Badania naukowe doprowadziły do opracowania licznych typów szczepionek, które w bezpieczny sposób wywołują reakcje immunologiczne chroniące przed zakażeniem, a naukowcy nadal badają nowatorskie strategie szczepionkowe w celu zapobiegania istniejącym i pojawiającym się chorobom zakaźnym. Ostatnie dziesięciolecia przyniosły znaczne postępy w zrozumieniu złożonych interakcji pomiędzy mikrobami wywołującymi choroby a ich ludzkimi gospodarzami. Te spostrzeżenia, jak również postęp w technikach laboratoryjnych i technologiach, pomogły w opracowaniu nowych typów szczepionek.
Szczepionki zawierające cały patogen
Tradycyjne szczepionki składają się z całych patogenów, które zostały zabite lub osłabione tak, że nie mogą wywołać choroby. Takie szczepionki zawierające cały patogen mogą wywołać silną ochronną odpowiedź immunologiczną. Wiele szczepionek stosowanych obecnie w medycynie należy do tej kategorii. Jednak nie każdy chorobotwórczy mikrob może być skutecznie zwalczany za pomocą szczepionki zawierającej cały patogen.
Naukowcy po raz pierwszy opisali zdolność inaktywowanych lub zabitych mikrobów do wywoływania odporności w XIX wieku. Doprowadziło to do opracowania szczepionek inaktywowanych, które są produkowane przez zabicie patogenu za pomocą substancji chemicznych, ciepła lub promieniowania. Współczesnym przykładem jest Havrix, inaktywowana szczepionka przeciwko wirusowi zapalenia wątroby typu A, opracowana przez NIAID i partnerów, dopuszczona do obrotu w Stanach Zjednoczonych w 1995 r.
Postępy w technikach hodowli tkanek w latach 50. umożliwiły opracowanie żywych szczepionek atenuowanych, które zawierają wersję żywego mikroba osłabioną w laboratorium. Jednym z przykładów jest szczepionka przeciwko odrze, śwince i różyczce (MMR). Szczepionki te wywołują silne reakcje immunologiczne, które mogą zapewnić odporność na całe życie już po jednej lub dwóch dawkach. Żywe szczepionki atenuowane są stosunkowo łatwe do wytworzenia w przypadku niektórych wirusów, ale trudne do wytworzenia w przypadku bardziej złożonych patogenów, takich jak bakterie i pasożyty.
Nowoczesne techniki inżynierii genetycznej umożliwiły stworzenie wirusów chimerycznych, które zawierają informację genetyczną i wykazują właściwości biologiczne różnych wirusów macierzystych. Opracowana przez NIAID żywa szczepionka chimeryczna składająca się ze szkieletu wirusa dengi i białek powierzchniowych wirusa Zika jest obecnie we wczesnym stadium badań na ludziach.
Szczepionki podjednostkowe
Zamiast całego patogenu, szczepionki podjednostkowe zawierają tylko te składniki lub antygeny, które najlepiej stymulują układ odpornościowy. Chociaż taka konstrukcja może sprawić, że szczepionki będą bezpieczniejsze i łatwiejsze w produkcji, często wymagają włączenia adiuwantów, aby wywołać silną ochronną odpowiedź immunologiczną, ponieważ same antygeny nie wystarczą do wywołania odpowiedniej długotrwałej odporności.
Zawarcie w szczepionce tylko najważniejszych antygenów może zminimalizować efekty uboczne, co zilustrowano na przykładzie rozwoju nowej generacji szczepionek przeciwko krztuścowi (kokluszowi). Pierwsze szczepionki przeciwko krztuścowi, wprowadzone w latach 40. ubiegłego wieku, zawierały inaktywowane bakterie Bordetella pertussis. Chociaż były skuteczne, szczepionki całokomórkowe często powodowały niewielkie reakcje niepożądane, takie jak gorączka i obrzęk w miejscu wstrzyknięcia. Z tego powodu wiele osób unikało szczepionek, a do lat 70. ubiegłego wieku malejąca liczba szczepień spowodowała wzrost liczby nowych zakażeń. Badania podstawowe prowadzone w NIAID i w innych ośrodkach, a także prace kliniczne wspierane przez NIAID, doprowadziły do opracowania acelularnych (nie zawierających komórek) szczepionek przeciwko krztuścowi, które są oparte na pojedynczych, oczyszczonych składnikach B. pertussis. Szczepionki te są podobnie skuteczne jak szczepionki całokomórkowe, ale znacznie rzadziej powodują reakcje niepożądane.
