La investigación científica ha llevado al desarrollo de numerosos tipos de vacunas que provocan de forma segura respuestas inmunitarias que protegen contra la infección, y los investigadores siguen investigando nuevas estrategias de vacunación para la prevención de enfermedades infecciosas existentes y emergentes. En las últimas décadas se han producido importantes avances en la comprensión de las complejas interacciones entre los microbios que causan enfermedades y sus huéspedes humanos. Estos conocimientos, así como los avances en las técnicas y tecnologías de laboratorio, han contribuido al desarrollo de nuevos tipos de vacunas.
Vacunas contra todo el patógeno
Las vacunas tradicionales consisten en patógenos enteros que han sido eliminados o debilitados para que no puedan causar la enfermedad. Estas vacunas de patógenos enteros pueden provocar fuertes respuestas inmunitarias protectoras. Muchas de las vacunas de uso clínico actual pertenecen a esta categoría. Sin embargo, no todos los microbios causantes de enfermedades pueden ser atacados eficazmente con una vacuna de patógeno completo.
Los científicos describieron por primera vez la capacidad de los microbios inactivados, o muertos, para inducir la inmunidad en el siglo XIX. Esto condujo al desarrollo de vacunas inactivadas, que se producen matando al patógeno con productos químicos, calor o radiación. Un ejemplo actual es Havrix, una vacuna inactivada contra el virus de la hepatitis A que fue desarrollada por el NIAID y sus socios y autorizada en Estados Unidos en 1995.
Los avances en las técnicas de cultivo de tejidos en la década de 1950 permitieron el desarrollo de vacunas vivas atenuadas, que contienen una versión del microbio vivo que ha sido debilitada en el laboratorio. La vacuna contra el sarampión, las paperas y la rubeola (SPR) es un ejemplo. Estas vacunas provocan una fuerte respuesta inmunitaria que puede conferir inmunidad de por vida tras sólo una o dos dosis. Las vacunas vivas atenuadas son relativamente fáciles de crear para ciertos virus, pero difíciles de producir para patógenos más complejos como las bacterias y los parásitos.
Las técnicas modernas de ingeniería genética han permitido la creación de virus quiméricos, que contienen información genética y muestran propiedades biológicas de diferentes virus madre. Una vacuna quimérica viva atenuada desarrollada por el NIAID, que consiste en una columna vertebral del virus del dengue con proteínas de superficie del virus del Zika, se está probando en las primeras fases en humanos.
Vacunas de subunidades
En lugar de todo el patógeno, las vacunas de subunidades incluyen sólo los componentes, o antígenos, que mejor estimulan el sistema inmunitario. Aunque este diseño puede hacer que las vacunas sean más seguras y fáciles de producir, a menudo requiere la incorporación de adyuvantes para provocar una fuerte respuesta inmunitaria protectora, ya que los antígenos por sí solos no son suficientes para inducir una inmunidad adecuada a largo plazo.
Incluir sólo los antígenos esenciales en una vacuna puede minimizar los efectos secundarios, como ilustra el desarrollo de una nueva generación de vacunas contra la tos ferina. Las primeras vacunas contra la tos ferina, introducidas en la década de 1940, contenían bacterias Bordetella pertussis inactivadas. Aunque eran eficaces, las vacunas de células enteras contra la tos ferina provocaban con frecuencia pequeñas reacciones adversas, como fiebre e hinchazón en el lugar de la inyección. Esto hizo que muchas personas evitaran la vacuna, y en la década de 1970, la disminución de las tasas de vacunación había provocado un aumento de las nuevas infecciones. La investigación básica en el NIAID y en otros lugares, así como el trabajo clínico apoyado por el NIAID, condujeron al desarrollo de vacunas acelulares (que no contienen células) contra la tos ferina que se basan en componentes individuales y purificados de B. pertussis. Estas vacunas tienen una eficacia similar a la de las vacunas de células enteras, pero es mucho menos probable que causen reacciones adversas.
Algunas vacunas para prevenir las infecciones bacterianas se basan en los polisacáridos, o azúcares, que forman la cubierta exterior de muchas bacterias. La primera vacuna autorizada contra el Haemophilus influenzae tipo B (Hib), inventada en el Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) y desarrollada posteriormente por investigadores apoyados por el NIAID, era una vacuna de polisacáridos. Sin embargo, su utilidad era limitada, ya que no provocaba respuestas inmunitarias fuertes en los lactantes, el grupo de edad con mayor incidencia de la enfermedad por Hib. A continuación, los investigadores de los NIH desarrollaron la llamada vacuna conjugada, en la que el polisacárido Hib está unido, o «conjugado», a un antígeno proteico para ofrecer una mejor protección. Esta formulación aumentó en gran medida la capacidad del sistema inmunitario de los niños pequeños para reconocer el polisacárido y desarrollar inmunidad. En la actualidad, existen vacunas conjugadas para proteger contra las infecciones por Hib, neumococo y meningococo.
Otras vacunas contra enfermedades bacterianas, como las vacunas contra la difteria y el tétanos, tienen como objetivo provocar respuestas inmunitarias contra las proteínas causantes de la enfermedad, o toxinas, secretadas por las bacterias. Los antígenos de estas vacunas llamadas toxoides son toxinas inactivadas químicamente, conocidas como toxoides.
En la década de 1970, los avances en las técnicas de laboratorio inauguraron la era de la ingeniería genética. Una década después, la tecnología del ADN recombinante -que permite combinar ADN de dos o más fuentes- se aprovechó para desarrollar la primera vacuna proteica recombinante, la vacuna contra la hepatitis B. El antígeno de la vacuna es una proteína del virus de la hepatitis B producida por células de levadura en las que se ha insertado el código genético de la proteína viral.
