Vetenskaplig forskning har lett till utveckling av många olika typer av vacciner som på ett säkert sätt framkallar immunsvar som skyddar mot infektioner, och forskarna fortsätter att undersöka nya vaccinstrategier för att förebygga befintliga och nya infektionssjukdomar. De senaste årtiondena har inneburit stora framsteg när det gäller att förstå de komplexa interaktionerna mellan de mikrober som orsakar sjukdomar och deras mänskliga värdar. Dessa insikter, liksom framsteg inom laboratorieteknik och teknik, har bidragit till utvecklingen av nya typer av vacciner.
Vaccin mot hela patogener
Traditionella vacciner består av hela patogener som har dödats eller försvagats så att de inte kan orsaka sjukdom. Sådana helpatogenvacciner kan framkalla starka skyddande immunsvar. Många av de vacciner som används kliniskt idag hör till denna kategori. Det är dock inte alla sjukdomsframkallande mikrober som effektivt kan angripas med ett helpatogenvaccin.
Vetenskapsmännen beskrev först på 1800-talet förmågan hos inaktiverade, eller avdödade, mikrober att framkalla immunitet. Detta ledde till utvecklingen av inaktiverade vacciner, som framställs genom att patogenen dödas med kemikalier, värme eller strålning. Ett nutida exempel är Havrix, ett inaktiverat vaccin mot hepatit A-virus som utvecklades av NIAID och samarbetspartners och godkändes i USA 1995.
Framsteg inom vävnadskulturteknik på 1950-talet gjorde det möjligt att utveckla levande försvagade vacciner, som innehåller en version av den levande mikroben som har försvagats i laboratoriet. Vaccinet mot mässling, påssjuka och röda hund (MMR) är ett exempel. Dessa vacciner framkallar starka immunsvar som kan ge livslång immunitet efter bara en eller två doser. Levande försvagade vacciner är relativt lätta att framställa för vissa virus, men svåra att framställa för mer komplexa patogener som bakterier och parasiter.
Moderna gentekniker har gjort det möjligt att skapa chimära virus, som innehåller genetisk information från och uppvisar biologiska egenskaper hos olika modervirus. Ett av NIAID utvecklat levande försvagat chimärt vaccin som består av en ryggrad av denguevirus med ytproteiner från zikavirus är under testning i ett tidigt skede på människor.
Subunitvacciner
Istället för hela patogenen innehåller subunitvacciner endast de komponenter, eller antigener, som bäst stimulerar immunförsvaret. Även om denna utformning kan göra vacciner säkrare och lättare att framställa, krävs det ofta att man införlivar adjuvans för att framkalla ett starkt skyddande immunsvar, eftersom antigenerna i sig inte är tillräckliga för att framkalla en adekvat långsiktig immunitet.
Integrera endast de väsentliga antigenerna i ett vaccin kan minimera biverkningarna, vilket illustreras av utvecklingen av en ny generation av vacciner mot kikhosta (pertussis). De första kikhostavaccinerna, som introducerades på 1940-talet, bestod av inaktiverade Bordetella pertussis-bakterier. Även om de var effektiva orsakade helcells-vaccinerna mot kikhosta ofta mindre biverkningar som feber och svullnad vid injektionsstället. Detta fick många människor att undvika vaccinet, och på 1970-talet hade minskande vaccinationsfrekvenser lett till en ökning av nya infektioner. Grundforskning vid NIAID och på andra ställen samt kliniskt arbete som stöds av NIAID ledde till utvecklingen av acellulära (som inte innehåller celler) kikhostavacciner som är baserade på enskilda, renade B. pertussis-komponenter. Dessa vacciner är lika effektiva som helcellsvacciner, men det är mycket mindre sannolikt att de orsakar biverkningar.
Vissa vacciner för att förebygga bakterieinfektioner är baserade på de polysackarider, eller sockerarter, som utgör det yttre höljet på många bakterier. Det första licensierade vaccinet mot Haemophilus influenzae typ B (Hib), som uppfanns vid NIH:s National Institute of Child Health and Human Development och vidareutvecklades av NIAID-stödda forskare, var ett polysackaridvaccin. Dess användbarhet var dock begränsad, eftersom det inte framkallade starka immunsvar hos spädbarn – den åldersgrupp som har den högsta förekomsten av Hib-sjukdom. NIH-forskare utvecklade därefter ett så kallat konjugatvaccin där Hib-polysackariden fästs, eller ”konjugeras”, till ett proteinantigen för att ge bättre skydd. Denna formulering ökade kraftigt förmågan hos små barns immunsystem att känna igen polysackariden och utveckla immunitet. I dag finns det konjugerade vacciner som skyddar mot Hib-, pneumokock- och meningokockinfektioner.
Andra vacciner mot bakteriesjukdomar, t.ex. difteri- och stelkrampsvacciner, syftar till att framkalla immunsvar mot sjukdomsframkallande proteiner, eller toxiner, som utsöndras av bakterierna. Antigenerna i dessa så kallade toxoidvacciner är kemiskt inaktiverade toxiner, så kallade toxoider.
På 1970-talet inledde framsteg inom laboratorietekniken en era av genteknik. Ett decennium senare utnyttjades rekombinant DNA-teknik – som gör det möjligt att kombinera DNA från två eller flera källor – för att utveckla det första rekombinanta proteinvaccinet, hepatit B-vaccinet. Vaccinets antigen är ett hepatit B-virusprotein som produceras av jästceller i vilka den genetiska koden för virusproteinet har förts in.
