La recherche scientifique a conduit au développement de nombreux types de vaccins qui suscitent en toute sécurité des réponses immunitaires qui protègent contre l’infection, et les chercheurs continuent d’étudier de nouvelles stratégies vaccinales pour la prévention des maladies infectieuses existantes et émergentes. Ces dernières décennies, des progrès majeurs ont été réalisés dans la compréhension des interactions complexes entre les microbes responsables des maladies et leurs hôtes humains. Ces connaissances, ainsi que les progrès des techniques et technologies de laboratoire, ont aidé au développement de nouveaux types de vaccins.
Vaccins à pathogène entier
Les vaccins traditionnels sont constitués d’agents pathogènes entiers qui ont été tués ou affaiblis afin qu’ils ne puissent pas causer de maladie. Ces vaccins contre des agents pathogènes entiers peuvent susciter de fortes réponses immunitaires protectrices. De nombreux vaccins utilisés aujourd’hui en clinique appartiennent à cette catégorie. Cependant, tous les microbes pathogènes ne peuvent pas être efficacement ciblés par un vaccin contre l’agent pathogène entier.
Les scientifiques ont décrit pour la première fois la capacité des microbes inactivés, ou tués, à induire une immunité au 19ème siècle. Cela a conduit au développement de vaccins inactivés, qui sont produits en tuant l’agent pathogène avec des produits chimiques, de la chaleur ou des radiations. Un exemple contemporain est Havrix, un vaccin inactivé contre le virus de l’hépatite A qui a été développé par le NIAID et ses partenaires et homologué aux États-Unis en 1995.
Les progrès des techniques de culture tissulaire dans les années 1950 ont permis le développement de vaccins vivants-atténués, qui contiennent une version du microbe vivant qui a été affaiblie en laboratoire. Le vaccin contre la rougeole, les oreillons et la rubéole (ROR) en est un exemple. Ces vaccins suscitent de fortes réponses immunitaires qui peuvent conférer une immunité à vie après seulement une ou deux doses. Les vaccins vivants-atténués sont relativement faciles à créer pour certains virus, mais difficiles à produire pour des agents pathogènes plus complexes comme les bactéries et les parasites.
Les techniques modernes de génie génétique ont permis la création de virus chimériques, qui contiennent des informations génétiques provenant de différents virus parents et présentent des propriétés biologiques de ces derniers. Un vaccin chimérique vivant-atténué développé par le NIAID, constitué d’un squelette de virus de la dengue avec des protéines de surface du virus Zika, fait l’objet de tests précoces chez l’homme.
Vaccins sous-unités
Au lieu de l’agent pathogène entier, les vaccins sous-unités ne comprennent que les composants, ou antigènes, qui stimulent le mieux le système immunitaire. Bien que cette conception puisse rendre les vaccins plus sûrs et plus faciles à produire, elle nécessite souvent l’incorporation d’adjuvants pour susciter une forte réponse immunitaire protectrice car les antigènes seuls ne suffisent pas à induire une immunité adéquate à long terme.
Inclure uniquement les antigènes essentiels dans un vaccin peut minimiser les effets secondaires, comme l’illustre le développement d’une nouvelle génération de vaccins contre la coqueluche. Les premiers vaccins contre la coqueluche, introduits dans les années 1940, étaient composés de bactéries inactivées de Bordetella pertussis. Bien qu’efficaces, les vaccins anticoquelucheux à cellules entières provoquaient fréquemment des réactions indésirables mineures telles que de la fièvre et un gonflement au point d’injection. De nombreuses personnes évitaient donc de se faire vacciner et, dans les années 1970, la baisse des taux de vaccination a entraîné une augmentation des nouvelles infections. La recherche fondamentale au NIAID et ailleurs, ainsi que les travaux cliniques soutenus par le NIAID, ont conduit au développement de vaccins anticoquelucheux acellulaires (ne contenant pas de cellules) basés sur des composants individuels purifiés de B. pertussis. Ces vaccins ont une efficacité similaire à celle des vaccins à cellules entières mais sont beaucoup moins susceptibles de provoquer des réactions indésirables.
