Существующие вакцины разработаны так, чтобы защитить от определенного патогена. Однако респираторные вирусы отличаются широким разнообразием и быстрой мутацией. Это ограничивает эффективность традиционных вакцин от ОРВИ.
Для устранения этого ограничения международная группа ученых разработала универсальную интраназальную вакцину, которую протестировала на мышах. В результате у мышей после четырех иммунизаций развился многомесячный противовирусный иммунитет. Причем эти мыши значительно легче переносили инфицирование коронавирусами и бактериальными инфекциями, чем мыши из контрольной группы.
Предпосылки исследования
Предыдущие эпидемиологические исследования показали, что некоторые вакцины, такие как БЦЖ и пероральная вакцина от полиомиелита, могут обеспечивать частичную защиту от неродственных инфекций. Эти эффекты связывают с формированием тренированного врожденного иммунитета и изменением взаимодействия врожденных и адаптивных иммунных механизмов. В совокупности эти открытия выявили сложную иммунную сеть, которая формируется в конкретных тканях. Это явление назвали интегрированным органным иммунитетом.
Еще одной предпосылкой явился положительный клинический опыт использования вакцины БЦЖ против респираторных вирусов. Однако вакцина БЦЖ вводится внутривенно, что создает повышенный риск и ограничивает распространение вакцины, поскольку требует высокой квалификации медицинского персонала.
Поэтому ученые предложили использовать комплексный иммунитет органов дыхания для иммунизации слизистых оболочек, чтобы сформировать защиту от патогенов, переносимых воздушно-капельным путем.
Детали исследования
Универсальная вакцина сочетала в себе два вида белков:
- Первый – фрагменты толл-подобных рецепторов, которые нужны для обнаружения чужеродных частиц.
- Второй – куриный белок овальбумин, который используется для создания в организме аллергических реакций.
Ученые выбрали интраназальное введение в качестве способа доставки вакцины. Из предыдущих исследований было известно, что интраназальная иммунизация создает более эффективную защиту в дыхательных путях, чем внутримышечная.
Затем ученые провели серию опытов, проверяя устойчивость вакцинированных мышей к различным инфекциям. Одной группе мышей проводили 4 иммунизации с интервалом в 7 дней. Вторая группа мышей ничего не получала и была контрольной.
В первом эксперименте ученые проверяли эффективность универсальной вакцины для защиты от коронавирусов и вируса гриппа. Для этого ученые использовали три разных корнавируса (SARS-CoV, SARS-CoV-2, SCH014) и штамм H1N1 вируса гриппа. Мышей заражали интраназально, а затем наблюдали клиническую динамику заболевших мышей, их вирусную нагрузку, биохимические показатели, изменения в тканях органов дыхания.
Также ученые проверяли длительность сформированной иммунной защиты. Для этого эксперимент проводился в три разных периода после последней вакцинации: спустя 21 день, 42 дня, 3 месяца.
Вакцинированные мыши во всех случаях значительно лучше переносили заболевание, чем мыши из контрольной группы:
- меньше теряли вес;
- вирусная нагрузка была сниженной по результатам ПЦР-анализов;
- менее выраженным было повреждение легких;
- ниже уровень воспаления легких.
В следующем эксперименте ученые заражали мышей бактериальными инфекциями. Для этого были использованы золотистый стафилококк, пневмококк и бактерии a. baumannii. Причем a. baumannii – бактерии, вызывающие множество внутрибольничных инфекций: менингит, пневмонию, заражение ран, инфекции крови и урологические инфекции.
Сначала ученые использовали интраназальную бактериальную инфекцию для заражения мышей. Результат оказался схожим с предыдущим экспериментом – у вакцинированных мышей были ниже: потеря веса, повреждение легких и бактериальная нагрузка в легких.
Затем ученые проверили влияние интраназальной вакцинации на развитие бактериальной инфекции при внутривенном заражении золотистым стафилококком. И этом случае вакцинированные мыши легче переносили заболевание – повреждение почек было слабее, а бактериальная нагрузка в почках – ниже.
В следующем эксперименте ученые проверили гипотезу о влиянии универсальной вакцины на аллергию, вызванную гиперчувствительностью. Логика построения гипотезы описывается следующим образом:
- Универсальная вакцина разработана на основе белков толл-подобных рецептов TLR4 и TLR7.
- Активация TLR4 и TLR7 запускает врожденный иммунный ответ и приводит к выработке цитокинов, которые могут способствовать формированию Th1-ответа адаптивного иммунитета.
- Аллергические реакции гиперчувствительности связаны с преобладанием Th2-ответа и повышенной выработкой его цитокинов.
- Между Th1 и Th2 существует взаимная регуляция: усиление одного ответа может подавлять другой.
- Таким образом, универсальная вакцина потенциально способна снизить уровень Th2, и, тем самым, подавить аллергическую реакцию.
Для проверки этой гипотезы ученые вызывали у мышей астму, используя клещей домашней пыли. Этот вид астмы является типичным представителем аллергического расстройства гиперчувствительности. Оказалось, что иммунизация эффективно смягчает аллергическую астму – в легких вакцинированных мышей наблюдалось значительно меньше гиперсекреции слизи. Причем биохимический анализ показал пониженный уровень Th2 и снижение других маркеров аллергической астмы.
В финальной серии экспериментов ученые выявили механизмы, с помощью которых универсальная вакцина формирует взаимодействие между врожденной и адаптивной иммунными системами для стимуляции комплексного иммунного ответа в органах дыхания.
Сначала ученые проанализировали клеточные изменения в иммунном ландшафте легких после иммунизации. Оказалось, что в бронхах накапливаются долгоживущие клетки как врожденного, так и адаптивного иммунитета. Срок жизни этих клеток превышал 3 месяца. Затем ученые исследовали геномы этих иммунных клеток, а также эпителиальных клеток легких. Была обнаружена повышенная активация генов, отвечающих за:
- обнаружение чужеродных частиц в клетках антиген-презентации;
- защиту от чужеродных патогенов в эпителиальных клетках;
- уничтожение чужеродных белков в фагоцитарных клетках.
Также ученые обнаружили усиленный обмен сигнальными белками между клетками врожденного иммунитета, адаптивного иммунитета и эпителиальными клетками бронхов.
В заключительном эксперименте ученые наблюдали работу комплексного иммунитета во время развития инфекции у вакцинированных мышей. В первые часы после инфицирования происходило раннее привлечение иммунных клеток в область бронхов. Затем из этих иммунных клеток формировались зоны с большой их концентрацией. Причем структура зон была схожей со структурой лимфатических узлов. В результате уже на третий день после заражения в области легких вырабатывались антитела IgG. Эти иммунные реакции происходили одновременно со снижением уровней провоспалительных белков, которые являются причиной цитокинового шторма.
В контрольной группе мышей не происходило подобной кластеризации иммунных клеток. Ученые сделали вывод, что универсальная вакцина создает в легких иммунную микросреду, которая способствует быстрой выработке антител, координации силы иммунных ответов и ограничивает повреждение тканей.
Вывод
Универсальная вакцина при интраназальном введении создает длительную защиту, не зависящую от типа патогена. Механизм основан на формировании в тканях структур, подобных лимфатическим узлам, которые ускоряют выработку антител. Ученые предполагают, что эта вакцина может быть использована на ранних стадиях развития пандемии – до появления вакцин, соответствующих штамму патогена.
Источник
Mucosal vaccination in mice provides protection from diverse respiratory threats
