Стандартная промышленная противогриппозная вакцина, модифицированная диоксидом церия, в несколько раз повышает иммунный ответ организма на вирусы гриппа, причем как субтипа А, так и субтипа В, не вызывая при этом побочных последствий.
Каждый год по земному шару прокатываются эпидемии гриппа. Они стали настолько привычными, что в случае гриппа термин "пандемия", то есть всемирная эпидемия, утратил исходный смысл. Теперь пандемиями гриппа называют только эпидемии, вызванные особо опасными модификациями вируса ("испанка", "гонконгский", "птичий", "свиной"...). Нынешний год не исключение, мы стоим на пороге рядовой, привычной пандемии, пока по всем признакам не обещающей аномально высокой смертности.
Вирус гриппа настолько лабилен, что сладить с ним окончательно никак не удается, он постоянно меняется, опережая новейшие лекарства от гриппа и противогриппозные вакцины. Они тоже постоянно совершенствуются, и рано или поздно универсальные препараты и вакцины позволят решить проблему гриппа, и масштабные его эпидемии прекратятся. Применение современных нанотехнологий при изготовлении вакцин — многообещающий рывок в этой гонке.
Как действуют на вирус гриппа лекарства (А) и вакцины (Б):
Арбидол взаимодействует с гемагглютинином (поверхностным белком) вирусов гриппа, замедляя высвобождение вирусной нуклеиновой кислоты и размножение вируса.
Реленза (занамивир) и тамифлю (осельтамивир) угнетают функцию вирусного фермента нейраминидазы у вирусов гриппа А или В, затрудняя высвобождение новых вирусных частиц из клеток и их дальнейшее распространение в организме.
Римантадин и амантадин блокируют действие белка М2, который играет ключевую роль на ранних стадиях размножения вирусной инфекции и влияет на инфекционность новосинтезированных вирусов гриппа А.
Амбен, трасилол и другие ингибиторы протеаз не допускают активации гемагглютинина и инициации инфекционного процесса.
Введение вакцины в организм (Б) вызывает иммунный ответ: организм вырабатывает антитела на поверхностные антигены (гемагглютинин и нейраминидазу) и другие структурные компоненты вируса, то есть вакцина провоцирует организм на изготовление собственных "лекарств" против вируса гриппа
Экономика жизнестойкости вакцин
Разработанный метод модификации вакцин прост и экономичен, не требует принципиальных технологических изменений в их производстве
Согласно отчету Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) "Global Vaccine Market Features & Trends", объем мирового рынка вакцин против гриппа превысил $3 млрд, а в 2018 году достигнет $3,8 млрд. Несмотря на кризисы, последние 20 лет рост этого рынка стабилен. Основных причин тому три.
Во-первых, по данным той же ВОЗ, каждый год от 10 до 20% населения Земли болеет гриппом, и в связи с высокой изменчивостью вирусов гриппа заболеваемость вряд ли снизится в обозримом будущем.
Во-вторых, чисто рыночные затраты производителей вакцин сравнительно невелики, так как в большинстве развитых стран, в том числе и России, со строгим сезонным национальным календарем профилактических прививок (НКПП), до 90% вакцин реализуются по государственному заказу. По данным IMS Health, в РФ до 83% — закупки по национальному календарю, 12% — региональные закупки, 5% — коммерческий рынок (розница). В этом году на закупки противогриппозных вакцин и прививок в рамках НКПП запланировано потратить около 4 млрд руб.
И наконец, в-третьих, у большинства вакцин довольно долгая жизнь, ежегодно меняются только штаммы вирусов гриппа, против которых адаптируются вакцины, а капитальные затраты на разработку и внедрение технологии их производства и клинические испытания уже в прошлом.
Ce
Церий — элемент, открывающий ряд лантанидов (редких земель). Открыт в 1803 году одновременно в Швеции и Германии. Назван в честь карликовой планеты Цереры (а та — в честь римской богини плодородия). Церий является наиболее распространенным на Земле и наименее дорогим из редкоземельных элементов. У церия есть два интересных физических свойства (они не уникальны, но крайне редки и оба были впервые обнаружены именно в церии). Одно из них — изоструктурный фазовый переход. При комнатной температуре и давлении около 8000 атмосфер (для физической лаборатории это немного) объем кристаллической решетки скачком уменьшается, но ее геометрия при этом не меняется.
