За более чем 50 лет, прошедших с момента появления современной молекулярной биологии, исследователи разработали вакцины против целого ряда патогенов, от SARS-CoV-2 до Streptococcus pneumoniae.
Однако, несмотря на многолетние усилия, вакцины против нескольких бактериальных патогенов - Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus и Neisseria gonorrhoeae - остаются недосягаемыми.
Эти бактерии наносят вред организму различными способами. P. aeruginosa охотится в основном на пациентов в медицинских учреждениях с некоторыми основными заболеваниями (например, муковисцидозом) или с ранами после операций или ожогов; она поражает все - от легких до крови. S. aureus, еще один патоген, вызывающий сепсис, эндокардит, пневмонию и другие инфекции, также широк в своей инфекционной деятельности. Хотя известность N. gonorrhoeae связана с гонореей - инфекцией, передающейся половым путем, которой ежегодно в мире болеют около 87 миллионов взрослых, этот патоген также может вызывать инвазивные инфекции ротовой полости, глаз и горла.
В прошлом инфекции, вызванные P. aeruginosa, S. aureus и N. gonorrhoeae, можно было лечить антибиотиками. Однако все три вида бактерий становятся все более резистентными к антибиотикам - по оценкам Центра по контролю и профилактике заболеваний (CDC), опубликованным в 2019 году, в 2017 году P. aeruginosa и метициллин-резистентный S. aureus (MRSA) вызвали соответственно более 32 600 и 323 700 инфекций среди госпитализированных пациентов только в США. Новые средства, такие как вакцины, будут иметь решающее значение для борьбы с этими назойливыми патогенами.
Но почему создание вакцин для этого микробного трио так сложно? Хотя каждый патоген обладает уникальными свойствами и структурами, они остаются без вакцин по нескольким причинам.
Бактерии имеют антигенную нагрузку
Важнейшим шагом в разработке вакцины является определение структуры или молекулы, находящейся на патогене или выделяемой им, на которую должна быть направлена вакцина. В идеале, выбранная молекула, или антиген, играет центральную роль в колонизации/патогенезе данного микроорганизма. Например, вакцины против S. pneumoniae нацелены на ее капсулу - клейкую полисахаридную оболочку, которая окружает клетки S. pneumoniae. Капсула считается самым важным фактором вирулентности S. pneumoniae. Она помогает бактерии прилипать к клеткам хозяина и защищает их от иммунной защиты, поэтому является отличной мишенью для вакцин.
Для таких патогенов, как P. aeruginosa, S. aureus и N. gonorrhoeae, все гораздо сложнее. Эти бактерии имеют поверхностные структуры и секретируемые факторы, которые способствуют колонизации и инфицированию. Мембрана P. aeruginosa, например, украшена длинными нитями липополисахарида (ЛПС), липопротеинами, пилями, 5 различными системами секреции белков и более 2 десятков пориновых белков, участвующих во всем - от молекулярного транспорта до резистентности к антибиотикам и поверхностного связывания. P. aeruginosa также выделяет факторы, включая мощный экзотоксин и протеолитические ферменты, которые модулируют ее патогенез. S. aureus и N. gonorrhoeae обладают аналогичными возможностями.
"Любой из этих иммуногенных факторов можно считать защитными агентами", - сообщила Джоанна Голдберг, профессор кафедры педиатрии медицинского факультета Университета Эмори, изучающая мишени для вакцин против P. aeruginosa, в своем докладе на конференции ASM Microbe в июне 2022 года. Из-за этого "неясно, какой антиген должен быть включен в вакцину".
Другими словами, поиск лучшей вакцинной мишени для таких антигенно нагруженных бактерий напоминает игру в дартс с движущейся доской - вы можете попасть во что-то, но это, скорее всего, не будет точным попаданием. Более того, во время инфекции "[факторы вирулентности] могут приобретаться или теряться, изменяться или дивергировать", - поясняет Голдберг.
