Слизистые оболочки дыхательных путей постоянно контактируют с вирусами и бактериями, поэтому для защиты от респираторных инфекций особенно важен иммунитет непосредственно в месте проникновения возбудителя. Назальная вакцинация позволяет сформировать такую местную защиту и одновременно активировать системный иммунный ответ.
Обычные инъекционные вакцины, включая мРНК-вакцины от SARS-CoV-2, вызывают образование в крови нейтрализующих антител IgG. Они эффективно защищают от тяжелого COVID-19, в том числе от поражения легких. Однако такие вакцины менее эффективно стимулируют иммунный ответ слизистых оболочек дыхательных путей — прежде всего образование антител IgA.
Назальные вакцины действуют иначе. Они вызывают не только системный иммунный ответ с образованием IgG, но и местный: на слизистых оболочках выделяется секреторный IgA. Кроме того, в тканях дыхательной системы формируются резидентные Т-клетки памяти CD4+ и CD8+, которые длительно сохраняются в месте возможного проникновения инфекции.
Эксперименты на мышах показали, что резидентные Т-клетки памяти в легких обеспечивают длительную защиту от смертельной вирусной инфекции. Респираторные CD8+ Т-клетки памяти также снижали вероятность заражения и передачи вируса даже при отсутствии вирус-специфических антител.
Поскольку респираторные инфекции начинаются на поверхности слизистых оболочек дыхательных путей, назальная вакцинация рассматривается как способ сформировать защиту от SARS-CoV-2, вируса гриппа, респираторно-синцитиального вируса (РСВ), Streptococcus pneumoniae и других патогенов.
Что следует учитывать при разработке назальных вакцин
Слизистая оболочка носа одновременно служит естественным барьером для патогенов и местом формирования иммунного ответа. Слизь задерживает вдыхаемые частицы, а реснитчатые клетки помогают удалять их из дыхательных путей. Этот механизм защищает организм от патогенов, но одновременно затрудняет доставку вакцинных антигенов.
При разработке эффективных назальных вакцин необходимо учитывать физические и физиологические особенности среды носовой полости. Антиген назальной вакцины легко разбавляется носовым секретом и удаляется реснитчатым эпителием. Это может затруднять связывание, захват и обработку антигена. Также носовой секрет содержит ферменты, которые могут разрушать антигены вакцины. Кроме того, назальные вакцины для человека ограничены объемом приблизительно 200 мкл.
Важную роль в ответе на назальную вакцинацию играет лимфоидная ткань носоглотки — NALT. Здесь антигены захватывают микроскладчатые клетки (М-клетки) и передают их расположенным под ними антигенпрезентирующим клеткам. В результате активируются Т- и В-клетки и запускается образование антиген-специфического IgA. Затем В-клетки мигрируют в слизистую оболочку носа, превращаются в плазматические клетки и вырабатывают полимерный IgA. После переноса через эпителий он выделяется на поверхность слизистой в форме секреторного IgA — SIgA.
SIgA связывает патогены и препятствует их прикреплению к слизистой оболочке. Исследование выделения вируса у лиц, инфицированных SARS-CoV-2, подтвердило значение этого механизма: специфический к S-белку SIgA был связан со снижением вирусной нагрузки и инфекционности вируса.
В другом исследовании на основе четырех нейтрализующих моноклональных антител IgG, специфичных к рецептор-связывающему домену (RBD) S-белка, были сконструированы рекомбинантные мономерные, димерные антитела и антитела SIgA1, после чего их активность сравнили с активностью исходных антител. Рекомбинантные димерные и SIgA1 эффективнее исходных моноклональных IgG нейтрализовали несколько вариантов SARS-CoV-2, включая Omicron BA.1, BA.2 и BA.4/5.
Антигены назальных вакцин могут захватываться не только в NALT. В носовых раковинах их также захватывают М-клетки респираторного эпителия и дендритные клетки (DC), отростки которых проходят между эпителиальными клетками и проникают в полость носа. DC затем перемещаются в регионарные лимфатические узлы и запускают антиген-специфический иммунный ответ.
