Вакцины будущего

В Париже на конференции, посвященной 150-летию со дня рождения великого Пастера, Майкл Села, ныне президент Международного общества иммунологов, известный ученый, выступил с докладом «Вакцины будущего».

Почти век назад, в 1881 году, Пастер обосновал главный принцип создания вакцин — предохранительных прививок, обеспечивающих невосприимчивость к возбудителям заразных болезней. Принцип состоит в том, что человеку или животному вводятся ослабленные или убитые микробы. Организм легко справляется с их воздействием: в крови появляются иммунные белки — антитела, способные разрушать не только ослабленные, но и полноценные возбудители, нейтрализовать их яды. Все вещества микробной клетки, включая и ядовитые, против которых вырабатываются антитела, получили название антигенов.

С тех пор в иммунологии так и ведется: чтобы создать невосприимчивость, необходимо выделить из микроба наиболее ответственные антигены и ими иммунизировать, то есть ввести их в» организм. Наилучшей вакциной был бы препарат, состоящий из смеси самых ответственных микробных антител. Но выделенные из микроба и очищенные антигены во многих случаях почему-то «не работают» с той силой, как живые ослабленные микробы.

Мало этого. Против некоторых инфекций не удается получить вакцины и из живых ослабленных микробов. Иммунная система человека как бы не умеет создавать устойчивость против тех или иных антигенов и микроорганизмов. До сих пор нет хороших вакцин против гриппа, дизентерии, малярии, венерических болезней (гонорея, сифилис) и т. д. Отдаленной мечтой представляется вакцина против рака.

В то же время если кымдан2 купить и применять согласно инструкции, то организм может получить противовоспалительное, антивирусное и антибактериальное воздействие.

Нужны новые подходы. Нужны новые принципы. Наука всегда ищет все более эффективные и перспективные пути.

«Петля» на носителе

Но есть ли сегодня какие-либо перспективы создания вакцин нового типа? Похоже, что есть. Весьма интересный и оригинальный подход к решению этой проблемы разрабатывает Села. Он предлагает искусственно синтезировать уникальные молекулярные структуры (детерминанты) ответственных антигенов, каждая из которых характерна для того или иного возбудителя инфекционной болезни. Из нескольких таких фрагментов, считает Села, можно будет сконструировать макромолекулу. Эти макромолекулы явятся синтетическим аналогом поливалентной вакцины, иммунизирующей сразу против нескольких болезней.

Реально ли это? На сегодняшний день реально для тех антигенов, иммунизирующая способность которых не уменьшается при использовании убитых вакцин. Схема иммунной защиты такова: при вакцинации против различных инфекционных возбудителей в организме появляются антитела против специфических фрагментов антигена, размещенных на поверхности возбудителя. Иначе говоря, организм вырабатывает антитела не против целого вируса или микроба, а против конкретных уникальных молекулярных структур.

Свои исследования Села начал с изящных молекулярно-иммунологических экспериментов. В белке куриного яйца содержится удобный для исследования антиген лизоцим. Его первичная и пространственная структура хорошо изучена. Села выделил фрагмент молекулы лизоцима, состоящий из остатков 60—83 аминокислот, последовательно соединенных друг с другом, — так называемую «петлю». Эта изолированная «петля», прикрепленная к синтетической макромолекуле-носителю и введенная в организм, вызывает образование антител к лизоциму. В качестве носителя были использованы искусственные аналоги белковой молекулы — полиаланин или полилизин. (Естественные белки представляют собой цепочки из разных аминокислот, а полиаланин — цепочка, все звенья которой одинаковы, составлены из одной аминокислоты аланина.) Дальше самое интересное. Поскольку аминокислотная последовательность «петли» была известна, синтезировали несколько ее отдельных частей. Иммунизация этими отдельными синтетическими продуктами, прикрепленными к носителю, показала, какая именно часть самая ответственная, какой фрагмент приводит к образованию антител.

Причем полученные таким способом антитела ничем не отличались от вырабатываемых природным путем. Села, наглядно доказал возможность использования синтетических молекул для выработки антител, реагирующих с природными антигенами.

Вакцины без балласта

Важное преимущество принципа Села в том, что вакцины, построенные по предлагаемому им методу, не будут содержать балластных веществ, загрязняющих все без исключения нынешние вакцины.

Действительно, убитые микробы или выделенные из них белки, полисахариды и прочие включают в себя сотни антигенов.

