dwa szczepy grypy A i B, w oparciu o najlepiej poinformowane przypuszczenia społeczności zajmującej się zdrowiem publicznym na temat tego, które szczepy będą dominujące w danym roku.

Każdy wirus grypy jest naszpikowany setkami struktur molekularnych utworzonych przez wielofunkcyjne białko zwane hemaglutyniną. Hemaglutynina pomaga wirusowi wiązać się i przenikać do komórek gospodarza. Składa się ona z nieporęcznej głowy przymocowanej do wirusa za pomocą smukłej łodygi. Większość odpowiedzi immunologicznej jest skierowana na główkę, ponieważ jest ona mocno wyeksponowana, ale istnieją również dowody na to, że główka zawiera cechy, które preferencyjnie wywołują silną odpowiedź przeciwciał. „Są tam ustrukturyzowane pętle, a przeciwciała łatwo rozpoznają pętle, które tak wystają” – wyjaśnia James Crowe, dyrektor Vanderbilt Vaccine Center w Nashville, Tennessee. Niestety, te elementy immunodominujące są również bardzo zmienne pomiędzy szczepami.

Wirusy grypy typu A są szczególnie zróżnicowane. Są one klasyfikowane według numerów na podstawie podtypu białka hemaglutyniny (H) i drugiego białka wirusowego znanego jako neuraminidaza (N), przy czym wśród tych podtypów obserwuje się jeszcze większą zmienność szczepów. Na przykład pandemia z 2009 r. została wywołana przez nowy szczep podtypu H1N1. Zakres zmienności hemaglutyniny oznacza, że słaba selekcja szczepów może pozostawić biorców w dużej mierze bez ochrony – a nawet dobra szczepionka oferuje ograniczoną ochronę przed przyszłymi szczepami. Za dwa lata wirus może się znowu zmienić, więc możemy zostać ponownie zainfekowani i zachorować” – mówi Palese.

Dalszą komplikację w poszukiwaniu uniwersalnej szczepionki przeciwko grypie stanowi fakt, że nasz układ odpornościowy jest silnie zniekształcony przez najwcześniejsze spotkania z grypą w wyniku zjawiska zwanego imprintingiem – lub, jak to zostało nazwane, „pierwotnym grzechem antygenowym”. Oznacza to, że osoby mają silną odpowiedź przeciwciał na wirusy o cechach molekularnych wspólnych ze szczepem napotkanym podczas pierwszej ekspozycji, ale zasadniczo zaczynają od zera, gdy są narażone na odległe szczepy po raz pierwszy. „Nie chodzi o to, że nie możesz zobaczyć drugiego wirusa – to tak, jakbyś był dzieckiem i widział go po raz pierwszy”, mówi Crowe.

Imprinting to miecz obosieczny, ponieważ wczesna ekspozycja na właściwy szczep mogłaby teoretycznie wytworzyć daleko idącą i silną ochronę w odpowiedzi na szczepienie. Ale jeśli dziecko po raz pierwszy zetknie się z grypą ze stosunkowo nietypowym lub atypowym szczepem, szczepienie może okazać się mniej skuteczne pod względem wzbudzenia szeroko pojętej odporności ochronnej.

Stabilność tropiąca

Szczepionka, która skupia odpowiedź immunologiczną na bardziej stabilnym celu w wirusie, mogłaby przezwyciężyć problem różnorodności wirusów. Naukowcy wiedzieli, że takie cele istnieją od dziesięcioleci. W 1983 roku Palese i jego współpracownicy ustalili, że domena łodygi hemaglutyniny jest tak podobna między szczepami, że przeciwciała mogą rozpoznać specyficzne cechy fizyczne, znane jako epitopy, białek hemaglutyniny z wielu podtypów grypy. Niestety, łodyga jest czymś w rodzaju immunologicznego bimbrownika, przyćmionego przez wpływ głowy. „Zaprojektowaliśmy epitopy w łodydze i te same epitopy w głowie i uzyskaliśmy znacznie lepszą odpowiedź na epitopy w głowie” – mówi Palese. Ale odporność nadal może pojawić się naturalnie w niektórych przypadkach, a seria przeciwciał specyficznych dla łodygi została wyizolowana od ludzkich dawców w 2008 i 2009 roku.

