Страх перед иглами - одна из главных причин нерешительности в отношении вакцин и основное препятствие для вакцинации многих людей во всем мире.
Но что, если бы можно было получить вакцину, наклеив на кожу безболезненный пластырь или съев конфету? Бактериальные токсины AB5 могут стать ключом к новому способу введения вакцин без использования игл.
Многие бактерии производят токсины, которые могут нарушать нормальную работу клеток и вызывать симптомы заболеваний. За многие века бактерии создали целый арсенал всевозможных токсинов. Одним из распространенных примеров, названных так по их структуре, является класс токсинов AB5. Холерный токсин, который вызывает тяжелую водянистую диарею, ассоциируемую с холерой, возможно, является самым известным токсином AB5. Другой известный токсин, коклюшный, вырабатывается бактерией, вызывающей коклюш. Эти токсины помогают создать в организме хозяина среду, способствующую выживанию и распространению бактерий. Но как они работают?
Бактериальные токсины AB5 состоят из 5 отдельных связывающих (B) субъединиц, которые после сворачивания самособираются в стабильный пентамер. Активная субъединица (А) имеет 1 ферментативно активный домен и еще один, который связывает этот активный домен с пентамером, нековалентно "сидя внутри" отверстия пентамера. Иллюстрация: Overgaard, E. (2025) https://BioRender.com/a73r086
Все дело в структуре. Токсины AB5 состоят из ферментативно активной субъединицы (A) и связывающей субъединицы (B5). Субъединица B5 состоит из 5 белков-мономеров, объединенных в пентамер в форме пончика. Субъединица А имеет связывающую часть, которая находится прямо в «дырке» пончика и неплотно прикрепляет его к «пончику». На другом конце субъединицы А находится активный домен, который действует как фермент, когда попадает внутрь клетки-хозяина. Когда все части полностью собраны, это образует холотоксин AB5.
Субъединица B5 является ключом ко всей системе. Она связывается с рецепторами на эпителиальных и слизистых клетках, например, на клетках дыхательных путей и кишечника. Затем клетка втягивает токсин в себя посредством эндоцитоза. Когда токсин оказывается внутри, А-субъединица отделяется и начинает оказывать ферментативное воздействие на клетку-хозяина. Так, в нашем примере с холерным токсином, его субъединица B5 позволяет ему «войти в дверь» кишечных клеток, а затем его субъединица A вызывает самый страшный симптом холеры - водянистую диарею, открывая клеточные ионные каналы; когда ионы вытекают наружу, вода следует за ними. Токсин коклюша действует так же, чтобы попасть «в дверь», но в легких и на других клеточных путях, что в конечном итоге приводит к коклюшу.
Бактериальные токсины AB5 проникают в клетки хозяина в желудочно-кишечном тракте или дыхательных путях. Субъединица B5 связывается с клеточными рецепторами, и холотоксин проникает в клетку путем эндоцитоза. После ретроградного транспорта через сеть транс-Гольджи он попадает в эндоплазматический ретикулум, где две субъединицы разделяются. Субъединица А ретротранслоцируется в цитозоль и после повторного сворачивания продолжает выполнять какую-либо (обычно вредную) ферментативную активность. Иллюстрация: Overgaard, E. (2025) https://BioRender.com/e82f478
Некоторые ученые работают над тем, чтобы использовать субъединицу B5 бактериальных токсинов AB5 в качестве платформы для доставки вакцинных антигенов в организм. Используя методы генной инженерии, ученые могут удалить токсичную субъединицу А и заменить ее другими бактериальными или вирусными антигенами с целью вызвать иммунный ответ, который защитит хозяина при повторном воздействии этого конкретного антигена.
Теоретически, заменяющим антигеном может быть любой антиген - например, белок шипа SARS-CoV-2 или белок гемагглютинина гриппа. Однако на практике заменить субъединицу А новым антигеном несколько сложнее. Биохимия должна быть такой, чтобы новая белковая субъединица (антиген) сложилась правильно и благополучно разместилась в «пончиковом отверстии» субъединицы B, хотя определенный прогресс в этом направлении уже достигнут.
