Пероральные вакцины обещают безболезненную защиту без применения игл, но кишечник человека эволюционировал таким образом, что разрушает то, из чего сделаны эти вакцины.
В 1970-х годах, когда по детским садам Мельбурна (Австралия) прокатились волны тяжелой диареи, вирусолог Королевской детской больницы Рут Бишоп приступила к расследованию причины. Электронная микроскопия образцов кала пострадавших детей выявила вирус, похожий на колесико, который ученые назвали ротавирусом. Бишоп и ее коллеги наблюдали за детьми до тех пор, пока им не исполнилось три года, и обнаружили, что несколько детей повторно заразились ротавирусом. Однако у большинства детей, которые перенесли инфекцию необычного штамма ротавируса, позже получившего название RV3, во время второго приступа инфекции симптомы были значительно слабее.
“[Это] стало доказательством того, что эпизод заражения может защитить от последующих инфекций и заболеваний, вызванных ротавирусом”, - говорит Джули Бинс, исследователь кишечных заболеваний в Педиатрическом исследовательском институте Мердока (Австралия). “И, следовательно, вполне возможно, что вакцина, вводимая перорально, как при естественной инфекции, может привести к какому-то иммунному процессу в кишечнике”.
Основываясь на этих данных, спустя десятилетия после революционного открытия Бишоп, Бинс и ее коллеги разработали и протестировали пероральную ротавирусную вакцину под названием RV3-BB. Способ доставки вакцины Бинс был очевиден. Поскольку ротавирусы передаются фекально-оральным путем, “идеальным местом для защиты является слизистая оболочка кишечника и его иммунная система”, - поясняет Бинс. Однако это была только одна из причин. “В пероральной вакцинации есть что-то очень простое”, - говорит Бинс. “Она не требует применения игл. Это не причиняет вреда ребенку. На самом деле, некоторым детям вакцина нравится. Она довольно приятная”. Эмма Слэк, специалист по иммунологии слизистых оболочек, которая разрабатывает пероральные вакцины в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, соглашается с тем, что оральные прививки просты. “На самом деле для введения пероральных вакцин обученный медицинский персонал не требуется…что делает их полезными в кризисных ситуациях”, - сказала она. Это могло бы значительно повысить уровень иммунизации в некоторых частях мира.
Исторически сложилось так, что пероральные вакцины играли важную роль в борьбе с инфекционными заболеваниями. Пероральная вакцина против полиомиелита сыграла важную роль в борьбе за искоренение полиомиелита: с 1988 года она помогла сократить число случаев заболевания полиомиелитом во всем мире более чем на 99%. Но несмотря на значительные достижения с тех пор и преимущества пероральных вакцин, ученые не смогли в полной мере использовать потенциал пероральных вакцин из-за ряда препятствий. Одна из главных проблем заключается в том, что пероральные вакцины должны оставаться эффективными, несмотря на высокую кислотность желудка, изменение рН во всем пищеварительном тракте и наличие желудочно-кишечных ферментов, которые могут расщеплять белки. Состав микробиома кишечника также может существенно влиять на эффективность пероральных вакцин. Чтобы преодолеть эти трудности и продвигать больше пероральных вакцин, ученые обращаются к различным методам, таким как изменение рецептур и использование альтернативных подходов, таких как доставка на основе наночастиц.
При пероральном введении вакцинный антиген воздействует на иммунную систему слизистых оболочек кишечника, которая содержит до 80% иммунных клеток организма. Обитающие в кишечнике антигенпрезентирующие клеток поглощают этот антиген и передают его другим иммунным клеткам, запуская каскад процессов, включающих как клеточный иммунитет, опосредованный Т-клетками, так и гуморальный иммунитет, опосредованный антителами. Антитела вызывают ответную реакцию как на слизистой оболочке кишечника, так и на системном уровне по всему организму. В отличие от пероральных вакцин, инъецируемые вакцины вызывают только системный иммунный ответ через кровь. Слэк отметила, что некоторые патогенные микроорганизмы заражают людей через слизистые оболочки, такие как кишечник, легкие или мочеполовые пути. “Если мы вводим вакцины, вы получаете хороший иммунный ответ в крови и тканях, но гораздо менее хороший ответ на этих поверхностях”, - говорит она.