Certains vaccins destinés à prévenir les infections bactériennes sont basés sur les polysaccharides, ou sucres, qui forment l’enveloppe extérieure de nombreuses bactéries. Le premier vaccin homologué contre Haemophilus influenzae de type B (Hib), inventé à l’Institut national de la santé infantile et du développement humain du NIH et développé par des chercheurs soutenus par le NIAID, était un vaccin polysaccharidique. Cependant, son utilité était limitée, car il ne suscitait pas de fortes réponses immunitaires chez les nourrissons, le groupe d’âge où l’incidence de la maladie Hib est la plus élevée. Les chercheurs du NIH ont ensuite mis au point un vaccin dit conjugué, dans lequel le polysaccharide Hib est attaché, ou « conjugué », à un antigène protéique pour offrir une meilleure protection. Cette formulation a considérablement augmenté la capacité du système immunitaire des jeunes enfants à reconnaître le polysaccharide et à développer une immunité. Aujourd’hui, des vaccins conjugués sont disponibles pour protéger contre les infections à Hib, à pneumocoques et à méningocoques.
D’autres vaccins contre les maladies bactériennes, comme les vaccins contre la diphtérie et le tétanos, visent à susciter des réponses immunitaires contre les protéines pathogènes, ou toxines, sécrétées par les bactéries. Les antigènes de ces vaccins dits toxoïdes sont des toxines chimiquement inactivées, appelées toxoïdes.
Dans les années 1970, les progrès des techniques de laboratoire ont inauguré l’ère du génie génétique. Une décennie plus tard, la technologie de l’ADN recombinant – qui permet de combiner l’ADN de deux sources ou plus – a été exploitée pour développer le premier vaccin protéique recombinant, le vaccin contre l’hépatite B. L’antigène du vaccin est une protéine du virus de l’hépatite B produite par des cellules de levure dans lesquelles le code génétique de la protéine virale a été inséré.
Les vaccins destinés à prévenir l’infection par le papillomavirus humain (HPV) sont également basés sur des antigènes protéiques recombinants. Au début des années 1990, des scientifiques de l’Institut national du cancer des NIH ont découvert que les protéines de l’enveloppe extérieure du VPH peuvent former des particules qui ressemblent étroitement au virus. Ces particules de type viral (VLP) provoquent une réponse immunitaire similaire à celle provoquée par le virus naturel, mais les VLP ne sont pas infectieuses car elles ne contiennent pas le matériel génétique dont le virus a besoin pour se répliquer dans les cellules. Les scientifiques du NIAID ont conçu un vaccin expérimental VLP pour prévenir le chikungunya qui a suscité des réponses immunitaires robustes dans un essai clinique de stade précoce.
Les scientifiques du NIAID et d’autres institutions développent également de nouvelles stratégies pour présenter des antigènes de sous-unités protéiques au système immunitaire. Dans le cadre des efforts visant à développer un vaccin universel contre la grippe, les scientifiques du NIAID ont conçu un vaccin expérimental comportant la protéine ferritine, qui peut s’auto-assembler en morceaux microscopiques appelés nanoparticules qui affichent un antigène protéique. Un vaccin expérimental contre la grippe à base de nanoparticules est en cours d’évaluation dans le cadre d’un essai précoce sur l’homme. La technologie à base de nanoparticules est également évaluée en tant que plate-forme pour le développement de vaccins contre le coronavirus MERS, le virus respiratoire syncytial (VRS) et le virus d’Epstein Barr.