В современных вакцинах, как правило, не содержится и одного процента ответственных антигенов. А это значит, что иммунная система при вакцинации более чем на 99 процентов «прокручивается» вхолостую, вырабатывая антитела против балластных антигенов. Именно эти ненужные антитела и обусловливают осложнения (аллергии и т. д.) при вакцинации.

Другое преимущество принципа Села — конструирование конкретно необходимых вакцинирующих молекул. Скажем, 5—10 определенных (детерминантных) характеристик различных болезней прикрепляются на одну синтетическую макромолекулу и используются для иммунизации. Все эти детерминанты замещают современные вакцины очень небольшим числом соответственно сконструированных макромолекул.

Таким образом, методами молекулярной инженерии, возможно, могут быть построены разнообразные варианты поливалентных синтетических вакцин. Это «кажется сегодня сном», сказал Села. Сбудется ли он?

Надо сказать, что синтез отдельных молекулярных структур ответственных антигенов и их сборка на одной макромолекуле еще не окончательное решение проблемы создания эффективных вакцин. «Штампы» для создания синтетических вакцин Села предполагает брать у природы. В докладе на III Международном конгрессе иммунологов в Сиднее в 1977 году он говорил: «Мы должны копировать природу не в целом, а частями».

Копировать природные молекулярные структуры предполагается методами молекулярной инженерии. Но неизвестно, будет ли успешным этот принцип для изготовления синтетических вакцин против всех микробов и вирусов. Если вспомнить, что выделенные из микроорганизмов антигены (а Села предполагает создавать копии фрагментов именно этих антигенов) не иммунизируют столь же эффективно, как живые ослабленные микробы, то, очевидно, эта же закономерность проявится и в вакцинах «искусственной сборки». Связано это и с тем, что в выработке антител активное участие принимает генотип, то есть наследственная структура, каждого данного организма. Образование антител контролируется специальными генами. Они получили название генов иммунного ответа. И если ген, обеспечивающий способность к иммунному ответу на данный антиген, у индивидуума отсутствует, то, сколько ни вакцинируй такого человека, антитела вырабатываться не будут.

Итак, еще одна сложнейшая задача: синтетические вакцины должны обладать свойством стимулировать образование антител к разным антигенам в любом организме, даже в генетически слабо реагирующем или не реагирующем вовсе.

Наш подход к созданию синтетических вакцин несколько иной, чем у Села.

Полимеры вместо тимуса

Суть задачи, которую мы ставим перед собой, в том, что искусственная вакцина должна нести на своих макромолекулах не только фрагменты ответственных антигенов. Она должна содержать одновременно и такую структуру, которая обеспечила бы выработку антител к разнообразным антигенам независимо от их природы и от генетического фона иммунизируемого организма. Этот принцип вырос и сформулировался из следующих исследований. Вот уже несколько лет ведется поиск и изучение веществ, стимулирующих иммунитет. Раньше иммунологи оценивали эффект стимуляторов иммунитета только по количеству вырабатываемых антител, то есть по самому конечному этапу иммуногенеза. Сейчас исследования проходят на качественно новой ступени.

Мы ищем стимулирующие иммунитет вещества, основываясь на механизме их действия на уровне отдельных клеточных событий, отдельных этапов иммуногенеза, из которых складывается в целом иммунная реакция.

В чем смысл этого принципа?

Главными действующими фигурами иммунной системы являются два типа лимфоцитов — Т- и В-клетки (см. статью Р. Петрова «Диктатура лимфоцита», «Наука и жизнь» № 4, 1977 год). Антитела — продукция В-лимфоцитов. Однако В-лимфоциты не могут вырабатывать антитела в одиночку, без помощи Т-лимфоцитов. Они должны действовать совместно, или, как говорят иммунологи, кооперативно.

Т- и В-лимфоциты живут в органах иммунной системы по разным «адресам». Однако это не препятствует их кооперации.

Дело в том, что Т- и В-клетки постоянно мигрируют, задерживаясь в участках скопления антигена. Здесь они кооперируются друг с другом для синтеза антител. Таким образом, без клеточной миграции и кооперации выработка антител невозможна.

Именно эти данные и послужили отправным моментом для построения рабочей гипотезы о том, что вещества, стимулирующие миграцию и кооперацию Т- и В- лимфоцитов, должны стимулировать и иммунитет. Для проверки этой гипотезы в многочисленных опытах на специально разработанных модельных системах были изучены разнообразные вещества: нуклеиновые кислоты, гормоны, экстракты некоторых растений, вещества, влияющие на свертываемость крови, синтетические полимеры.

