Mot ett universellt influensavaccin

Influensavaccinationer kan vara svåra att sälja till allmänheten. Även en vanlig influensainfektion kan vara handikappande för annars friska människor och dödlig för äldre eller svaga personer, så vaccinationer är viktiga. Problemet är att influensavaccinationer ger inkonsekventa resultat. ”Under en bra säsong har vi en effektivitet på upp till 60 procent, men under dåliga, felmatchade år kan den vara så låg som 10 eller 20 procent”, säger Barney Graham, biträdande direktör för Vaccine Research Center vid US National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) i Bethesda, Maryland.

De nuvarande influensavaccinerna skyddar bara mot de stammar som de har matchats mot, så ett ”universellt” influensavaccin som ger ett bredare skydd mot de flesta influensavirus har varit en långvarig dröm. Svinfluensapandemin 2009, som tog folkhälsosamfundet på sängen och krävde livet på så många som en halv miljon människor världen över, gav frågan en ny angelägenhet.

”Pandemin 2009 gjorde det uppenbart och klart att vi inte hade tillräckligt bra lösningar för influensavacciner”, säger Graham. ”Vi kände till viruset, men vi kunde inte tillverka tillräckligt med vaccin tillräckligt snabbt.” Effektivare tillverkning är en lösning, men en enda vaccinering som skyddar mot både säsongsbetonade och nya stammar skulle ha mycket större effekt.

Turligtvis sammanföll tidpunkten för pandemin med stora framsteg i utvecklingen av teknik för att undersöka människans reaktion på influensa. ”Runt 2008 eller 2009 började man hitta några få brett neutraliserande antikroppar mot influensaviruset”, säger Ian Wilson, en strukturbiolog som specialiserat sig på vaccinutveckling vid Scripps Research Institute i La Jolla, Kalifornien. ”När folk väl började leta upptäcktes många fler.”

Nu, omkring 100 år efter den spanska influensapandemin 1918, som dödade omkring 50 miljoner människor, visar flera universella vaccinprogram att de är lovande i både preklinisk och klinisk testning. Men det återstår att se om något av dem i slutändan kommer att ge det breda skydd som klinikerna eftersträvar.

Ett variabelt virus

Peter Palese, mikrobiolog vid Icahn School of Medicine at Mount Sinai i New York City, anser att dagens influensavaccin kritiseras för mycket. ”De är ganska bra vacciner men de är inte perfekta”, säger han. Huvudproblemet, tillägger han, är att de framkallar ett fokuserat immunsvar mot ett rörligt mål.

Människor drabbas av två huvudtyper av influensa. Influensa A och B kan båda bidra till säsongsinfluensa, men vissa influensa A-subtyper infekterar företrädesvis djurvärdar. Ibland får dessa subtyper plötsligt förmågan att infektera människor, vilket leder till pandemier som den som inträffade 2009. Varje år utformas vaccinet mot säsongsinfluensa så att det täcker två stammar av vardera influensa A och B, baserat på folkhälsosamhällets bäst informerade gissning om vilka stammar som kommer att vara dominerande det året.

Varje influensavirus är översållat med hundratals molekylära strukturer som bildas av ett multifunktionellt protein som kallas hemagglutinin. Hemagglutinin hjälper viruset att binda och penetrera värdceller. Det består av ett skrymmande huvud som är fäst vid viruset med en smal stjälk. Det mesta av immunsvaret riktas mot huvudet eftersom det är mycket exponerat, men det finns också bevis för att huvudet innehåller egenskaper som företrädesvis framkallar ett starkt antikroppssvar. ”Det finns strukturerade slingor, och antikroppar känner lätt igen slingor som sticker ut på det sättet”, förklarar James Crowe, chef för Vanderbilt Vaccine Center i Nashville, Tennessee. Tyvärr är dessa immunodominanta element också mycket varierande mellan olika stammar.

Influensa A-virus är särskilt varierande. De klassificeras med siffror baserat på subtypen av hemagglutininprotein (H) och ett andra virusprotein som kallas neuraminidas (N), med ännu större stamvariation observerad bland dessa subtyper. Pandemin 2009 uppstod till exempel på grund av en ny stam av subtypen H1N1. Omfattningen av hemagglutininvariationen innebär att ett dåligt urval av stammar kan göra mottagarna i stort sett oskyddade – och även ett bra vaccin ger ett begränsat skydd mot framtida stammar. ”Om två år kan viruset förändras igen så att vi kan bli återinfekterade och drabbas av sjukdom”, säger Palese.