В конечном счете, вакцины на основе токсина AB5 - это всего лишь белки, как и многие другие вакцины. Но они предлагают новый и захватывающий вариант способа доставки. Независимо от антигена, идея состоит в том, чтобы использовать действие субъединицы B5 и доставить антиген непосредственно на кожу или слизистые оболочки, где множество иммунных клеток ожидают стимуляции. Это означает, что не нужны никакие иглы! Вакцина может наноситься в виде кожного пластыря, мазка на слизистую оболочку носа или стабилизироваться в сахарной капсуле для проглатывания. Ученые считают, что вакцины на основе токсина AB5 могут стимулировать мощный иммунный ответ, воздействуя на иммунную систему на кожных или слизистых барьерах (например, на слизистых оболочках желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей), которая защищает от патогенов, проникающих в организм через эти барьеры (например, вируса гриппа), а также на иммунную систему, которая атакует патогены, когда они преодолевают эти барьеры.
Для создания вакцин на основе токсина AB5 ферментативно активные домены субъединицы A удаляются, а связывающая и транспортная способность субъединицы B5 сохраняется. Теоретически можно прикрепить к субъединице B5 любой нетоксичный антиген, нанести его на кожу или слизистую оболочку и использовать «такси» субъединицы B5 для доставки антигена прямо в клетки хозяина, чтобы вызвать иммунный ответ. Иллюстрация: Overgaard, E. (2025) https://BioRender.com/p98h270
Действительно, как барьерный, так и системный иммунный ответ начинается с кожи или слизистой оболочки. Иммунные клетки, называемые антигенпрезентирующими клетками, или АПК, живут в этих барьерных областях нашего тела. Задача АПК - распознать чужеродного захватчика или вакцину. АПК захватывают антиген вакцины и физически переносят его в лимфатический узел, где они представляют антиген наивным Т- и В-клеткам. Затем эти клетки активируются и выходят из лимфатического узла, наблюдая за патогенами. Некоторые клетки возвращаются в место вакцинации (например, на слизистую оболочку или кожу), а некоторые путешествуют по всему организму в поисках захватчика, которого их научили распознавать.
Исследователи пытаются использовать способ вакцинации на основе токсина AB5. Так, разработана вакцина, предназначенная для защиты молочных коров от мастита - тяжелого воспаления вымени, которое причиняет коровам сильную боль и портит их молоко, ежегодно нанося экономические убытки фермерам на миллионы. Поскольку вакцина основана на холерном токсине, ее можно вводить ее без игл, впрыскивая в носовые ходы или вводя непосредственно в вымя через сосок. В ходе последних и текущих исследований коровы, которых вакцинировали, показали положительный иммунный ответ на вакцину, и на данный момент она обладает отличным профилем безопасности. Конечно, как и всегда в науке, предстоит проделать еще много работы, чтобы убедиться, что вакцина безопасна и работает так, как необходимо.
Хотя в настоящее время нет одобренных вакцин, использующих стратегию замены субъединицы А токсина AB5 на «антиген по выбору», существуют вакцины, использующие эти токсины другими способами. Например, поскольку субъединица B5 холерного токсина связывает рецепторы в кишечнике, ее можно вводить перорально. CTB - субъединица B5 холерного токсина без субъединицы A - входит в состав оральной холерной вакцины Dukoral, которая одобрена Всемирной организацией здравоохранения и применяется по всему миру.
Одна исследовательская группа пошла настолько далеко, что поместила CTB в рис, чтобы сделать вакцину более доступной и транспортабельной. К сожалению, исследования показали, что варка риса разрушает вакцину, а сырой рис не очень аппетитен и не пригоден для употребления. В текущих испытаниях на людях исследователи измельчают рис и смешивают его с кукурузным крахмалом и водой, после чего добровольцы выпивают рисовую суспензию вакцины. Хотя такой способ введения вакцины не идеален и предстоит еще много работы, некоторым людям он может показаться более привлекательным, чем инъекции.
Детоксифицированные версии коклюшного и дифтерийного токсинов входят в состав педиатрических вакцин DTaP (Daptacel, Pentacel, Quadracel, Infanrix, Kinrix, Pediarix, Vaxelis) и вакцин Tdap (Adacel, Boostrix). Токсины, используемые в этих вакцинах, обрабатываются химическими веществами для инактивации субъединиц А. В 2016 году Таиланд лицензировал 2 вакцины против коклюша (Pertagen, Boostagen), в которых используется генетически детоксифицированная версия коклюшного токсина. Его аминокислоты модифицированы таким образом, чтобы субъединица А была нетоксичной. Различные версии токсина AB5, называемого термолабильным энтеротоксином, или LT, также тестируются в вакцинах против энтеротоксигенной кишечной палочки, которая продуцирует LT и является одной из основных причин диареи путешественников.