Назальные вакцины обеспечивают местный и системный иммунитет
Назальные вакцины обладают несколькими преимуществами перед инъекционными:
- их введение менее инвазивно, что позволяют избежать боли и тревоги, которые пациенты связывают с использованием игл;
- их можно вводить самостоятельно, что облегчает проведение массовой вакцинации;
- они одновременно формируют местный иммунитет слизистых оболочек и системную защиту, препятствуя проникновению патогенов в дыхательные пути и снижая тяжесть заболевания в других органах и тканях;
- они запускают образование перекрестно-реактивных антител IgA.
В экспериментах на мышах назальная иммунизация белком нейраминидазы вируса гриппа, в отличие от системной, стимулировала образование перекрестно-реактивных антител IgA и защищала мышей как от исходного, так и от отличающегося варианта вируса.
Эффективность назальной вакцинации подтверждена и у людей:
- В клиническом исследовании 2003 года назальная вакцина FluMist обеспечивала более широкую защиту от трех исследованных штаммов вируса гриппа по сравнению с инъекционной трехвалентной инактивированной вакциной. В настоящее время FluMist остается единственной назальной вакциной, одобренной Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США (FDA).
- Исследование другой живой аттенуированной назальной вакцины от гриппа показало сочетание местного и системного ответа: после вакцинации в слизистых оболочках вырабатывался IgA, а в крови — IgG. Одновременно изменялась активность Т-клеток.
Реплицирующиеся системы доставки для назальных вакцин
Реплицирующиеся вирусные векторы способны длительно обеспечивать поступление вакцинных антигенов, вызывая местный Т-клеточный ответ без применения адъювантов.
В клиническом исследовании назальная вакцина BLB201 на основе вируса парагриппа 5-го типа, кодирующего F-антиген респираторно-синцитиального вируса, показала хорошую переносимость и вызывала иммунный ответ против РСВ: вирус-специфические антитела обнаруживались в носовой полости и крови, активировались CD4+ и CD8+ Т-клетки.
Изучаются также бактериальные векторы. В частности, непатогенные Lactobacillus исследуют как основу назальных вакцин против ряда бактериальных и вирусных инфекций, включая туберкулез и COVID-19.
Нереплицирующиеся и биосовместимые системы доставки
Нереплицирующиеся вирусные векторы и наноматериалы позволяют доставлять антигены на слизистую оболочку носа без использования способных размножаться вирусов. Среди таких систем — наногели, липосомы и хитозан.
Наногели хорошо удерживаются на слизистой оболочке носа. У мышей и макак назальная вакцина на основе наногеля с пневмококковым антигеном PspA вызывала образование местного IgA и сывороточного IgG и защищала от пневмококковой инфекции разных серотипов. В экспериментах на мышах вакцина на основе наногеля против Haemophilus influenzae для профилактики среднего отита также стимулировала выработку IgA и подавляла образование бактериальных биопленок. В моделях РСВ-инфекции вакцина на основе наногеля запускала выработку местных IgA и системных IgG и помогала контролировать вирус в слизистой оболочке дыхательных путей и легких.
Для доставки антигенов назальных вакцин также исследуются липосомы — небольшие липидные частицы, способные удерживать антиген и доставлять его к слизистой оболочке. Поскольку фосфолипиды, используемые для получения липосом, производятся из пищевого сырья — например, яичного желтка и сои, такая система доставки считается безопасной, за исключением лиц с аллергией на соответствующие пищевые антигены. В экспериментах на мышах и хорьках липосомы с антигеном вируса гриппа эффективно вызывали вирус-специфический иммунный ответ и защищали от заражения другим штаммом вируса гриппа. Эту платформу также исследуют для вакцинации от COVID-19.
Другой перспективный материал — хитозан. Это биосовместимый и биоразлагаемый полимер, который удерживается на слизистой и облегчает захват антигена. Вакцины-кандидаты на его основе хорошо переносились и вызывали антиген-специфические ответы IgA и IgG. Однако применение хитозана ограничивает его низкая растворимость. Поэтому исследуются химические модификации хитозана, повышающие его гидрофильность, а также модификации лигандами, обеспечивающие направленное взаимодействие с определенными клетками и улучшение клеточного захвата.
