. Poslední desetiletí přinesla významný pokrok v pochopení složitých interakcí mezi mikroby, které způsobují nemoci, a jejich lidskými hostiteli. Tyto poznatky, stejně jako pokrok v laboratorních technikách a technologiích, napomohly vývoji nových typů vakcín.
Celopatogenní vakcíny
Tradiční vakcíny se skládají z celých patogenů, které byly usmrceny nebo oslabeny tak, aby nemohly způsobit onemocnění. Takovéto celopatogenní vakcíny mohou vyvolat silnou ochrannou imunitní odpověď. Mnoho vakcín, které se dnes klinicky používají, spadá do této kategorie. Ne na každý mikrob způsobující onemocnění však může být vakcína proti celému patogenu účinně zaměřena.
Vědci poprvé popsali schopnost inaktivovaných nebo usmrcených mikrobů vyvolat imunitu v 19. století. To vedlo k vývoji inaktivovaných vakcín, které se vyrábějí usmrcením patogenu pomocí chemických látek, tepla nebo záření. Jedním ze současných příkladů je inaktivovaná vakcína Havrix proti viru hepatitidy A, která byla vyvinuta organizací NIAID a jejími partnery a licencována ve Spojených státech v roce 1995.
Pokroky v technikách tkáňových kultur v 50. letech 20. století umožnily vývoj živých atenuovaných vakcín, které obsahují verzi živého mikroba, která byla oslabena v laboratoři. Příkladem je vakcína proti spalničkám, příušnicím a zarděnkám (MMR). Tyto vakcíny vyvolávají silné imunitní reakce, které mohou zajistit celoživotní imunitu již po jedné nebo dvou dávkách. Živé oslabené vakcíny se poměrně snadno vytvářejí pro některé viry, ale obtížně se vyrábějí pro složitější patogeny, jako jsou bakterie a paraziti.
Moderní techniky genového inženýrství umožnily vytvořit chimérické viry, které obsahují genetickou informaci z různých mateřských virů a vykazují jejich biologické vlastnosti. V počáteční fázi testování na lidech je chimérická vakcína vyvinutá agenturou NIAID, která se skládá z kostry viru dengue a povrchových proteinů viru Zika.
Subjednotkové vakcíny
Subjednotkové vakcíny obsahují místo celého patogenu pouze složky neboli antigeny, které nejlépe stimulují imunitní systém. Ačkoli tato konstrukce může učinit vakcíny bezpečnějšími a jednoduššími na výrobu, často vyžaduje začlenění adjuvans, aby se vyvolala silná ochranná imunitní odpověď, protože samotné antigeny nestačí k vyvolání dostatečné dlouhodobé imunity.
Zařazení pouze základních antigenů do vakcíny může minimalizovat vedlejší účinky, jak ukazuje vývoj nové generace vakcín proti černému kašli (pertusi). První vakcíny proti černému kašli, zavedené ve 40. letech 20. století, obsahovaly inaktivované bakterie Bordetella pertussis. Ačkoli byly účinné, celobuněčné vakcíny proti černému kašli často způsobovaly drobné nežádoucí účinky, jako je horečka a otok v místě vpichu. To způsobilo, že se mnoho lidí vakcíně vyhýbalo, a v 70. letech 20. století klesající proočkovanost způsobila nárůst nových infekcí. Základní výzkum v NIAID i jinde a klinické práce podporované NIAID vedly k vývoji acelulárních (neobsahujících buňky) vakcín proti pertusi, které jsou založeny na jednotlivých purifikovaných složkách B. pertussis. Tyto vakcíny jsou podobně účinné jako celobuněčné vakcíny, ale s mnohem menší pravděpodobností způsobují nežádoucí reakce.
Některé vakcíny k prevenci bakteriálních infekcí jsou založeny na polysacharidech neboli cukrech, které tvoří vnější obal mnoha bakterií. První licencovaná vakcína proti Haemophilus influenzae typu B (Hib), která byla vynalezena v Národním institutu dětského zdraví a lidského rozvoje NIH a dále vyvinuta výzkumníky podporovanými NIAID, byla polysacharidová vakcína. Její užitečnost však byla omezená, protože u kojenců – věkové skupiny s nejvyšším výskytem Hib onemocnění – nevyvolala silnou imunitní odpověď. Výzkumníci NIH poté vyvinuli takzvanou konjugovanou vakcínu, v níž je polysacharid Hib připojen k bílkovinnému antigenu, aby poskytoval lepší ochranu. Toto složení výrazně zvýšilo schopnost imunitního systému malých dětí rozpoznat polysacharid a vytvořit si imunitu. Dnes jsou k dispozici konjugované vakcíny na ochranu proti Hib, pneumokokovým a meningokokovým infekcím.
Další vakcíny proti bakteriálním onemocněním, jako jsou vakcíny proti záškrtu a tetanu, mají za cíl vyvolat imunitní reakci proti proteinům nebo toxinům vylučovaným bakteriemi, které způsobují onemocnění. Antigeny v těchto takzvaných toxoidních vakcínách jsou chemicky inaktivované toxiny, známé jako toxoidy.
V 70. letech 20. století přinesl pokrok v laboratorních technikách éru genového inženýrství. O deset let později byla technologie rekombinantní DNA – která umožňuje kombinovat DNA ze dvou nebo více zdrojů – využita k vývoji první rekombinantní bílkovinné vakcíny, vakcíny proti hepatitidě B. Tato vakcína byla vyvinuta v roce 2005. Antigenem vakcíny je protein viru hepatitidy B vyrobený kvasinkovými buňkami, do nichž byl vložen genetický kód pro virový protein.