Не только ученые, занимающиеся разработкой вакцин, используют бактериальные токсины. На самом деле, CTB, в частности, используется или исследуется для различных медицинских целей. Некоторые лаборатории используют CTB "такси", например, для снижения аллергической реакции на арахис у мышей. Если аллерген конъюгирован с CTB, такси CTB может быстро доставить аллерген в иммунную систему. Таким образом, организм можно научить воспринимать эти аллергены как друзей, а не врагов, что приводит к снижению аллергической реакции. Это те же основные принципы, что и при традиционных уколах от аллергии. Разница заключается в том, что при использовании CTB воздействие осуществляется непосредственно на АПК, которые играют важную роль в запуске иммунного ответа. Благодаря такой клеточной специфичности требуется лишь небольшая доза аллергена - он сразу же попадает в нужные клетки.
В отличие от этого, традиционные уколы от аллергии требуют большой дозы аллергена, чтобы небольшое количество достигло АПК и стимулировало иммунный ответ. Это различие - одна из причин, по которой исследователи предполагают, что CTB-такси может быть более безопасным способом введения. Ученые также использовали CTB такси, преднамеренно вызывая аллергические реакции у мышей, чтобы понять механизмы, лежащие в основе развития аллергии, в том числе на молоко или яичный белок.
Помимо аллергии, исследователи использовали CTB такси для лечения аутоиммунных заболеваний. Например, при гемофилии иммунная система пациента атакует его собственные факторы свертывания крови. Одна из групп использовала такси CTB, чтобы вызвать толерантность к факторам свертывания крови у крыс и собак, и надеется вскоре перенести эту работу на людей. Примечательно, что такси на самом деле производится и доставляется в клетках салата-латука. Когда латук съедается, CTB переносится в кишечник, где проходит естественный процесс расщепления: CTB связывает рецепторы слизистой оболочки на клетках кишечника, затем эти клетки втягивают такси и его «пассажира» (в данном случае фактор свертывания крови) внутрь посредством эндоцитоза. Внутри клеток кишечника факторы свертывания расщепляются и ферментативно отделяются от CTB. Затем факторы свертывания попадают в кровеносную систему. Конечным результатом является доставка факторов свертывания крови пациенту и лечение его гемофилии. Вот это мотивация для того, чтобы есть зелень!
Другие исследователи изучают потенциал CTB, чтобы помочь иммунной системе нацелиться на раковые клетки. Например, если таксоны CTB будут нести маркер рака простаты, то иммунную систему можно будет обучить распознавать раковые клетки простаты. Идея заключается в том, что иммунная система будет уничтожать рак, уменьшая необходимость в химиотерапии или облучении.
Помимо функции такси, CTB можно использовать для преодоления практически непроницаемых барьеров, например, гематоэнцефалического барьера. CTB связывается с GM1 - поверхностным рецептором многих типов клеток, в том числе нейронов. Рецепторы GM1 позволяют CTB-такси доставлять свой груз прямо в центральную нервную систему, как молекулярный экспресс. Ученые используют CTB, прикрепленный к различным флуорофорам, в качестве нейронного трассировщика для изучения сложных нейронных связей с 1970-х годов. В более современных работах рассматривается возможность прикрепления более совершенных трассирующих веществ, таких как углеродные точки. Некоторые ученые опасаются, что CTB может преодолеть гематоэнцефалический барьер. Доставка нейронных трассеров может быть нормальной, но что, если вакцина попадет туда? Безопасно ли это? Пока ответ «да», но исследователи активно изучают этот вопрос.
Хотя холерный токсин, вероятно, наиболее хорошо изучен, очевидно, что токсины AB5 могут иметь множество терапевтических применений. Использование их обширных иммуномодулирующих свойств может изменить игру с вакцинами. Когда-нибудь сделать прививку будет так же просто, как съесть салат или даже конфету.