Помимо потенциального повышения иммунитета, вакцинация без использования игл также имеет ряд других преимуществ. “Некоторые люди не решаются делать прививки из-за боязни уколов. Это довольно сложно оценить количественно, но это очевидно”, - считает Маркус Хорвиц, иммунолог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. “Таким образом, некоторые люди, которые в противном случае не захотели бы проходить вакцинацию [с помощью инъекций], были бы готовы пройти вакцинацию пероральной вакциной”. Он добавил, что пероральные вакцины также относительно дешевы в производстве, что делает их более доступными с точки зрения цены.
Эти преимущества в сочетании с тем фактом, что люди могут самостоятельно принимать пероральные вакцины, побудили Хорвица и его коллег разработать пероральную вакцину против COVID-19 в 2023 году. Исследователи создали пероральную версию вакцины для инъекций, которую они разработали ранее, и протестировали ее на хомяках. Пероральная вакцина защитила животных от тяжелых симптомов COVID-19, в том числе предотвратила значительную потерю веса и патологические изменения в легких. Однако путь к достижению этих результатов был непростым.
“Одной из проблем, с которой нам пришлось столкнуться, было попадание вакцины в желудок”, - рассказал Хорвиц. В желудке повышенная кислотность, что способствует перевариванию пищи и защите от патогенов. Однако это может дестабилизировать действие пероральных вакцин или их компонентов, что приводит к снижению эффективности. Хотя рН желудков маленьких детей более нейтральный, чем у детей старшего возраста и взрослых, пероральное введение вакцин маленьким детям создает определенные препятствия, которые могут повлиять на их иммунный ответ. “Одной из основных проблем, связанных с пероральными вакцинами, может быть грудное молоко", - говорит Бинс.
Грудное молоко содержит антитела, а также другие факторы, которые ингибируют репликацию ротавируса, что может ухудшить эффективность ротавирусной вакцины. В нескольких исследованиях ученые сообщили о корреляции между составом грудного молока и уровнем иммунного ответа, вызванного пероральными ротавирусными вакцинами. Грудное молоко матерей в развивающихся странах содержит больше антител к ротавирусу, чем молоко матерей в развитых странах. Параллельно, пероральные ротавирусные вакцины высокоэффективны в развитых странах, но не в такой степени в развивающихся. Некоторые ученые предполагают, что различия в составе грудного молока могут способствовать вариабельности успеха вакцинации, предполагая, что антитела, содержащиеся в грудном молоке, могут снижать эффективность вакцины.
Сложность кишечной среды, состоящей из клеток, жидкостей и расщепленной пищи, еще больше усложняет ситуацию. “Из этого очень сложного ”супа" ваша вакцина должна быть выбрана иммунной системой", - говорит Слэк. Одним из ингредиентов этого “супа” в пищеварительном тракте является процветающее сообщество из триллионов микроорганизмов, включая бактерии, вирусы, археи и грибки. Микробиота кишечника играет решающую роль в формировании иммунных реакций организма, которые могут влиять на реакцию на пероральные вакцины. Существует опасение, что этот тип микробиома может создавать барьер либо путем связывания, либо каким-то другим образом препятствуя пероральной вакцине. Действительно, изучение разнообразия кишечной микробиоты у младенцев показало, что большее разнообразие было связано со слабым иммунным ответом на пероральную ротавирусную вакцину. Несмотря на эти серьезные препятствия для пероральной вакцинации, Бинс утверждает: “Есть способы обойти эти барьеры”.