N. gonorrhoeae, например, реверсивно включает и выключает белки посредством изменения фазы - каждая клетка в популяции может одновременно запускать различные белки. Антиген, который в одну минуту присутствует, а в следующую исчезает, не является идеальной мишенью для вакцины. Кроме того, факторы вирулентности, которые каждый патоген задействует на одной стадии или в одном месте инфекции, могут быть неактуальны на другой. Действительно, S. aureus изменяет экспрессию своих факторов вирулентности, когда он переходит от безобидной жизни в носу (около 33% людей носят S. aureus в носовых ходах) к превращению в инвазивного возбудителя, вызывающего сепсис. Из-за этой универсальности вакцина "должна быть эффективна в разных местах [тела]", - говорит Санджай Рам, профессор Медицинской школы UMass Chan, изучающий N. gonorrhoeae.
Голдберг, исследователь P. aeruginosa, отметила, что "выбор антигена может зависеть от типа инфекции", и предположила, что более плодотворным может быть не универсальная вакцина, а использование различных компонентов вакцины для разных проявлений инфекции (например, острая ожоговая рана или хроническая легочная инфекция). Таким образом, объединение нескольких антигенов в одной вакцине может повысить клиническую эффективность в различных условиях. Эта концепция схожа с мультивалентными вакцинами, которые защищают от различных штаммов патогена, например, четырехвалентные менингококковые конъюгированные вакцины, которые предотвращают инфицирование 4 различными серогруппами N. meningitidis, вызывающими менингит.
Защитный иммунитет (?)
Цель вакцины - вызвать защитный иммунный ответ против микробных вторжений. Проблема в том, что исследователи не знают, как на самом деле выглядит защитный иммунный ответ против S. aureus, P. aeruginosa и. N gonorrhoeae.
Во время инфекции патогены обнаруживаются клетками врожденного иммунитета, которые активируют В- и Т-клетки (клетки адаптивного иммунитета). В-клетки вырабатывают антитела, которые помечают патоген для уничтожения другими иммунными клетками, например, нейтрофилами. Т-клетки поддерживают выработку антител, привлекают другие клетки к месту инфекции и, в зависимости от типа, могут инактивировать или уничтожать патогены напрямую. Вакцины вызывают подобные реакции в меньшем масштабе, впечатывая патоген в память иммунной системы, чтобы она могла справиться с будущими атаками.
Антитела часто находятся в центре внимания исследователей вакцин из-за их неотъемлемой роли в распознавании патогенов и реакции памяти. Однако для антигенно разнообразных микробов, обладающих целым арсеналом иммунных механизмов уклонения, этого может быть недостаточно. Например, что касается вакцин против S. aureus, то "изначально все были нацелены на выработку антител против стафилококка", - говорит Джин Ли, доцент медицины в больнице Brigham and Women's Hospital. "Затем все переключились на Т-клеточный иммунитет. Но на самом деле нам нужно и то, и другое".
Голдберг согласна с этим. "Одного иммунного механизма может быть недостаточно", - считает она, указывая на то, что эффективные вакцины против P. aeruginosa должны запускать опосредованное антителами уничтожение и одновременно подавлять токсины, вырабатываемые бактерией. Привлечение Т-клеток также может быть неплохой идеей. В некоторых случаях, как в случае с N. gonorrhoeae, дело не в том, что представляет собой защитный иммунный ответ, а в том, существует ли он вообще.
"Существует ли защитный иммунитет после естественной инфекции [N. gonorrhoeae]? Короткий ответ - нет", - говорит Рам. Учитывая, что вакцинация призвана имитировать естественную инфекцию, чтобы вызвать аналогичный иммунный ответ, это проблематично". Рам подчеркивает, что "гуморальный ответ [т.е. ответ антител] на N. gonorrhoeae сложен" и мало что известно о Т-клеточном иммунитете к N. gonorrhoeae, который, как и в случае с S. aureus и P. aeruginosa, может быть полезен.
Тем не менее, для каждого из этих патогенов важен контекст. Все три бактерии используют различные факторы вирулентности в зависимости от локализации и тяжести инфекции. Иммунные ответы, вероятно, отражают эти изменения, что позволяет предположить, что "хороший" иммунный ответ может меняться от одной ситуации к другой.