Niektóre szczepionki zapobiegające zakażeniom bakteryjnym oparte są na polisacharydach lub cukrach, które tworzą zewnętrzną powłokę wielu bakterii. Pierwsza licencjonowana szczepionka przeciwko Haemophilus influenzae typu B (Hib), wynaleziona w NIH’s National Institute of Child Health and Human Development i dalej rozwijana przez badaczy wspieranych przez NIAID, była szczepionką polisacharydową. Jej przydatność była jednak ograniczona, ponieważ nie wywoływała ona silnej odpowiedzi immunologicznej u niemowląt – grupy wiekowej o największej zapadalności na choroby wywoływane przez Hib. Następnie naukowcy z NIH opracowali tak zwaną szczepionkę skoniugowaną, w której polisacharyd Hib jest połączony (skoniugowany) z antygenem białkowym w celu zapewnienia lepszej ochrony. Taka formuła szczepionki znacznie zwiększyła zdolność układu odpornościowego małych dzieci do rozpoznawania polisacharydu i wytworzenia odporności. Obecnie dostępne są szczepionki skoniugowane chroniące przed zakażeniami Hib, pneumokokami i meningokokami.
Inne szczepionki przeciwko chorobom bakteryjnym, takie jak szczepionki przeciwko błonicy i tężcowi, mają na celu wywołanie odpowiedzi immunologicznej przeciwko białkom wywołującym chorobę lub toksynom wydzielanym przez bakterie. Antygeny w tych tak zwanych szczepionkach to toksyny inaktywowane chemicznie, znane jako toksyny.
W latach 70-tych postępy w technikach laboratoryjnych zapoczątkowały erę inżynierii genetycznej. Dekadę później technologia rekombinowanego DNA – umożliwiająca łączenie DNA pochodzącego z dwóch lub więcej źródeł – została wykorzystana do opracowania pierwszej rekombinowanej szczepionki białkowej, szczepionki przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby typu B. Antygen szczepionki to białko wirusa zapalenia wątroby typu B wytwarzane przez komórki drożdży, do których wprowadzono kod genetyczny białka wirusowego.
Szczepionki zapobiegające zakażeniom wirusem brodawczaka ludzkiego (HPV) również opierają się na rekombinowanych antygenach białkowych. Na początku lat 90. naukowcy z NIH’s National Cancer Institute odkryli, że białka z zewnętrznej powłoki wirusa HPV mogą tworzyć cząstki, które są bardzo podobne do wirusa. Te cząstki wirusopodobne (VLP) wywołują odpowiedź immunologiczną podobną do tej, jaką wywołuje naturalny wirus, ale VLP nie są zakaźne, ponieważ nie zawierają materiału genetycznego, którego wirus potrzebuje do replikacji w komórkach. Naukowcy z NIAID opracowali eksperymentalną szczepionkę VLP zapobiegającą chikungunya, która wywołała silną odpowiedź immunologiczną we wczesnej fazie badań klinicznych.
Naukowcy z NIAID i innych instytucji opracowują również nowe strategie prezentowania antygenów podjednostek białkowych układowi odpornościowemu. W ramach wysiłków zmierzających do opracowania uniwersalnej szczepionki przeciwko grypie naukowcy z NIAID opracowali eksperymentalną szczepionkę zawierającą białko ferrytynę, która może samoistnie składać się w mikroskopijne kawałki zwane nanocząsteczkami, na których znajduje się antygen białkowy. Eksperymentalna szczepionka przeciwko grypie oparta na nanocząsteczkach jest obecnie oceniana w ramach badań na wczesnym etapie u ludzi. Technologia oparta na nanocząsteczkach jest również oceniana jako platforma do opracowania szczepionek przeciwko koronawirusowi MERS, wirusowi syncytialnemu układu oddechowego (RSV) i wirusowi Epsteina Barra.