Det faktum att vårt immunsystem är starkt påverkat av de tidigaste mötena med influensa genom ett fenomen som kallas prägling – eller, som det har kallats, ”ursprunglig antigensynd” – försvårar sökandet efter ett universellt influensavaccin ytterligare. Detta innebär att individer har ett starkt antikroppssvar mot virus med molekylära egenskaper som delas av den stam som de mötte vid sin första exponering, men att de i princip börjar om från början när de utsätts för avlägset besläktade stammar för första gången. ”Det är inte så att man inte kan se det andra viruset – det är bara som om man är ett barn och ser det för första gången, säger Crowe.

Imprinting är ett tveeggat svärd eftersom en tidig exponering för rätt stam teoretiskt sett skulle kunna ge ett långtgående och kraftfullt skydd som svar på vaccination. Men om ett barns första influensa kontakt med en relativt ovanlig eller atypisk stam kan vaccinationen visa sig vara mindre effektiv när det gäller att väcka en brett skyddande immunitet.

Strålande stabilitet

Ett vaccin som fokuserar immunsvaret på ett mer stabilt mål på viruset skulle kunna övervinna problemet med den virala mångfalden. Forskare har känt till att sådana mål existerar i årtionden. År 1983 fastställde Palese och hans kollegor att hemagglutininets stjälkdomän är så likartad mellan olika stammar att antikroppar kan känna igen specifika fysiska egenskaper, så kallade epitoper, hos hemagglutininproteiner från flera influensasubtyper. Tyvärr är stjälken något av en immunologisk vägglöv, överskuggad av huvudets inflytande. ”Vi har skapat epitoper i stjälken och samma epitoper i huvudet, och vi får ett mycket bättre svar på epitoper i huvudet”, säger Palese. Men immunitet kan fortfarande uppstå naturligt i vissa fall, och en rad stjälkspecifika antikroppar isolerades från mänskliga donatorer 2008 och 2009.

På senare tid har flera forskargrupper utarbetat flera vaccinstrategier för att selektivt framkalla ett stamspecifikt svar. Grahams grupp vid NIAID har till exempel genomfört en mödosam process för proteinteknik av en fristående version av stammen från ett H1-influensavirus. ”Det tog oss ungefär sju eller åtta år att konstruera den och stabilisera den tillräckligt för att behålla de rätta ytorna och strukturerna”, säger Graham. Forskarna genererade därefter nanopartiklar med flera kopior av dessa konstruerade stammar och visade1 att dessa kunde ge ett starkt skydd mot helt andra subtyper av influensa A, t.ex. H5 – åtminstone i djurmodeller. Denna vaccinkonstruktion genomgår nu en klinisk fas I-prövning och skulle i princip kunna ge skydd mot många av de mest framträdande pandemivirus-subtyperna. En nyare hemagglutininstamkonstrukt som utvecklats av NIAID skulle kunna leda till ett ännu bredare skydd mot de återstående subtyperna.

Palese och Florian Krammer, en virolog som också är verksam vid Mount Sinai, har utvecklat ett alternativt tillvägagångssätt för att stimulera stamspecifik immunitet. De har genererat flera influensavirus med chimäriska hemagglutininproteiner där samma stjälkdomän paras ihop med olika exotiska huvuddomäner från virussubtyper som främst infekterar fåglar och som därför sannolikt inte utlöser ett präglingspåverkat svar hos människor. ”Om man sedan revaccinerar med ett vaccin som har samma stjälk men ett helt annat huvud kan immunminnet mot stjälken förstärkas”, förklarar Krammer.

Detta tillvägagångssätt använder hela viruspartikeln, vilket skapar möjlighet att framkalla parallellt immunigenkänning av andra influensaantigen. På grundval av lovande bevis för korsskydd mot olika influensa A-subtyper hos djur genomför Mount Sinai-teamet nu fas I-försök för att undersöka vaccinets säkerhet och effektivitet hos människor.

Gömda svagheter

Inspirerade av upptäckten av korsskyddande antikroppar mot stjälken i naturen har flera forskargrupper kastat ut nätet bredare för att hitta fler sådana molekyler. ”Vi använder alla typer av donatorer – människor som är aktivt sjuka, människor som har återhämtat sig från fågelinfluensa, eller så åker vi till andra länder för att hitta donatorer som har exponerats för ovanliga stammar”, säger Crowe. Efter att ha isolerat de antikroppsproducerande B-cellerna från dessa personer kan forskarna göra en omfattande profilering av de specifika influensamål som framkallar ett naturligt immunsvar och identifiera antikroppar som kan ha en bred infektionsneutraliserande förmåga.