Las vacunas para prevenir la infección por el virus del papiloma humano (VPH) también se basan en antígenos proteicos recombinantes. A principios de la década de 1990, los científicos del Instituto Nacional del Cáncer de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) descubrieron que las proteínas de la cubierta exterior del VPH pueden formar partículas muy parecidas al virus. Estas partículas similares al virus (VLP) provocan una respuesta inmunitaria similar a la provocada por el virus natural, pero las VLP no son infecciosas porque no contienen el material genético que el virus necesita para replicarse dentro de las células. Los científicos del NIAID han diseñado una vacuna experimental con VLP para prevenir el chikungunya que ha provocado una sólida respuesta inmunitaria en un ensayo clínico en fase inicial.
Los científicos del NIAID y otras instituciones también están desarrollando nuevas estrategias para presentar antígenos de subunidades proteicas al sistema inmunitario. Como parte de los esfuerzos para desarrollar una vacuna universal contra la gripe, los científicos del NIAID diseñaron una vacuna experimental con la proteína ferritina, que puede autoensamblarse en piezas microscópicas llamadas nanopartículas que muestran un antígeno proteico. Una vacuna experimental contra la gripe basada en nanopartículas está siendo evaluada en un ensayo en fase inicial en humanos. La tecnología basada en nanopartículas también se está evaluando como plataforma para el desarrollo de vacunas contra el coronavirus MERS, el virus respiratorio sincitial (VRS) y el virus de Epstein Barr.
Otros avances relativamente recientes en las técnicas de laboratorio, como la capacidad de resolver las estructuras atómicas de las proteínas, también han contribuido a los avances en el desarrollo de vacunas de subunidades. Por ejemplo, al resolver la estructura tridimensional de una proteína de la superficie del VRS unida a un anticuerpo, los científicos del NIAID identificaron una zona clave de la proteína que es muy sensible a los anticuerpos neutralizantes. A continuación, pudieron modificar la proteína del VRS para estabilizar la forma estructural en la que muestra el sitio sensible a la neutralización.
Aunque la mayoría de las vacunas de subunidades se centran en un patógeno concreto, los científicos también están desarrollando vacunas que podrían ofrecer una amplia protección contra diversas enfermedades. Los investigadores del NIAID lanzaron en 2017 un ensayo clínico en fase inicial de una vacuna para prevenir enfermedades transmitidas por mosquitos como la malaria, el Zika, la chikungunya y el dengue. La vacuna experimental, diseñada para desencadenar una respuesta inmunitaria a la saliva del mosquito en lugar de a un virus o parásito específico, contiene cuatro proteínas recombinantes de las glándulas salivales del mosquito.
Vacunas de ácido nucleico
Otro enfoque de la vacunación en fase de investigación consiste en introducir material genético que codifica el antígeno o los antígenos contra los que se busca una respuesta inmunitaria. Las células del propio organismo utilizan entonces este material genético para producir los antígenos. Las ventajas potenciales de este enfoque son la estimulación de amplias respuestas inmunitarias a largo plazo, la excelente estabilidad de la vacuna y la relativa facilidad de su fabricación a gran escala. Hay muchas vacunas de este tipo en fase de investigación, aunque ninguna está actualmente autorizada para el uso humano.
Las vacunas con plásmidos de ADN comprenden una pequeña pieza circular de ADN llamada plásmido que lleva genes que codifican proteínas del patógeno de interés. El proceso de fabricación de vacunas con plásmidos de ADN está bien establecido, lo que permite desarrollar rápidamente vacunas experimentales para hacer frente a enfermedades infecciosas emergentes o reemergentes. El Centro de Investigación de Vacunas del NIAID ha desarrollado vacunas de ADN candidatas para hacer frente a varias amenazas de enfermedades virales durante los brotes, incluyendo el coronavirus del SARS (SARS-CoV) en 2003, la gripe aviar H5N1 en 2005, la gripe pandémica H1N1 en 2009 y el virus del Zika en 2016. El tiempo transcurrido desde la selección de los genes virales que se incluirán en la vacuna hasta el inicio de los estudios clínicos en humanos se redujo de 20 meses con el SARS-CoV a algo más de tres meses con el virus del Zika.
También se están desarrollando vacunas basadas en el ARN mensajero (ARNm), un intermediario entre el ADN y las proteínas. Los recientes avances tecnológicos han superado en gran medida los problemas relacionados con la inestabilidad del ARNm y la dificultad de introducirlo en las células, y algunas vacunas de ARNm han obtenido resultados alentadores. Por ejemplo, investigadores apoyados por el NIAID desarrollaron una vacuna experimental de ARNm que protegió a ratones y monos contra la infección por el virus del Zika tras una única dosis.
En lugar de introducir el ADN o el ARNm directamente en las células, algunas vacunas utilizan un virus o una bacteria inofensiva como vector, o portador, para introducir material genético en las células. Varias de estas vacunas con vectores recombinantes están aprobadas para proteger a los animales de enfermedades infecciosas, como la rabia y el moquillo. Muchas de estas vacunas veterinarias se basan en una tecnología desarrollada por investigadores del NIAID en la década de 1980 que utiliza versiones debilitadas de un poxvirus para introducir el material genético del patógeno. En la actualidad, los científicos apoyados por el NIAID están desarrollando y evaluando vacunas vectoriales recombinantes para proteger a los seres humanos de virus como el VIH, el virus del Zika y el virus del Ébola.