Еще один подход — белковая платформа SpyCage. У хомяков назальная вакцина с антигеном SARS-CoV-2 на основе SpyCage вызывала выраженный иммунный ответ и способствовала более эффективному удалению вируса из носовой полости и легких.
Назальные вакцины от COVID-19
Инъекционные вакцины от COVID-19 эффективно защищают от тяжелого заболевания, но слабее формируют иммунитет слизистой оболочки дыхательных путей. После назальной вакцинации раннее появление IgA и CD8+ Т-клеточного ответа связано с лучшим контролем вирусной нагрузки.
В экспериментах на хомяках и приматах назальные вакцины на основе вирусных векторов вызывали образование IgA в дыхательных путях и IgG в крови, а также Т-клеточный ответ. Некоторые вакцины обеспечивали защиту от нескольких вариантов SARS-CoV-2: после контрольного заражения вирус не обнаруживался или вирусная нагрузка значительно снижалась в носовой полости и легких.
Эффективность вакцины зависела от используемого вектора. Например, назальная вакцина ChAdOx1 у людей хорошо переносилась, но вызывала заметный ответ антител в слизистых оболочках только у небольшой группы участников. Поскольку вектор ChAdOx1, используемый в этой назальной вакцине, получен на основе аденовируса обезьян, он может обладать низкой способностью инфицировать эпителий дыхательных путей человека, что приводит к недостаточной экспрессии антигена SARS-CoV-2.
Особенно перспективным оказался подход, при котором после первичной инъекционной вакцинации вводят назальную бустерную вакцину. В исследованиях на животных такая комбинация формировала длительный иммунитет — IgA, IgG и резидентные CD8+ Т-клетки памяти — и ограничивала заражение и передачу SARS-CoV-2. У приматов назальная вакцина обеспечивала длительную защиту верхних и нижних дыхательных путей, тогда как действие инъекционной мРНК-вакцины было преимущественно связано с системным иммунитетом и защитой нижних дыхательных путей.
Исследования назальных вакцин на основе рекомбинантных белков (субъединичных вакцин) показали критически важную роль T-клеточного иммунитета наряду с антительным ответом. Такие вакцины способствуют формированию Т-клеток памяти, что приводит к образованию антител с широкой нейтрализующей активностью. В экспериментах на хомяках субъединичная вакцина на основе рецептор-связывающего домена (RBD) SARS-CoV-2 с адъювантом мастопараном-7 уменьшала проявления заболевания и повреждение легких. Кроме того, исследование показало, что T-клеточный иммунитет способен контролировать вирусную инфекцию даже при отсутствии нейтрализующих антител.
Назальные вакцины от COVID-19 разрабатываются на разных технологических платформах — от вирусных векторов до субъединичных вакцин и наночастиц. Субъединичные вакцины CIGB-669 и ACM-001 проходят клиническую оценку.
На момент публикации разрешение на экстренное применение назальных вакцин выдали как минимум четыре страны:
- Китай — ингаляционная аденовирусная вакцина и живая аттенуированная назальная вакцина на основе вируса гриппа;
- Индия — назальная вакцина на основе нереплицирующегося аденовируса шимпанзе;
- Иран — назальная вакцина на основе рекомбинантного S-белка с адъювантом, которая показала безопасность и способность формировать защитный иммунитет;
- Россия — назальная вакцина на основе рекомбинантных аденовирусных векторов rAd26 и rAd5.
Вывод
Назальные вакцины формируют местный и системный иммунитет и могут предотвращать проникновение патогенов и развитие тяжелого заболевания. Однако число лицензированных назальных вакцин пока невелико: например, в США единственной одобренной FDA назальной вакциной остается живая аттенуированная вакцина от гриппа FluMist Quadrivalent, применение которой ограничено возрастом и состоянием иммунной системы.
Одна из главных задач при разработке назальных вакцин — обеспечить их безопасность. Живые вакцины несут риски, связанные с использованием аттенуированных патогенов, тогда как более безопасные субъединичные вакцины обычно вызывают слабый иммунный ответ и требуют адъювантов. Особое внимание следует уделить возможному воздействию компонентов назальной вакцины на центральную нервную систему из-за близости обонятельного эпителия к головному мозгу.
Источник
Nasal vaccines for respiratory infections