Dessa studier har avslöjat att det till och med i den variabla huvuddomänen för hemagglutinin finns strukturella element som är konsekventa i alla influensasubtyper. År 2012 identifierade2 forskare vid Scripps och Janssens Crucell Vaccine Institute i Leiden, Nederländerna, en antikropp kallad CR9114 som uppvisade en oöverträffad bredd av igenkänning. ”Den kunde faktiskt binda till både influensa A och influensa B”, säger Wilson, som hjälpte till att karakterisera antikroppen. Denna antikropp används nu för att identifiera målepitoper på hemagglutinin som kan utnyttjas för att uppnå långtgående virusneutralisering för både förebyggande och behandling.

I vissa fall har dessa sökningar avslöjat oväntade sårbarheter i viruset. Hemagglutinin samlas normalt till mycket stabila komplex av tre tätt sammankopplade molekyler, men Crowe och Wilson upptäckte3 i år att dessa trimer ibland öppnas upp för att blottlägga en svag punkt som antikroppar kan binda sig till, vilket potentiellt kan motverka infektion med ett brett spektrum av influensa A-virus. ”Det här trimergränssnittet är en helt ny universell influensaepitop, och alla blir galna av det”, säger Crowe. ”Det är inte ens klart hur det fungerar, men det är tydligt att det fungerar hos djur.”

En stor del av variationen mellan influensavirusen är bara ytlig. Om man undersöker djupare inne i viruspartikeln finner man större likheter i de väsentliga proteinerna. Dessa ligger utanför antikropparnas räckvidd, men de kan kännas igen av T-celler – en del av immunsystemet som kan rikta in sig på och eliminera influensainfekterade celler, som uppvisar peptidsignaturer för sina virala inkräktare.

Hittills har antikroppar varit det primära fokuset för vaccinsamfundet, eftersom de utgör en avgörande första försvarslinje mot cirkulerande viruspartiklar, men T-cellerna ger ett kritiskt skydd genom att hålla tillbaka infektionen när den väl är på gång. ”Människor exponeras och smittas i genomsnitt vartannat eller vart tredje år”, säger Sarah Gilbert, som leder utvecklingen av vacciner vid Jenner Institute vid University of Oxford i Storbritannien. ”Den stora majoriteten av dessa infektioner är antingen symtomfria eller milda”, säger hon, ”och anledningen är att människor har ett T-cellsvar som är tillräckligt starkt för att skydda dem.”

I allmänhet innebär framkallande av ett verkligt skyddande T-cellssvar att man måste återuppväcka minnes-T-celler som bildades i efterdyningarna av en tidigare exponering. Gilberts team använder ett förlamat vacciniavirus som kan infektera mänskliga celler och som syntetiserar två olika immunitetsstimulerande influensaproteiner men som inte kan replikera sig ytterligare. ”Med en enda dos såg vi en ökning av redan existerande T-cellsvar på mellan åtta och tio gånger hos människor”, säger Gilbert. Hon tillägger att målproteinerna är identiska till 90 % i alla influensa A-virus, vilket ger möjlighet till ett brett skydd mot pandemiska stammar.

Gilberts vaccin genomgår två fas II-prövningar under ledning av Vaccitech, ett företag som hon var med och grundade i Oxford. Ett starkt T-cellsvar verkar också bidra till det uppenbara korsskydd som erbjuds av ett replikationsdefekt influensavaccin från FluGen, baserat i Madison, Wisconsin, som har rapporterat framgångar i en nyligen genomförd klinisk fas II-prövning.

Processer och prövningar

Även med flera lovande serier av prövningar på människor som pågår, är vägen till kliniken fortfarande fylld av svårigheter. Möss används ofta för tidiga studier av den prekliniska utvecklingen av vacciner, men Palese påpekar att de inte är en naturlig reservoar för influensaviruset. Många forskare går därför snabbt över till att använda illrar för att testa sina vaccinkandidater, eftersom de är allmänt mottagliga för influensa och fysiologiskt sett är mer lika människor, eftersom illrar har längre luftvägar än möss. Båda arterna är dock kortlivade, vilket gör det svårt att studera effekterna av ett vaccin under många omgångar av influensaexponering.

Gilbert har börjat arbeta med grisar i samarbete med Pirbright Institute nära Woking i Storbritannien. Denna långlivade art skulle kunna fungera både som ett användbart testfall och en viktig mottagare för vacciner. ”Grisens övre luftvägar är mycket lika människans och de tenderar att smittas av samma virus”, säger hon. ”Och det finns ett behov av influensavaccin för grisar – det pandemiska H1N1-viruset från 2009 tros ha kommit från grisar.”

Krammer har också använt grisar som modell, men säger att deras stora storlek gör det svårt att använda dem rutinmässigt inom forskningen. Dessutom är han tveksam till att dra för många slutsatser från en djurmodell: ”Man kan använda dem för att välja ut kandidater och för säkerhet, men när det gäller universella influensavacciner är den ultimata djurmodellen Homo sapiens.”