Vakcíny k prevenci infekce lidským papilomavirem (HPV) jsou rovněž založeny na rekombinantních proteinových antigenech. Počátkem 90. let 20. století vědci z Národního onkologického ústavu NIH zjistili, že proteiny z vnějšího obalu HPV mohou tvořit částice, které se viru velmi podobají. Tyto částice podobné viru (VLP) vyvolávají podobnou imunitní reakci, jakou vyvolává přirozený virus, ale VLP nejsou infekční, protože neobsahují genetický materiál, který virus potřebuje k replikaci v buňkách. Vědci z NIAID navrhli experimentální VLP vakcínu pro prevenci chikungunya, která v rané fázi klinické studie vyvolala silnou imunitní reakci.
Vědci z NIAID a dalších institucí také vyvíjejí nové strategie, jak předložit imunitnímu systému antigeny proteinových podjednotek. V rámci snah o vývoj univerzální vakcíny proti chřipce navrhli vědci z NIAID experimentální vakcínu obsahující bílkovinu feritin, která se dokáže sama sestavit do mikroskopických kousků zvaných nanočástice, které zobrazují bílkovinný antigen. Experimentální vakcína proti chřipce na bázi nanočástic je hodnocena v počáteční fázi studie na lidech. Technologie na bázi nanočástic se rovněž posuzuje jako platforma pro vývoj vakcín proti koronaviru MERS, respiračnímu syncytiálnímu viru (RSV) a viru Epsteina Barra.
K pokroku ve vývoji podjednotkových vakcín přispěly i další relativně nedávné pokroky v laboratorních technikách, jako je schopnost řešit atomární struktury proteinů. Například vyřešením trojrozměrné struktury proteinu na povrchu RSV navázaného na protilátku vědci z NIAID identifikovali klíčovou oblast proteinu, která je vysoce citlivá na neutralizační protilátky. Poté byli schopni upravit protein RSV tak, aby stabilizoval strukturní formu, ve které zobrazuje místo citlivé na neutralizaci.
Ačkoli se většina podjednotkových vakcín zaměřuje na určitý patogen, vědci vyvíjejí také vakcíny, které by mohly poskytnout širokou ochranu proti různým onemocněním. Výzkumníci NIAID v roce 2017 zahájili počáteční fázi klinické studie vakcíny, která má zabránit nemocem přenášeným komáry, jako je malárie, zika, chikungunya a horečka dengue. Experimentální vakcína, navržená tak, aby spíše než konkrétní virus nebo parazit vyvolala imunitní reakci na komáří sliny, obsahuje čtyři rekombinantní proteiny ze slinných žláz komárů.
Vakcíny s nukleovou kyselinou
Další zkoumaný přístup k očkování zahrnuje zavedení genetického materiálu kódujícího antigen nebo antigeny, proti nimž se hledá imunitní odpověď. Tělu vlastní buňky pak tento genetický materiál použijí k produkci antigenů. Mezi potenciální výhody tohoto přístupu patří stimulace široké dlouhodobé imunitní odpovědi, vynikající stabilita vakcíny a relativně snadná výroba vakcíny ve velkém měřítku. Mnoho takových vakcín je ve fázi výzkumu, ačkoli žádná z nich není v současné době licencována pro použití u člověka.
Vakcíny na bázi plazmidu DNA obsahují malý kruhový kousek DNA nazývaný plazmid, který nese geny kódující proteiny patogenu, který je předmětem zájmu. Výrobní proces DNA plazmidových vakcín je dobře zaveden a umožňuje rychlý vývoj experimentálních vakcín pro řešení nově se objevujících nebo znovu se objevujících infekčních onemocnění. Výzkumné středisko pro vakcíny NIAID vyvinulo kandidátní vakcíny DNA k řešení několika hrozeb virových onemocnění během epidemií, včetně koronaviru SARS (SARS-CoV) v roce 2003, ptačí chřipky H5N1 v roce 2005, pandemické chřipky H1N1 v roce 2009 a viru Zika v roce 2016. Doba od výběru virových genů, které mají být zahrnuty do vakcíny, do zahájení klinických studií u lidí se zkrátila z 20 měsíců u SARS-CoV na o něco více než tři měsíce u viru Zika.
Vyvíjejí se také vakcíny založené na messengerové RNA (mRNA), což je mezistupeň mezi DNA a proteinem. Nedávný technologický pokrok do značné míry překonal problémy s nestabilitou mRNA a obtížemi s jejím doručením do buněk a některé vakcíny na bázi mRNA vykazují povzbudivé první výsledky. Například výzkumníci podporovaní agenturou NIAID vyvinuli experimentální mRNA vakcínu, která chránila myši a opice před infekcí virem Zika po podání jediné dávky.
Na místo přímého dodání DNA nebo mRNA do buněk používají některé vakcíny neškodný virus nebo bakterii jako vektor nebo nosič pro zavedení genetického materiálu do buněk. Několik takových vakcín s rekombinantním vektorem je schváleno k ochraně zvířat před infekčními chorobami, včetně vztekliny a psinky. Mnohé z těchto veterinárních vakcín jsou založeny na technologii vyvinuté výzkumníky NIAID v 80. letech 20. století, která využívá oslabené verze poxviru k přenosu genetického materiálu patogenu. V současné době vědci podporovaní NIAID vyvíjejí a vyhodnocují rekombinantní vektorové vakcíny na ochranu lidí před viry, jako je HIV, virus Zika a virus Ebola.