A tudományos kutatások számos olyan vakcinatípus kifejlesztéséhez vezettek, amelyek biztonságosan kiváltják a fertőzés ellen védő immunválaszt, és a kutatók továbbra is vizsgálják a meglévő és újonnan megjelenő fertőző betegségek megelőzésére szolgáló új vakcinastratégiákat. Az elmúlt évtizedek jelentős előrelépést hoztak a betegségeket okozó mikrobák és emberi gazdáik közötti összetett kölcsönhatások megértésében. Ezek a felismerések, valamint a laboratóriumi technikák és technológiák fejlődése segítették az új típusú vakcinák kifejlesztését.
A teljes kórokozót tartalmazó vakcinák
A hagyományos vakcinák teljes kórokozókból állnak, amelyeket elöltek vagy legyengítettek, hogy ne tudjanak betegséget okozni. Az ilyen teljes kórokozót tartalmazó vakcinák erős védekező immunválaszt válthatnak ki. A ma klinikai használatban lévő vakcinák közül sok ebbe a kategóriába tartozik. Azonban nem minden betegséget okozó mikrobát lehet hatékonyan megcélozni egy teljes kórokozót tartalmazó vakcinával.
A tudósok először a 19. században írták le az inaktivált vagy elölt mikrobák immunitást kiváltó képességét. Ez vezetett az inaktivált vakcinák kifejlesztéséhez, amelyeket a kórokozó vegyi anyagokkal, hővel vagy sugárzással történő elpusztításával állítanak elő. Ennek egyik kortárs példája a Havrix, a hepatitis A vírus elleni inaktivált vakcina, amelyet az NIAID és partnerei fejlesztettek ki, és 1995-ben engedélyezték az Egyesült Államokban.
Az 1950-es években a szövettenyésztési technikák fejlődése lehetővé tette az élő, hígított vakcinák kifejlesztését, amelyek az élő mikroba laboratóriumban legyengített változatát tartalmazzák. A kanyaró, mumpsz és rubeola (MMR) vakcina az egyik példa erre. Ezek a vakcinák erős immunválaszt váltanak ki, amely már egy vagy két adag beadása után élethosszig tartó védettséget biztosíthat. Az élő, hígított vakcinákat viszonylag könnyű előállítani bizonyos vírusok esetében, de bonyolultabb kórokozók, például baktériumok és paraziták esetében nehéz előállítani.
A modern géntechnológiai technikák lehetővé tették kiméra vírusok létrehozását, amelyek különböző anyavírusok genetikai információit tartalmazzák és különböző biológiai tulajdonságokkal rendelkeznek. Az NIAID által kifejlesztett élő, hígított kimérai vakcina, amely a dengue-vírus gerincéből és a zikavírus felszíni fehérjéiből áll, korai fázisban van az embereken történő tesztelés alatt.
Alegység-vakcinák
A teljes kórokozó helyett az alegység-vakcinák csak azokat az összetevőket vagy antigéneket tartalmazzák, amelyek a legjobban stimulálják az immunrendszert. Bár ez a kialakítás biztonságosabbá és könnyebben előállíthatóvá teheti a vakcinákat, gyakran adjuvánsok beépítésére van szükség az erős védő immunválasz kiváltásához, mivel az antigének önmagukban nem elegendőek a megfelelő hosszú távú immunitás kiváltásához.
Az, hogy csak az alapvető antigéneket tartalmazza egy vakcina, minimalizálhatja a mellékhatásokat, amint azt a pertussis (szamárköhögés) elleni vakcinák új generációjának kifejlesztése is mutatja. Az 1940-es években bevezetett első pertussis vakcinák inaktivált Bordetella pertussis baktériumokat tartalmaztak. Bár hatékonyak voltak, a teljes sejtes pertussis vakcinák gyakran okoztak kisebb mellékhatásokat, például lázat és duzzanatot az injekció beadásának helyén. Emiatt sokan kerülték a vakcinát, és az 1970-es évekre a csökkenő oltási arányok az új fertőzések számának növekedését eredményezték. Az NIAID-ben és másutt végzett alapkutatások, valamint az NIAID által támogatott klinikai munka vezetett az egyedi, tisztított B. pertussis komponenseken alapuló acelluláris (sejteket nem tartalmazó) pertussis vakcinák kifejlesztéséhez. Ezek a vakcinák hasonlóan hatékonyak, mint a teljes sejtes vakcinák, de sokkal kisebb valószínűséggel okoznak mellékhatásokat.