Исследования показали реальность и перспективность принципа. Был отобран и изучен целый ряд веществ, влияющих на те или иные конкретные этапы развития иммунной реакции. Внимание привлекли синтетические полимерные соединения, обладающие удивительными свойствами. В исследованиях, проведенных сотрудниками нашей лаборатории совместно с группой химиков (В. П. Евдаков, А. Н. Гвоздецкий и И. Н. Савинова), возглавляемой членом-корреспондентом АН СССР В. А. Кабановым, было обнаружено: мощными стимуляторами миграции стволовых клеток, из которых вырабатываются Т- и В- лимфоциты, а также миграции самих Т- и В- лимфоцитов и их кооперации, являются синтетические полиэлектролиты поли-4-винилпиридин (поликатион) и полиакриловая кислота (полианион). Как и ожидалось, эти полимеры резко повышают иммунный ответ животных к разным антигенам.

Очень важно, что, введя полиэлектролиты животным с генетически низким иммунным ответом, можно повысить у них выработку антител до уровня генотипов с высоким иммунным ответом.

Один из самых интригующих фактов был получен в экспериментах на так называемых Т-дефицитных мышах. Этих мышей получают, удаляя у них тимус — орган, где образуются Т-лимфоциты. Такие животные служат моделями встречающегося у человека врожденного недоразвития или полного отсутствия тимуса. Дети, родившиеся без тимуса, быстро погибают от инфекций и опухолей, так как у них отсутствуют Т-клетки и иммунитет, даже при иммунизации сильными вакцинами, не возникает. Оказалось, что синтетические полиэлектролиты, введенные Т-дефицитным животным, повышают у них способность к выработке антител в 20—50 раз. Иначе говоря, полиэлектролиты могут замещать функцию Т-лимфоцитов.

Весьма значительный Т-дефицит развивается при старении. Именно нехваткой Т-лимфоцитов объясняются многие болезни пожилого возраста. Поскольку полиэлектролиты замещают Т-лимфоциты, было бы логично попытаться корректировать с их помощью и возрастной иммунитет.

Оказалось, что одна-единственная инъекция поли-4-винилпиридина старым животным, у которых способность к выработке антител снижена в десятки раз, полностью восстанавливает у них иммунный ответ.

Происходит как бы омоложение старой иммунной системы. Пока это эксперименты, но они обещают дать ценные результаты для клинической иммунологии.

Искусстевенные полиэлектролиты

Что же это за вещества, поли-4-винил-пиридин и полиакриловая кислота? Приставка «поли» означает, что эти полимеры — химические соединения с высокой молекулярной массой. Их молекулы состоят из многократно (поли) повторяющихся одних и тех же группировок — мономерных звеньев. Молекулярная масса этих цепочек может быть 10 000, 100 000, 1000 000, то есть они в десять тысяч — миллион раз тяжелее водорода. Напомним, что крупные белки имеют молекулярную массу от 100 до 900 тысяч. Гигантские молекулы полимеров синтезируются последовательным присоединением молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру на конце растущей цели.

Полимеризация была открыта еще в середине прошлого века. Тогда же были выделены первые полимеризующиеся мономеры (стирол, акриловая кислота и другие). Поли-4-ви-нилпиридин и полиакриловая кислота являются полиэлектролитами — полимерами, способными приобретать в растворах множественные электрические заряды. При этом в одной макромолекуле возникает большое число периодически повторяющихся зарядов — соответственно звеньям, составляющим гигантскую молекулу. Заряды могут быть анионами — отрицательно заряженными ионами, движущимися в электрическом поле к положительному электроду — аноду, или катионами — положительно заряженными ионами. По тому, какие именно заряды возникают на полимерной цепи, все полиэлектролиты делятся на полианионы, поликатионы и полиамфолиты. Для последних характерно наличие и тех и других групп.

Полиэлектролиты — это не только искусственно созданные молекулы, но и важнейшие природные биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты. Анионами в растворах белков становятся карбоксильные группировки (—СОО~), а катионами — аминогруппы (—МНз+). Некоторые аминокислоты относятся к катионам, например, лизин, а другие — к анионам (аспарагиновая и глутаминовая кислоты). Белковые молекулы представляют собой полиамфолиты.

Плазма крови — это сложный раствор электролитов, широко распространенных в природе. Использованные в наших исследованиях синтетические полиэлектролиты — полиакриловая кислота и поли-4-винилпиридин — аналогов в природе не имеют.