Ostatnio kilka grup badawczych opracowało wiele strategii szczepionkowych w celu selektywnego wywołania odpowiedzi swoistej dla pnia. Zespół Grahama w NIAID, na przykład, podjął się żmudnego procesu inżynierii białkowej samodzielnej wersji rdzenia z wirusa grypy H1. „Zajęło nam to około siedmiu lub ośmiu lat, aby go zaprojektować i ustabilizować na tyle, aby zachować odpowiednie powierzchnie i struktury” – mówi Graham. Następnie badacze stworzyli nanocząstki zawierające wiele kopii tych zmodyfikowanych łodyg i wykazali1, że mogą one generować silną ochronę przed zupełnie innymi podtypami grypy A, takimi jak H5 – przynajmniej w modelach zwierzęcych. Ten projekt szczepionki jest obecnie w fazie I badań klinicznych i w zasadzie mógłby zapewniać ochronę przed wieloma najważniejszymi podtypami wirusa pandemicznego. Nowszy konstrukt macierzystej hemaglutyniny opracowany przez NIAID może prowadzić do jeszcze szerszej ochrony przed pozostałymi podtypami.

Palese i Florian Krammer, wirusolog, który również pracuje w Mount Sinai, opracowali alternatywne podejście do stymulowania odporności swoistej dla macierzystego wirusa. Wygenerowali wiele wirusów grypy z chimerycznymi białkami hemaglutyniny, w których ta sama domena łodygi jest sparowana z różnymi egzotycznymi domenami głowy z podtypów wirusa, które przede wszystkim zakażają ptaki i dlatego jest mało prawdopodobne, aby wywołać odpowiedź opartą na imprintingu u ludzi. „Jeśli następnie ponownie zaszczepisz się szczepionką, która ma tę samą łodygę, ale zupełnie inną głowę, pamięć immunologiczna przeciwko łodydze może zostać wzmocniona”, wyjaśnia Krammer.

Podejście to wykorzystuje całą cząstkę wirusa, tworząc potencjał do wywołania równoległego rozpoznania immunologicznego innych antygenów grypy. Na podstawie obiecujących dowodów na ochronę krzyżową przed różnymi podtypami grypy A u zwierząt, zespół z Mount Sinai prowadzi obecnie badania I fazy w celu zbadania bezpieczeństwa i skuteczności szczepionki u ludzi.

Ukryte słabości

Zainspirowane odkryciem przeciwciał łodygowych zapewniających ochronę krzyżową w środowisku naturalnym, kilka grup badawczych poszerzyło zakres poszukiwań, aby znaleźć więcej takich cząsteczek. „Wykorzystujemy wszelkiego rodzaju dawców – ludzi aktywnie chorych, ludzi, którzy wyleczyli się z ptasiej grypy lub udajemy się do innych krajów, aby znaleźć dawców, którzy byli narażeni na kontakt z nietypowymi szczepami” – mówi Crowe. Po wyizolowaniu komórek B produkujących przeciwciała od tych osób, naukowcy mogą kompleksowo profilować specyficzne cele grypy, które wywołują naturalną odpowiedź immunologiczną i zidentyfikować przeciwciała, które mogą mieć szerokie zdolności neutralizujące infekcję.

Badania te ujawniły, że nawet w zmiennej domenie głowy hemaglutyniny istnieją elementy strukturalne, które są spójne we wszystkich podtypach grypy. W 2012 roku naukowcy ze Scripps i Janssen’s Crucell Vaccine Institute w Leiden w Holandii zidentyfikowali2 przeciwciało o nazwie CR9114, które wykazywało bezprecedensową szerokość rozpoznawania. „Mogło ono wiązać się zarówno z grypą A, jak i grypą B” – mówi Wilson, który pomógł scharakteryzować to przeciwciało. Przeciwciało to jest obecnie wykorzystywane do identyfikacji docelowych epitopów na hemaglutyninie, które można wykorzystać do osiągnięcia daleko idącej neutralizacji wirusa, zarówno w celu zapobiegania, jak i leczenia.

W niektórych przypadkach poszukiwania te ujawniły nieoczekiwane słabe punkty wirusa. Hemaglutynina normalnie łączy się w wysoce stabilne kompleksy trzech ściśle powiązanych cząsteczek, ale Crowe i Wilson odkryli3 w tym roku, że te trimery czasami otwierają się, aby odsłonić słaby punkt, do którego przeciwciała mogą się wiązać, potencjalnie udaremniając infekcję przez szeroki zakres wirusów grypy A. „Ten interfejs trimeru to zupełnie nowy uniwersalny epitop grypy i wszyscy za nim szaleją” – mówi Crowe. „Nie jest nawet jasne, jak to działa, ale wyraźnie działa u zwierząt.”

Wielka część zmienności pomiędzy wirusami grypy jest głęboka jak skóra. Sięgając głębiej w cząsteczkę wirusa, można znaleźć większe podobieństwo w istotnych białkach. Są one poza zasięgiem przeciwciał, ale mogą być rozpoznane przez limfocyty T – element układu odpornościowego, który może namierzać i eliminować komórki zakażone grypą, prezentujące sygnatury peptydowe swoich wirusowych intruzów.