D’autres avancées relativement récentes dans les techniques de laboratoire, telles que la capacité à résoudre les structures atomiques des protéines, ont également contribué aux progrès dans le développement de vaccins sous-unitaires. Par exemple, en résolvant la structure tridimensionnelle d’une protéine de la surface du VRS liée à un anticorps, les scientifiques du NIAID ont identifié une zone clé de la protéine qui est très sensible aux anticorps neutralisants. Ils ont ensuite pu modifier la protéine du VRS pour stabiliser la forme structurelle sous laquelle elle présente le site sensible à la neutralisation.
Alors que la plupart des vaccins sous-unitaires se concentrent sur un pathogène particulier, les scientifiques développent également des vaccins qui pourraient offrir une large protection contre diverses maladies. En 2017, les chercheurs du NIAID ont lancé un essai clinique de phase initiale d’un vaccin destiné à prévenir les maladies transmises par les moustiques, telles que le paludisme, le Zika, le chikungunya et la dengue. Le vaccin expérimental, conçu pour déclencher une réponse immunitaire à la salive des moustiques plutôt qu’à un virus ou un parasite spécifique, contient quatre protéines recombinantes provenant des glandes salivaires des moustiques.
Vaccins à base d’acide nucléique
Une autre approche expérimentale de la vaccination consiste à introduire du matériel génétique codant pour le ou les antigènes contre lesquels une réponse immunitaire est recherchée. Les cellules de l’organisme utilisent ensuite ce matériel génétique pour produire les antigènes. Les avantages potentiels de cette approche sont la stimulation de vastes réponses immunitaires à long terme, l’excellente stabilité du vaccin et la facilité relative de sa fabrication à grande échelle. De nombreux vaccins de ce type sont en cours de recherche, mais aucun n’est actuellement homologué pour un usage humain.
Les vaccins à base de plasmide d’ADN comprennent un petit morceau d’ADN circulaire appelé plasmide qui porte des gènes codant pour des protéines de l’agent pathogène concerné. Le processus de fabrication des vaccins à ADN plasmidique est bien établi, ce qui permet de développer rapidement des vaccins expérimentaux pour lutter contre les maladies infectieuses émergentes ou réémergentes. Le centre de recherche sur les vaccins du NIAID a mis au point des vaccins ADN candidats pour faire face à plusieurs menaces de maladies virales lors d’épidémies, notamment le coronavirus du SRAS (SARS-CoV) en 2003, la grippe aviaire H5N1 en 2005, la grippe pandémique H1N1 en 2009 et le virus Zika en 2016. Le délai entre la sélection des gènes viraux à inclure dans le vaccin et le lancement des études cliniques chez l’homme a été raccourci de 20 mois avec le SRAS-CoV à un peu plus de trois mois avec le virus Zika.
Des vaccins basés sur l’ARN messager (ARNm), un intermédiaire entre l’ADN et la protéine, sont également en cours de développement. Les récentes avancées technologiques ont largement permis de surmonter les problèmes liés à l’instabilité de l’ARNm et à la difficulté de le délivrer dans les cellules, et certains vaccins à ARNm ont donné des premiers résultats encourageants. Par exemple, des chercheurs soutenus par le NIAID ont mis au point un vaccin expérimental à ARNm qui a protégé des souris et des singes contre l’infection par le virus Zika après une seule dose.
Au lieu de délivrer de l’ADN ou de l’ARNm directement aux cellules, certains vaccins utilisent un virus ou une bactérie inoffensif comme vecteur, ou porteur, pour introduire du matériel génétique dans les cellules. Plusieurs de ces vaccins à vecteur recombinant sont autorisés pour protéger les animaux contre les maladies infectieuses, notamment la rage et la maladie de Carré. Nombre de ces vaccins vétérinaires sont basés sur une technologie développée par les chercheurs du NIAID dans les années 1980, qui utilise des versions affaiblies d’un poxvirus pour transmettre le matériel génétique de l’agent pathogène. Aujourd’hui, les scientifiques soutenus par le NIAID développent et évaluent des vaccins recombinants vectorisés pour protéger les humains contre des virus tels que le VIH, le virus Zika et le virus Ebola.