A bakteriális fertőzések megelőzésére szolgáló egyes vakcinák a sok baktérium külső bevonatát alkotó poliszacharidokon, azaz cukrokon alapulnak. A Haemophilus influenzae B típus (Hib) elleni első engedélyezett vakcina, amelyet az NIH Nemzeti Gyermekegészségügyi és Emberi Fejlesztési Intézetében találtak fel, és amelyet az NIAID által támogatott kutatók fejlesztettek tovább, egy poliszacharid vakcina volt. Hasznossága azonban korlátozott volt, mivel nem váltott ki erős immunválaszt a csecsemőkben – a Hib-betegség legnagyobb gyakoriságú korcsoportjában. A NIH kutatói ezután egy úgynevezett konjugált vakcinát fejlesztettek ki, amelyben a Hib-poliszacharidot egy fehérjeantigénhez csatolták, vagy “konjugálták”, hogy jobb védelmet nyújtson. Ez a készítmény jelentősen megnövelte a kisgyermekek immunrendszerének azon képességét, hogy felismerje a poliszacharidot és immunitást fejlesszen ki. Ma konjugált vakcinák állnak rendelkezésre a Hib, a pneumococcus és a meningococcus fertőzések elleni védelemre.
A bakteriális betegségek elleni egyéb vakcinák, például a diftéria és a tetanusz elleni vakcinák célja, hogy immunválaszt váltsanak ki a betegséget okozó fehérjék vagy toxinok ellen, amelyeket a baktériumok választanak ki. Ezekben az úgynevezett toxoid vakcinákban az antigének kémiailag inaktivált toxinok, úgynevezett toxoidok.
A hetvenes években a laboratóriumi technikák fejlődése a géntechnológia korszakát hozta el. Egy évtizeddel később a rekombináns DNS-technológiát – amely lehetővé teszi két vagy több forrásból származó DNS kombinálását – az első rekombináns fehérje vakcina, a hepatitis B vakcina kifejlesztésére használták fel. A vakcina antigénje egy hepatitis B vírus fehérje, amelyet élesztősejtek állítottak elő, amelyekbe a vírusfehérje genetikai kódját beillesztették.
A humán papillomavírus (HPV) fertőzés megelőzésére szolgáló vakcinák szintén rekombináns fehérjeantigéneken alapulnak. Az 1990-es évek elején az NIH Nemzeti Rákkutató Intézet tudósai felfedezték, hogy a HPV külső burkából származó fehérjék olyan részecskéket képezhetnek, amelyek nagyon hasonlítanak a vírusra. Ezek a vírusszerű részecskék (VLP-k) a természetes vírus által kiváltott immunválaszhoz hasonló immunválaszt váltanak ki, de a VLP-k nem fertőzőek, mivel nem tartalmazzák a vírusnak a sejtekben való szaporodásához szükséges genetikai anyagot. Az NIAID tudósai egy kísérleti VLP-vakcinát terveztek a chikungunya megelőzésére, amely egy korai stádiumú klinikai vizsgálatban erőteljes immunválaszt váltott ki.
A NIAID és más intézmények tudósai új stratégiákat dolgoznak ki a fehérje alegység antigének immunrendszernek való bemutatására. Az univerzális influenza elleni vakcina kifejlesztésére irányuló erőfeszítések részeként az NIAID tudósai olyan kísérleti vakcinát terveztek, amely a ferritin nevű fehérjét tartalmazza, amely képes mikroszkopikus darabkákká, úgynevezett nanorészecskékké összeállni, amelyek egy fehérjeantigént jelenítenek meg. A kísérleti nanorészecske-alapú influenza elleni vakcinát jelenleg egy korai szakaszban lévő, embereken végzett kísérletben értékelik. A nanorészecske-alapú technológiát a MERS coronavírus, a légúti szinciális vírus (RSV) és az Epstein Barr vírus elleni vakcinák fejlesztésének platformjaként is értékelik.
A laboratóriumi technikák egyéb, viszonylag új keletű fejlődése, például a fehérjék atomi szerkezetének megoldására való képesség, szintén hozzájárult a részegységes vakcinák fejlesztésének fejlődéséhez. Például az RSV felszínén lévő, antitesthez kötött fehérje háromdimenziós szerkezetének megoldásával az NIAID tudósai azonosították a fehérje egy kulcsfontosságú területét, amely rendkívül érzékeny a semlegesítő antitestekre. Ezután képesek voltak módosítani az RSV-fehérjét, hogy stabilizálják azt a szerkezeti formát, amelyben a semlegesítésre érzékeny területet megjeleníti.