Det ultimata beviset för alla influensavacciner är skydd mot sjukdom i kliniska prövningar. Men för ett förmodat universellt vaccin är sådana tester mer komplicerade. Ett växande antal grupper använder sig av ”human challenge”-försök, där friska frivilliga avsiktligt utsätts för en viss influensastam efter vaccination. Detta tillvägagångssätt möjliggör snabbare försök med mindre kohorter och definierade exponeringsförhållanden – vilket sänker kostnaderna för försöket – och det gör det också möjligt för forskarna att handplocka de virus som de vill skydda mot.

Men utmaningsförsök har också sina kritiker. ”Det är inte en naturlig infektion. Man måste vaccinera människor med en miljon eller till och med tio miljoner viruspartiklar”, säger Krammer, ”och det verkar inte fungera som en naturlig infektion”. Dessa försök utelämnar också mycket unga och mycket gamla människor, som är de grupper som är mest sårbara för influensa.

Ett annat problem är att USA:s livsmedels- och läkemedelsmyndighet fortfarande kräver en verklig prövning innan den ger sitt godkännande, och dessa är svåra och kostsamma. De kräver tusentals deltagare för att säkerställa att tillräckligt många människor utsätts för influensa, och de måste sträcka sig över flera säsonger för att visa att de är effektiva mot flera virusstammar eller subtyper.

Många akademiska forskare säger att till och med att inleda en klinisk prövning kan utgöra en nästan oöverstiglig utmaning, eftersom det krävs tillgång till sofistikerade produktionsanläggningar som uppfyller de högt ställda kraven på god tillverkningsstandard. ”Även om det är en enkel konstruktion talar vi om minst ett år för att tillverka den och en kostnad på cirka 1 till 2 miljoner US-dollar”, säger Krammer. Några stora företag som GlaxoSmithKline och Janssen har gjort dessa investeringar, men det är långt ifrån lätt att få så mycket pengar från antingen offentliga eller privata organ. Gilbert kämpade i fem år för att få finansiering innan hon startade sitt företag, som samlade in det kapital som behövdes för att föra in hennes laboratoriums vaccinprogram i fas II-försök.

Mer investeringar kan vara på väg. Under de senaste åren har både NIAID och US Biomedical Advanced Research and Development Authority prioriterat utvecklingen av ett universellt vaccin, och Bill & Melinda Gates Foundation har gått samman med statliga och icke-statliga organisationer för att bilda Global Funders Consortium for Universal Influenza Vaccine Development.

Höjning av ribban

Vaccinet som nu utvecklas lovar ett mycket bredare skydd än de nuvarande säsongsinjektionerna men är långt ifrån riktigt universellt. Världshälsoorganisationen (WHO) ser fortfarande ett stort värde i sådana vacciner och har efterlyst ett vaccin som förhindrar allvarlig sjukdom från alla former av influensa A senast 2027, vilket skulle förhindra pandemier. Men Krammer påpekar att säsongsinfluensa B-infektioner också kan orsaka en allvarlig dödssiffra, och både han och Palese har fokuserat sina webbplatser på verklig universalitet. ”Jag tycker att WHO sätter ribban för lågt”, säger Palese. ”Vi borde verkligen försöka sikta högt.”

Universellt skydd behöver inte innebära att man eliminerar alla spår av influensavirus utan bara ger tillräcklig immunitet för att minimera infektionssymptomen. Även för att uppnå detta mer blygsamma mål kommer det förmodligen att krävas en flerstämmig attack. ”Stamantikroppar bidrar till skyddet men är förmodligen inte tillräckliga för ett mycket starkt skydd”, säger Crowe. ”De skulle bara vara en del av systemet.”

Förvisso utforskar Gilbert potentialen i ett bredare immunologiskt angrepp där Mount Sinai-gruppens chimära stamvaccin smälter samman med hennes grupps vaccinia-teknik. ”Åtminstone i möss”, säger hon, ”var det bättre att kombinera dessa två tillvägagångssätt än att använda någon av dem ensamt.”

En större förståelse för det mänskliga immunförsvaret och dess svar på infektioner skulle kunna ge information om smartare vaccinationsstrategier. I maj 2019 beviljade US National Institutes of Health 35 miljoner dollar till ett internationellt forskarlag för att profilera immuniteten hos små barn under åren efter deras första exponering för influensa, vilket ger de djupaste insikterna hittills om präglingsprocessen.

Dess resultat kan hjälpa vaccinkonstruktörer att ta reda på det bästa sättet att koppla om immunförsvaret medan det fortfarande är formbart. Och det, säger Crowe, skulle kunna vara en avgörande faktor. ”Man skulle kunna tänka sig att göra en universell vaccination som den första exponeringen, med en fördelaktig prägling för resten av livet”, säger han.