Inne stosunkowo niedawne postępy w technikach laboratoryjnych, takie jak zdolność do rozwiązywania struktur atomowych białek, również przyczyniły się do postępów w opracowywaniu szczepionek podjednostkowych. Na przykład, rozwiązując trójwymiarową strukturę białka na powierzchni RSV związanego z przeciwciałem, naukowcy z NIAID zidentyfikowali kluczowy obszar białka, który jest bardzo wrażliwy na neutralizujące przeciwciała. Byli oni następnie w stanie zmodyfikować białko RSV, aby ustabilizować formę strukturalną, w której wyświetla ono miejsce wrażliwe na neutralizację.
Podczas gdy większość szczepionek podjednostkowych skupia się na konkretnym patogenie, naukowcy opracowują również szczepionki, które mogłyby zapewnić szeroką ochronę przed różnymi chorobami. Badacze NIAID w 2017 roku rozpoczęli badanie kliniczne wczesnej fazy szczepionki, aby zapobiec chorobom przenoszonym przez komary, takim jak malaria, Zika, chikungunya i gorączka denga. Eksperymentalna szczepionka, zaprojektowana w celu wywołania odpowiedzi immunologicznej na ślinę komara, a nie na konkretnego wirusa lub pasożyta, zawiera cztery rekombinowane białka pochodzące z gruczołów ślinowych komara.
Szczepionki z kwasów nukleinowych
Inne badane podejście do szczepień polega na wprowadzeniu materiału genetycznego kodującego antygen lub antygeny, przeciwko którym poszukiwana jest odpowiedź immunologiczna. Komórki własne organizmu wykorzystują następnie ten materiał genetyczny do produkcji antygenów. Potencjalne zalety tego podejścia obejmują stymulację szerokich, długotrwałych odpowiedzi immunologicznych, doskonałą stabilność szczepionki i względną łatwość jej produkcji na dużą skalę. Wiele takich szczepionek znajduje się w fazie badań, chociaż żadna z nich nie jest obecnie dopuszczona do stosowania u ludzi.
Szczepionki plazmidowe DNA składają się z małego, kolistego fragmentu DNA zwanego plazmidem, który przenosi geny kodujące białka interesującego nas patogenu. Proces wytwarzania szczepionek plazmidowych DNA jest dobrze opracowany, dzięki czemu można szybko opracować eksperymentalne szczepionki przeciwko pojawiającym się lub powracającym chorobom zakaźnym. Centrum Badań nad Szczepionkami NIAID opracowało kandydackie szczepionki DNA w celu zwalczenia kilku zagrożeń chorobami wirusowymi podczas epidemii, w tym koronawirusa SARS (SARS-CoV) w 2003 r., ptasiej grypy H5N1 w 2005 r., grypy pandemicznej H1N1 w 2009 r. i wirusa Zika w 2016 r. Czas od wyboru genów wirusowych do włączenia do szczepionki do rozpoczęcia badań klinicznych u ludzi skrócił się z 20 miesięcy w przypadku SARS-CoV do nieco ponad trzech miesięcy w przypadku wirusa Zika.
Opracowywane są również szczepionki oparte na posłańczym RNA (mRNA), będącym pośrednikiem między DNA a białkiem. Ostatnie postępy technologiczne w dużej mierze pozwoliły przezwyciężyć problemy związane z niestabilnością mRNA i trudnościami w dostarczaniu go do komórek, a niektóre szczepionki oparte na mRNA wykazały zachęcające wczesne wyniki. Na przykład badacze wspierani przez NIAID opracowali eksperymentalną szczepionkę mRNA, która po podaniu pojedynczej dawki chroniła myszy i małpy przed zakażeniem wirusem Zika.
Zamiast dostarczać DNA lub mRNA bezpośrednio do komórek, niektóre szczepionki wykorzystują nieszkodliwego wirusa lub bakterię jako wektor, czyli nośnik, do wprowadzenia materiału genetycznego do komórek. Kilka takich rekombinowanych szczepionek wektorowych jest zatwierdzonych do ochrony zwierząt przed chorobami zakaźnymi, w tym wścieklizną i nosówką. Wiele z tych szczepionek weterynaryjnych opartych jest na technologii opracowanej przez naukowców z NIAID w latach 80-tych, która wykorzystuje osłabione wersje wirusów ospy w celu dostarczenia materiału genetycznego patogenu. Obecnie naukowcy wspierani przez NIAID opracowują i oceniają rekombinowane szczepionki wektorowe w celu ochrony ludzi przed wirusami takimi jak HIV, wirus Zika i wirus Ebola.
.