Míg a legtöbb alegység-vakcina egy adott kórokozóra összpontosít, a tudósok olyan vakcinákat is fejlesztenek, amelyek széles körű védelmet nyújthatnak különböző betegségek ellen. Az NIAID kutatói 2017-ben egy olyan vakcina korai fázisú klinikai vizsgálatát indították el, amely a szúnyogok által terjesztett betegségek, például a malária, a Zika, a chikungunya és a dengue-láz megelőzésére szolgál. A kísérleti vakcina, amelyet úgy terveztek, hogy immunválaszt váltson ki a szúnyog nyálára, nem pedig egy adott vírusra vagy parazitára, négy rekombináns fehérjét tartalmaz a szúnyogok nyálmirigyéből.
Nukleinsavvakcinák
A vakcinázás másik vizsgálati megközelítése az olyan antigént vagy antigéneket kódoló genetikai anyag bevitelét jelenti, amelyek ellen immunválaszt kívánnak elérni. A szervezet saját sejtjei ezt követően ezt a genetikai anyagot használják fel az antigének előállítására. E megközelítés lehetséges előnyei közé tartozik a széles körű, hosszú távú immunválaszok stimulálása, a vakcina kiváló stabilitása és a vakcina nagyüzemi előállításának viszonylagos egyszerűsége. Számos ilyen vakcina van a kutatásban, bár jelenleg egyik sincs engedélyezve emberi felhasználásra.
A DNS-plazmid vakcinák egy kis kör alakú DNS-darabot, úgynevezett plazmidot tartalmaznak, amely az adott kórokozó fehérjéit kódoló géneket hordozza. A DNS-plazmid vakcinák gyártási folyamata jól megalapozott, lehetővé téve a kísérleti vakcinák gyors kifejlesztését az újonnan megjelenő vagy újra megjelenő fertőző betegségek kezelésére. Az NIAID Vakcinakutató Központja DNS-vakcina-jelölteket fejlesztett ki számos vírusos megbetegedést fenyegető veszély kezelésére a járványok kitörése során, beleértve a SARS koronavírust (SARS-CoV) 2003-ban, a H5N1 madárinfluenzát 2005-ben, a H1N1 pandémiás influenzát 2009-ben és a Zika-vírust 2016-ban. A vakcinába beépítendő vírusgének kiválasztásától az embereken végzett klinikai vizsgálatok megkezdéséig eltelt idő a SARS-CoV esetében 20 hónapról a Zika-vírus esetében valamivel több mint három hónapra rövidült le.
A DNS és a fehérje közötti köztes anyagon, a hírvivő RNS-en (mRNS) alapuló vakcinák kifejlesztése is folyamatban van. A közelmúlt technológiai fejlődése nagyrészt megoldotta az mRNS instabilitásával és a sejtekbe juttatásának nehézségével kapcsolatos problémákat, és néhány mRNS-vakcina biztató korai eredményeket mutatott. Az NIAID által támogatott kutatók például olyan kísérleti mRNS-vakcinát fejlesztettek ki, amely egyetlen adag beadása után védelmet nyújtott egereknek és majmoknak a Zika-vírus fertőzése ellen.
Ahelyett, hogy a DNS-t vagy az mRNS-t közvetlenül a sejtekbe juttatnák, egyes vakcinák ártalmatlan vírust vagy baktériumot használnak vektorként vagy hordozóként a genetikai anyag sejtekbe juttatásához. Számos ilyen rekombináns vektor vakcina engedélyezett az állatok fertőző betegségekkel szembeni védelmére, beleértve a veszettséget és a szopornyicát. Számos ilyen állatgyógyászati vakcina az NIAID kutatói által az 1980-as években kifejlesztett technológián alapul, amely egy himlővírus gyengített változatát használja a kórokozó genetikai anyagának bejuttatására. Napjainkban az NIAID által támogatott tudósok rekombináns vektoros vakcinákat fejlesztenek és értékelnek, hogy megvédjék az embereket az olyan vírusoktól, mint a HIV, a Zika-vírus és az Ebola-vírus.