Трудно найти хорошие животные модели
Доклинические исследования на животных моделях позволяют исследователям определить, работает ли вакцина, и если да, то каким образом, прежде чем переходить к применению на людях. Мыши являются наиболее широко используемыми моделями в биомедицинских исследованиях. К сожалению, иногда патогены инфицируют мышей не так, как людей. Голдберг, Ли и Рам единодушны: отсутствие надежных животных моделей является одним из основных препятствий для разработки вакцин против P. aeruginosa, S. aureus и N. gonorrhoeae.
Есть несколько причин, по которым мышиные модели оказались неудачными. Например, Голдберг подчеркнула, что исследователи P. aeruginosa "хотели бы иметь модели, в которых продолжительность жизни животных была бы больше". Этот патоген обычно заражает пожилых людей - короткий срок жизни мышей не позволяет изучать эффективность вакцин для пожилых людей или тех, кто страдает от хронической инфекции.
Кроме того, как отметил Ли в отношении S. aureus, "существует множество детерминант вирулентности и молекул иммунного уклонения, которые специфичны для человека и даже не влияют на мышей - многие токсины имеют рецепторы, которые отсутствуют у мышей". Таким образом, любая роль, которую эти факторы играют в человеческой инфекции (и эффективности вакцины), не учитывается в животных моделях. Это еще более серьезная проблема для N. gonorrhoeae, которая естественным образом инфицирует только человека.
Вопрос не только в том, возможна ли колонизация животных данным патогеном, но и в том, когда эта колонизация происходит. "Большинство исследований [было проведено] на мышах, которые наивны и никогда раньше не встречались с S. aureus, - отмечает Ли. Это контрастирует с человеческой популяцией, где, как уже упоминалось ранее, почти 1/3 людей уже колонизирована S. aureus".
Предварительная экспозиция формирует иммунный ответ на патоген и может повлиять на то, будет ли и каким образом будет сформирована защитная реакция, что имеет значение для разработки вакцин. Действительно, недавнее исследование показало, что у наивных в отношении S. aureus мышей вакцина, нацеленная на поверхностный белок бактерий, IsdB, вызывала защитный ответ антител против инфекции. Однако предварительное заражение S. aureus не вызывало выработки протективных антител, а вакцинация лишь усиливала этот не протективный (т.е. неэффективный) ответ. Эти результаты могут пролить свет на то, почему вакцина IsdB не прошла клинические испытания на людях.
Что делать дальше при разработке вакцин?
Что должно произойти, чтобы вакцины против S. aureus, N. gonorrhoeae и P. aeruginosa превратились из новичков в героев? Патогенная пластичность этих организмов в сочетании с относительно туманным представлением исследователей о том, как выглядит защитный иммунный ответ, требует более глубокого понимания взаимодействия хозяина и патогена в различных инфекционных контекстах. Такие знания имеют решающее значение для создания жизнеспособных вакцин, а также для определения того, кто их будет получать, как и когда их следует использовать.
Также необходимы более совершенные модели. К счастью, в этой области уже достигнуты успехи. Например, гуманизированные трансгенные мыши (т.е. мыши, несущие человеческие гены или клетки) позволили исследователям N. gonorrhoeae изучить взаимодействие между мишенями микробных вакцин и рецепторами человека. Дальнейшее совершенствование существующих и разработка новых моделей станет важным шагом на пути к созданию вакцинных кандидатов, которые преодолеют путь от лаборатории до клиники.
Более того, разработчикам вакцин, возможно, не придется начинать с нуля. Недавно было показано, что вакцинация против N. meningitis серотипа B, который вызывает менингит B и имеет общую часть генома с N. gonorrhoeae, обеспечивает перекрестную защиту от гонореи. Таким образом, возможно использование вакцин против менингита В для защиты от обеих бактерий.
Сегодня исследователи P. aeruginosa и S. aureus оснащены лучше, чем в прошлом. Опираясь на богатую историю вакцинации, можно создать вакцины, будущее которых будет более светлым, чем у их предшественников.
Пройдет ли еще 50 лет, прежде чем вакцины против этих патогенов появятся на рынке? Время покажет. В любом случае, тот факт, что это занимает так много времени, заставляет немного восхититься неуловимостью, приспособляемостью и антигенным разнообразием наших микробных врагов.