Vacciner för att förhindra infektion med humant papillomvirus (HPV) är också baserade på rekombinanta proteinantigen. I början av 1990-talet upptäckte forskare vid NIH:s National Cancer Institute att proteiner från HPV:s yttre skal kan bilda partiklar som är mycket lika viruset. Dessa virusliknande partiklar (VLP) framkallar ett immunsvar som liknar det som framkallas av det naturliga viruset, men VLP är inte smittsamma eftersom de inte innehåller det genetiska material som viruset behöver för att föröka sig i cellerna. Forskare vid NIAID har utvecklat ett experimentellt VLP-vaccin för att förebygga chikungunya som framkallade robusta immunsvar i en klinisk prövning i ett tidigt skede.
Vetenskapsmän vid NIAID och andra institutioner håller också på att utveckla nya strategier för att presentera antigener i form av proteinunderenheter för immunförsvaret. Som en del av arbetet med att utveckla ett universellt influensavaccin utformade NIAID-forskare ett experimentellt vaccin med proteinet ferritin, som kan självassociera sig till mikroskopiska bitar, så kallade nanopartiklar, som visar ett proteinantigen. Ett experimentellt nanopartikelbaserat influensavaccin utvärderas i ett tidigt skede i ett försök på människor. Den nanopartikelbaserade tekniken utvärderas också som en plattform för utveckling av vacciner mot MERS-coronavirus, respiratoriskt syncytialvirus (RSV) och Epstein Barr-virus.
Andra relativt nya framsteg inom laboratorietekniken, som t.ex. förmågan att lösa atomstrukturer av proteiner, har också bidragit till framstegen inom utvecklingen av subunitvaccin. Genom att till exempel lösa den tredimensionella strukturen av ett protein på RSV-ytan som är bundet till en antikropp har NIAID-forskare identifierat ett nyckelområde i proteinet som är mycket känsligt för neutraliserande antikroppar. De kunde sedan modifiera RSV-proteinet för att stabilisera den strukturella form i vilken det visar det neutraliseringskänsliga området.
Men även om de flesta subenhetsvacciner fokuserar på en viss patogen, utvecklar forskarna också vacciner som skulle kunna ge ett brett skydd mot olika sjukdomar. NIAID-forskare inledde 2017 en klinisk prövning i tidig fas av ett vaccin för att förebygga myggburna sjukdomar som malaria, zika, chikungunya och denguefeber. Det experimentella vaccinet, som är utformat för att utlösa ett immunsvar mot myggspott snarare än mot ett specifikt virus eller en specifik parasit, innehåller fyra rekombinanta proteiner från myggspottkörtlar.
Nukleinsyravacciner
En annan undersökande metod för vaccinering innebär att genetiskt material som kodar för det eller de antigener mot vilka ett immunsvar eftersträvas införs. Kroppens egna celler använder sedan detta genetiska material för att producera antigenerna. Till de potentiella fördelarna med detta tillvägagångssätt hör stimulering av breda långsiktiga immunsvar, utmärkt vaccinstabilitet och relativt enkel framställning av vaccin i stor skala. Många sådana vacciner finns inom forskningen, även om inget av dem för närvarande är godkänt för användning på människor.
DNA-plasmidvacciner består av en liten cirkulär bit DNA, en så kallad plasmid, som bär på gener som kodar för proteiner från den aktuella patogenen. Tillverkningsprocessen för DNA-plasmidvacciner är väletablerad, vilket gör det möjligt att snabbt utveckla experimentella vacciner för att bekämpa nya eller återkommande infektionssjukdomar. NIAID:s Vaccine Research Center har utvecklat kandidat-dna-vacciner för att hantera flera virussjukdomshot under utbrott, inklusive SARS coronavirus (SARS-CoV) 2003, H5N1 fågelinfluensa 2005, H1N1 pandemisk influensa 2009 och zikavirus 2016. Tiden från urvalet av de virusgener som ska ingå i vaccinet till inledandet av kliniska studier på människor förkortades från 20 månader med SARS-CoV till något längre än tre månader med zikavirus.
Vacciner baserade på messenger RNA (mRNA), ett mellanting mellan DNA och protein, håller också på att utvecklas. De senaste tekniska framstegen har i stort sett övervunnit problemen med mRNA:s instabilitet och svårigheten att leverera det till cellerna, och vissa mRNA-vacciner har visat uppmuntrande tidiga resultat. Forskare med stöd av NIAID har till exempel utvecklat ett experimentellt mRNA-vaccin som skyddade möss och apor mot infektion med zikavirus efter en enda dos.
Istället för att leverera DNA eller mRNA direkt till cellerna använder vissa vacciner ett ofarligt virus eller en bakterie som vektor, eller bärare, för att föra in genetiskt material i celler. Flera sådana rekombinanta vektorvacciner är godkända för att skydda djur mot infektionssjukdomar, däribland rabies och valpsjuka. Många av dessa veterinärvacciner är baserade på en teknik som utvecklades av NIAID-forskare på 1980-talet och som använder försvagade versioner av ett poxvirus för att leverera patogenens genetiska material. Idag utvecklar och utvärderar forskare med stöd av NIAID rekombinanta vektoriserade vacciner för att skydda människor mot virus som hiv, zikavirus och ebolavirus.