И не являются искусственным воспроизведением белковой молекулы или ее части. Они не укладываются в принцип «копирования природы» М. Села.

Сборка антигенов на полиэлектролитах

Итак, «неприродные» полиэлектролиты активно влияют на иммунитет. Введение животным чисто синтетических полианионных или поликатионных соединений усиливает отдельные этапы иммуногенеза, образования иммунитета. В конечном итоге эти соединения интенсифицируют иммунный ответ. Естественно, возникла мысль: если слабый антиген присоединить к макромолекуле полимера, стимулирующего выработку антител, то такая «комбинированная» молекула должна идеально сочетать в себе как антигенную специфичность, так и стимулирующие свойства. Не путь ли это к проблеме создания «суперантигенов»?

Итог наших исследований в этом направлении подвела статья, опубликованная в октябре 1977 года в журнале «Доклады Академии наук СССР» (том 236, № 5, «Антигенные свойства пикратов полиоснований»). В ней описана экспериментальная возможность создания антигенов нового типа. В качестве антигенной детерминанты в этой работе использовано простое химическое соединение — тринитрофенильная группировка. Вещества типа тринитрофенола называются гаптенами. Сами стимулировать иммунный ответ, то есть выработку антител, они не могут, пока не присоединятся к белку или другой природной макромолекуле. Мы присоединили тринитрофенильную группировку к «неприродной» молекуле поли-4-винил-лиридина. И получили антиген с поразительными свойствами! Легко удалось выработать антитела против гаптена, присоединенного к очень простому полимерному соединению. Обычно антитела к гаптену на природных носителях образуются при условии дополнительной стимуляции организма специальными веществами (так называемыми адъювантами).

При иммунизации же гаптеном, введенным в молекулу поли-4-винилпиридина, такая стимуляция не требуется. И, наконец, выработка антител против синтезированного нами антигена, как оказалось, не зависит от тимуса, в Т-клетках не нуждается. Иммунизированные синтетическим антигеном Т-дефицитные животные (животные с заведомо неполноценной иммунной системой) вырабатывают такое же количество антител или даже больше, чем здоровые. При иммунизации тем же самым гаптеном, введенным не в поли-4-винилпиридиновую молекулу, а в молекулу белка, Т-дефицитные животные антител не образуют.

Уже говорилось, что в некоторых случаях создать иммунитет по генетическим причинам невозможно. Даже сильными вакцинами. Гены, контролирующие силу иммунного ответа и образование антител на тот или иной антиген, проявляют свое действие через специальные структуры, расположенные на Т-клетках. Если ген, заведующий иммунитетом на данный антиген, на Т-клетках животного не представлен, антитела против этого антигена не вырабатываются. Введя в молекулы типа полиэлектролитов различные антигены и получив с их помощью независимый от тимуса иммунитет, мы таким образом сможем преодолеть наследственно предопределенную неспособность организма к иммунной защите против данного чужеродного агента, микроба, вируса.

Итак, сделаны первые шаги на пути конструирования антигенов нового типа. Если ответственные антигены различных болезней, введенные в макромолекулы полиэлектролитов, будут вызывать высокий иммунный ответ, наш путь создания вакцинирующих молекул явится одним из подходов к решению проблемы вакцин будущего.

Трудно сейчас предсказать, какой принцип конструирования вакцин будущего окажется более эффективным — имитации природы или закладывания в «неприродные молекулы» искомых качеств. Ясно одно: такие принципы будут найдены.

И тогда действительно можно будет проводить «сборку» антигенных детерминант различных микробов и вирусов на одной полимерной цепочке. Эта цепочка обеспечит развитие мощного иммунного ответа ко всем использованным антигенам. Раковые антигены, как известно, настолько слабы, что не могут вызвать эффективную иммунную реакцию против опухоли. Не исключено, что «комплектация» раковых антигенов молекулами стимулирующих полимеров позволит разработать вакцину против рака. Области возможного применения синтетических вакцин беспредельны.

Однако следует помнить, что все вышесказанное — пока еще научный поиск и исследования еще не вышли за рамки эксперимента. Необходима дальнейшая серьезная работа, чтобы сформулированные принципы создания синтетических антигенов и вакцин стали реальностью.

Академик АМН СССР, профессор Р. Петров и доктор медицинских наук Р. Хаитов

По материалам журнала «Наука и жизнь» № 9 1978 г.