Второе свойство — способность церия принимать в соединениях две достаточно устойчивые степени окисления — +3 и +4, выделяющая его среди других лантанидов. В силу его свойств церий просто отделить от других редкоземельных металлов, что позволяет широко использовать соединения церия в промышленности, в составе абразивов, катализаторов, пирофорных сплавов и т. д. (О возможностях применения диоксида церия для защиты от солнечных ожогов см. "Наука" N3 от 21 апреля 2015 года)
Разработанный метод модификации вакцин прост и экономичен, не требует принципиальных технологических изменений в их производстве
Чем лечат грипп
Когда человек уже заболел гриппом, его лечат препаратами, убивающими вирус гриппа. Это, как говорят медики, этиотропная терапия, то есть лечение, направленное на устранение причины (этио — по-гречески "причина", тропос — "поворот, направление").
К этиотропным относят вещества, способные повреждать (инактивировать) специфические составляющие вируса гриппа, как правило, на его поверхности, в оболочке вируса (рис. А). Эти лекарственные средства особенно эффективны на ранних стадиях инфекционного процесса, когда вирусы в организме больного только начали размножаться.
Несмотря на обширный арсенал химиопрепаратов, подавляющих репродукцию вирусов гриппа, они далеко не всегда эффективно защищают от гриппа. И это закономерно, потому что использование этиотропных средств, действующих на какое-либо конкретное звено в процессе размножения вирусов, сопровождается отбором устойчивых к такому воздействию штаммов вируса. В итоге уже после одного сезона применения высокоспецифических препаратов частота выявления резистентных к ним штаммов составляет от 5 до 40%.
Более перспективный путь — профилактика гриппа и его тяжелых последствий с помощью вакцинации. Введение вакцины в организм вызывает иммунный ответ: организм вырабатывает антитела на поверхностные антигены (гемагглютинин и нейраминидазу) и другие структурные компоненты вируса (рис. Б). Вакцинация фактически провоцирует наш организм на изготовление собственных "лекарств" против вируса гриппа.
А — модель взаимодействия вирусных мембран и наночастиц диоксида церия; Б — микрофотография вакцины Vaxigrip после взаимодействия с наночастицами диоксида церия
Плюсы и минусы вакцин
На сегодня вакцин против гриппа разработано довольно много, все они делятся на четыре типа по методу их создания.
Положительные качества вакцины (способность формировать иммунитет к вирусу) объединены понятием "иммуногенность". Отрицательные (побочные реакции после иммунизации) — понятием "реактогенность". Соотношение этих показателей определяет качество вакцины (эффективность и безопасность).
К сожалению, эти свойства — иммуногенность и реактогенность — взаимосвязаны: чем выше эффективность вакцины, тем выше риск побочных действий на организм, и это характерно для всех вакцин, вне зависимости от их вида, будь то живая инактивированная, расщепленная или субъединичная; поливалентная (обычно трехвалентная — против двух сезонных штаммов гриппа A и одного штамма гриппа B) или пандемическая (против конкретного штамма с повышенной вирулентностью, например, свиного гриппа).
Понятно, что усилия ученых направлены на создание вакцин, имеющих максимальную иммуногенность и минимальную реактогенность. Для этого ведущие мировые лаборатории исследуют различные типы вирусного материала и способы его обработки — в том числе с использованием вспомогательных добавок.
Как конструируют вакцины против гриппа
Противогриппозная вакцина может содержать вирионы (вирусные частицы целиком) или фрагменты вирионов одного (моновалентная) или нескольких (поливалентная) подтипов вируса. Как правило, в эпидемический сезон циркулирует не один штамм вируса, а несколько, поэтому разработаны и используются комплексные вакцины, имеющие в своем составе антигены ко всем штаммам, ожидаемым в текущем сезоне
В составе цельновирионной вакцины присутствуют целые инактивированные вирусы. Ее применение вызывает хороший иммунный ответ, но сопровождается большим количеством побочных реакций (особенно у маленьких детей)
Расщепленные, или сплит-вакцины, содержат разрушенные инактивированные вирионы вируса гриппа. В состав таких вакцин входят все вирионные белки: не только поверхностные, но и внутренние антигены. Иммуногенность цельновирионной и расщепленной вакцин практически одинакова, но реактогенность последней ниже. Именно поливалентные сплит-вакцины, например, Vaxigrip/Fluzone или Fluarix, сегодня применяют наиболее массово
Последние разработки — это виросомальные вакцины, например, ультрикс. Их конструируют, объединяя вирусные субъединицы в "виросомы" — вирусоподобные наночастицы Виросомальные вакцины отличаются низкой реактогенностью и высокой иммуногенностью, их обычно рекомендуют для иммунизации детей и пожилых
Наименее реактогенны субъединичные вакцины (инфлювак, гриппол, агриппал), состоящие лишь из двух наиболее важных для индукции иммунного ответа противогриппозных поверхностных вирусных белков: гемагглютинина и нейраминидазы. Но такие вакцины и наименее эффективны
Дайте добавки!