Do tej pory przeciwciała były głównym przedmiotem zainteresowania społeczności zajmującej się szczepionkami, ponieważ stanowią one kluczową pierwszą linię obrony przed krążącymi cząstkami wirusa, ale limfocyty T zapewniają krytyczną ochronę, powstrzymując infekcję, gdy już się rozpocznie. „Ludzie są narażeni na zakażenie i zarażają się średnio co dwa lub trzy lata” – mówi Sarah Gilbert, która kieruje pracami nad szczepionką w Instytucie Jennera na Uniwersytecie Oksfordzkim w Wielkiej Brytanii. „Ogromna większość tych infekcji przebiega bezobjawowo lub łagodnie” – mówi – „a powodem jest to, że ludzie mają odpowiedź komórek T, która jest wystarczająco silna, aby ich chronić.”

Ogólnie rzecz biorąc, wywołanie prawdziwie ochronnej odpowiedzi limfocytów T wymaga ponownego przebudzenia komórek pamięci T, które powstały w następstwie wcześniejszej ekspozycji. Zespół Gilberta używa kalekiego wirusa vaccinia, który może zakażać ludzkie komórki i który syntetyzuje dwa różne białka grypy stymulujące odporność, ale jest niezdolny do dalszej replikacji. „W przypadku pojedynczej dawki zaobserwowaliśmy u ludzi ośmio- lub dziesięciokrotny wzrost wcześniej istniejących odpowiedzi komórek T” – mówi Gilbert. Dodaje, że białka docelowe są w 90% identyczne we wszystkich wirusach grypy typu A, co daje możliwość szerokiej ochrony przed szczepami pandemicznymi.

Szczepionka Gilbert przechodzi obecnie dwie fazy badań II fazy pod kierunkiem Vaccitech, firmy, której jest współzałożycielką w Oxfordzie. Silna odpowiedź komórek T wydaje się również przyczyniać do widocznej ochrony krzyżowej oferowanej przez szczepionkę przeciwko grypie z defektem replikacji firmy FluGen z Madison w stanie Wisconsin, która odniosła sukces w niedawnym badaniu klinicznym II fazy.

Próby i trudności

Nawet po przeprowadzeniu kilku obiecujących serii badań na ludziach, droga do kliniki pozostaje najeżona trudnościami. Myszy są często wykorzystywane do wczesnych badań przedklinicznych nad szczepionkami, ale Palese podkreśla, że nie są one naturalnym rezerwuarem dla wirusa grypy. Dlatego wielu badaczy szybko przestawia się na wykorzystanie fretek do testowania kandydatów do szczepionki, ponieważ są one w dużym stopniu podatne na grypę, a pod względem fizjologicznym są bardziej podobne do ludzi, ponieważ fretki mają dłuższe drogi oddechowe niż myszy. Oba gatunki żyją jednak krótko, co utrudnia badanie efektów szczepionki w ciągu wielu rund narażenia na grypę.

Gilbert rozpoczął pracę nad świniami we współpracy z Instytutem Pirbright w pobliżu Woking w Wielkiej Brytanii. Ten długo żyjący gatunek może służyć zarówno jako użyteczny przypadek testowy, jak i ważny beneficjent szczepionek. „Górne drogi oddechowe świni są bardzo podobne do ludzkich i mają one tendencję do zarażania się tymi samymi wirusami” – mówi. „I istnieje zapotrzebowanie na szczepionki przeciwko grypie u świń – uważa się, że wirus pandemiczny 2009 H1N1 pochodzi od świń.”

Krammer również wykorzystał świnie jako model, ale mówi, że ich duży rozmiar utrudnia ich rutynowe wykorzystanie w badaniach. Ponadto, jest on niezdecydowany co do wyciągania zbyt wielu wniosków z jakiegokolwiek modelu zwierzęcego: „Można ich używać do selekcji kandydatów i do oceny bezpieczeństwa, ale w przypadku uniwersalnych szczepionek przeciwko grypie ostatecznym modelem zwierzęcym jest Homo sapiens.”

Ostatecznym dowodem na istnienie jakiejkolwiek szczepionki przeciwko grypie jest ochrona przed chorobą w badaniach klinicznych. Ale w przypadku domniemanej szczepionki uniwersalnej, takie testy są bardziej skomplikowane. Rosnąca liczba grup stosuje badania „próby na ludziach”, w których zdrowi ochotnicy są celowo narażeni na określony szczep grypy po szczepieniu. Takie podejście pozwala na szybsze badania z mniejszą kohortą i zdefiniowanymi warunkami ekspozycji – obniżając koszty badań – a także pozwala badaczom na ręczne wybieranie wirusów, przed którymi chcą chronić.