Поскольку переносчик, который Хорвиц и его коллеги использовали для разработки пероральной вакцины против COVID-19, был чувствителен к кислому рН, исследователи поили хомяков раствором бикарбоната натрия, чтобы нейтрализовать кислотность в желудке. Это гарантировало, что вакцина останется нетронутой и активирует иммунный ответ. Однако, по его словам, у людей может быть более простая альтернатива. “Вы можете ввести кому-нибудь [вакцину в] капсуле, которая устойчива к кислоте, и она просто пройдет через желудок”, - сказал Хорвиц. - "И когда она попадет в тонкий кишечник при более высоком рН, капсула растворится и высвободит содержимое”.
Другие исследователи также исследовали возможность использования спор бактерий или дрожжей, которые могут сохраняться в кишечнике и выделять там необходимые компоненты. Используя споры Bacillus subtilis, ученые разработали вакцину против вируса COVID-19 SARS-CoV-2, которая оказалась многообещающей. Исследователи также протестировали инкапсуляцию антигенов в наночастицы или липосомы — сферические пузырьки, состоящие из липидных бислоев, — чтобы защитить их от разрушения желудочной кислотой. Хотя исследования in vivo показывают положительные результаты, лишь немногие пероральные вакцины на основе наночастиц прошли клинические испытания.
В некоторых других экспериментах in vivo были предложены альтернативные варианты. “Проводится большая работа, например, с различными структурами углеводов или с различными углеводосвязывающими белками, которые помогают доставлять вакцины в нужное место в кишечнике”, - сказал Слэк. Например, введение пероральных вакцин против шигеллы с использованием гликозилированных наночастиц кроликам вызвало хороший иммунный ответ. Хорвиц надеется, что такие подходы уменьшат барьер на пути к созданию успешных пероральных вакцин. “Будущее, вероятно, за этими современными технологиями, которые разрабатываются, наночастицами, липосомами и так далее”, - сказал он.
Хотя эти подходы могли бы помочь преодолеть препятствия на пути успешного применения пероральных вакцин у детей старшего возраста или взрослых, Бинс и другие исследователи, занимающиеся неонатальными прививками, сталкиваются с проблемами у детей, находящихся на грудном вскармливании. Чтобы предотвратить влияние любых компонентов грудного молока на эффективность вакцины, ученые провели клинические испытания, в ходе которых матерям было запрещено кормить грудью в течение часа до и после проведения оральной ротавирусной вакцинации младенцев. Однако это существенно не улучшило эффективность вакцины, что позволяет предположить, что факторы, отличные от материнских антител к ротавирусу, вероятно, играют роль в вариабельности успеха вакцинации.
Поскольку одним из таких факторов является разнообразие кишечной микрофлоры ребенка, Бинс и ее коллеги стремились решить эту проблему. Обычно шестинедельные младенцы получают пероральную ротавирусную вакцину, и к этому времени их кишечный микробиом уже относительно хорошо развит. “Если вы сделаете прививку рано — а мы делаем это с рождения — в первую неделю жизни, то вы сможете преодолеть это, потому что у новорожденных нет такого сложного микробиома кишечника, который на самом деле может создать барьер”, - говорит Бинс. В соответствии с этим она и ее коллеги обнаружили, что вакцинация младенцев при рождении приводит к появлению большего количества полезных бактерий, что лучше защищает новорожденных от инфекций в течение первых недель их жизни.
Несмотря на то, что разрабатывается несколько пероральных вакцин из-за их очевидных преимуществ, Слэк отметила, что многие из них не проходят клинических испытаний. Она считает, что одной из причин этого является то, что на доклинической стадии ученые тестируют вакцины на мышах, которые содержатся в чистых и контролируемых условиях. Это означает, что они содержат ограниченное количество микробов в своем микробиоме. Напротив, микробиом человека состоит из триллионов различных микробов. “Понимание того, как [микробиом] влияет на усвоение и презентацию вакцин через слизистую оболочку, станет ключом к преодолению этого барьера трансляции”, - считает Слэк. “Сейчас у нас есть хорошие пероральные вакцины”, - соглашается Бинс. “Нам просто нужно продумать, как мы будем их вводить. “Возможно, нам следует немного больше задуматься о физиологии кишечника, чтобы убедиться, что эти вакцины имеют наилучшие шансы обеспечить защиту”.