В качестве вспомогательных веществ в состав вакцины могут входить консерванты, буферные компоненты и усилители иммунного ответа (так называемые адъюванты). Примером адъювантов могут служить масляные эмульсии, глобулы липополисахаридов, наночастицы неорганических веществ, полимеров или их сочетания. Например, недавно фирма Sanofi Pasteur (производитель вакцины Vaxigrip) запатентовала композицию, содержащую наночастицы гидроксида алюминия, стабилизированные полиакрилатом. Известно применение в качестве адъювантов производных фуллерена и наночастиц благородных металлов.
Адъюванты усиливают иммуногенность, но сами могут вызывать побочные реакции. Иными словами, существующие адъюванты повышают реактогенность вакцин. Недавно даже появился термин ASIA (Autoimmune/Inflammatory Syndrome Induced by Adjuvants) — аутоиммунный воспалительный синдром, вызванный адъювантами. Наиболее частые проявления этого синдрома — лихорадка, суставная боль, дерматоз, слабость и боль в мышцах.
Структурная перестройка вакцин
Наш исследовательский коллектив модифицировал антигриппозную вакцину наночастицами диоксида церия. Одно из ключевых свойств частиц нанокристаллического диоксида церия — их способность инактивировать активные формы кислорода и препятствовать окислительному стрессу. А это позволяло рассматривать его как безопасный адъювант, не вызывающий ASIA.
За основу мы взяли трехвалентную сплит-вакцину Vaxigrip (Sanofi Pasteur, Франция), в состав которой входят инактивированные расщепленные вирусы A/H1N1 и A/H3N2, а также вирус гриппа B. Вакцину модифицировали добавлением наночастиц диоксида церия размером 2-6 нм. Исследование иммуногенности такой модифицированной вакцины проводили на белых беспородных мышах. Подробности нашей работы специалисты могут посмотреть в мартовском номере за 2016 год международного журнала Antiviral Research, а здесь мы остановимся на практических результатах.
У животных, иммунизированных немодифицированной вакциной, наблюдался четырехкратный прирост уровня антител к вирусам гриппа A/H1N1 и A/H3N2, но в случае гриппа В уровень антител не отличался от невакцинированных животных. Таким образом, если иммуногенность вакцины Vaxigrip к вирусам гриппа А соответствует требованиям Европейского комитета к противогриппозным вакцинам, то для вируса гриппа В — нет.
Зато у группы мышей, получавших вакцину, модифицированную наночастицами, наблюдался существенный прирост титров антител ко всем трем разновидностям вируса гриппа, которые входят в состав вакцины. К вирусам гриппа A/H1N1 и A/H3N2 выявлен прирост уровня антител в восемь раз, а к вирусам гриппа В (для которого его низкая иммуногенность — притча во языцех) — в четыре раза!
Модифицирование вакцины наночастицами не приводило к повышению ее реактогенности, но увеличивало продолжительность циркуляции антител в крови иммунизированных животных, что должно обеспечивать более продолжительную защиту от заболевания гриппом.
Роль наночастиц CeO2 видна, если посмотреть на модифицированную ими вакцину в электронный микроскоп. Обычная сплит-вакцина Vaxigrip представляет собой неупорядоченный набор фрагментов вирусов. Введение в ее состав наночастиц диоксида церия приводит к адсорбции последних на вирусных мембранах и формированию более крупных частиц, содержащих фрагменты различных вирусов. Как свидетельствуют опыты, при такой структуре вакцины ее действие более эффективно.
Разработанный метод модификации вакцин прост и экономичен, не требует принципиальных технологических изменений в их производстве. Для получения модифицированной вакцины достаточно ввести в определенном соотношении в ее состав наночастицы диоксида церия, а дальше фрагменты вирусов сами организуются в многокомпонентные структуры.
Метод, конечно, требует дальнейшего углубленного изучения. Но уже ясно, что применение наноконструкций на основе диоксида церия в вакцинах — перспективный способ повышения специфической активности антигриппозных вакцин.