Ale próby wyzwań mają również swoich krytyków. „To nie jest naturalna infekcja. Trzeba zaszczepić ludzi milionem, a nawet dziesięcioma milionami cząsteczek wirusa” – mówi Krammer – „i nie wydaje się, żeby to działało jak naturalna infekcja”. Próby te pomijają również bardzo młodych i bardzo starych ludzi, które są grupami najbardziej narażonymi na grypę.

Innym problemem jest to, że Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków nadal wymaga prób w świecie rzeczywistym przed wydaniem zgody, a te są trudne i kosztowne. Wymagają one tysięcy uczestników, aby zapewnić, że wystarczająca liczba osób jest narażona na grypę, i muszą obejmować kilka sezonów, aby wykazać skuteczność przeciwko wielu szczepom lub podtypom wirusa.

Wielu badaczy akademickich twierdzi, że nawet rozpoczęcie badań klinicznych może stanowić wyzwanie niemal nie do pokonania, ponieważ wymaga dostępu do wyrafinowanych zakładów produkcyjnych, które spełniają wysokie standardy dobrej produkcji. „Nawet jeśli jest to prosta konstrukcja, mówimy o co najmniej roku na jej wyprodukowanie i koszcie rzędu 1 do 2 milionów dolarów” – mówi Krammer. Kilka dużych firm, takich jak GlaxoSmithKline i Janssen, poczyniło takie inwestycje, ale uzyskanie tak dużych funduszy od instytucji publicznych lub prywatnych nie jest łatwe. Gilbert przez pięć lat walczyła o fundusze przed założeniem swojej firmy, która zebrała kapitał potrzebny do wprowadzenia programu szczepionki jej laboratorium do fazy II badań.

Więcej inwestycji może być w drodze. W ciągu ostatnich kilku lat zarówno NIAID, jak i US Biomedical Advanced Research and Development Authority nadały priorytet opracowaniu uniwersalnej szczepionki, a Fundacja Billa & Melindy Gates połączyła siły z organizacjami rządowymi i pozarządowymi, tworząc Global Funders Consortium for Universal Influenza Vaccine Development.

Podniesienie poprzeczki

Opracowywane obecnie szczepionki obiecują znacznie szerszą ochronę niż obecne szczepionki sezonowe, ale daleko im do bycia prawdziwie uniwersalnymi. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) nadal dostrzega znaczną wartość takich szczepionek i wezwała do opracowania do 2027 r. szczepionki zapobiegającej ciężkim chorobom wywoływanym przez wszystkie formy grypy A, co pozwoliłoby zapobiec pandemii. Ale Krammer zwraca uwagę, że sezonowe infekcje grypą B również mogą powodować poważne żniwo śmierci, a zarówno on, jak i Palese skupili swoje strony na prawdziwej uniwersalności. „Myślę, że WHO stawia poprzeczkę zbyt nisko” – mówi Palese. „Powinniśmy naprawdę starać się celować wysoko.”

Uniwersalna ochrona nie musi pociągać za sobą wyeliminowania wszystkich śladów wirusa grypy, ale po prostu zapewnienie wystarczającej odporności, aby zminimalizować objawy infekcji. Nawet osiągnięcie tego skromniejszego celu będzie prawdopodobnie wymagało wielostronnego ataku. „Przeciwciała macierzyste przyczyniają się do ochrony, ale prawdopodobnie nie są wystarczające dla bardzo silnej ochrony” – mówi Crowe. „Byłyby one tylko częścią schematu”.

I rzeczywiście, Gilbert bada potencjał szerszego ataku immunologicznego, który łączy chimeryczną szczepionkę macierzystą grupy Mount Sinai z techniką vaccinia jej zespołu. „Przynajmniej u myszy”, mówi, „połączenie tych dwóch podejść było lepsze niż każde z nich osobno.”

Większe zrozumienie ludzkiego układu odpornościowego i jego odpowiedzi na infekcję może informować o mądrzejszych strategiach szczepień. W maju 2019 r. amerykańskie Narodowe Instytuty Zdrowia przyznały 35 milionów dolarów międzynarodowemu zespołowi naukowców w celu profilowania odporności małych dzieci w latach po ich początkowej ekspozycji na grypę, zapewniając najgłębszy wgląd w proces imprintingu.

Ich odkrycia mogą pomóc projektantom szczepionek zorientować się, jaki jest najlepszy sposób na przerobienie układu odpornościowego, gdy pozostaje on plastyczny. A to, jak mówi Crowe, może zmienić postać rzeczy. „Można sobie wyobrazić uniwersalną szczepionkę jako pierwsze narażenie i korzystny wpływ na resztę życia” – mówi.