Пандемия коронавируса всколыхнула научное сообщество. Все новые и новые научные статьи и пресс-релизы из разных уголков планеты выходят ежедневно, и достаточно сложно быть в курсе актуальных тенденций в сфере изучения биологии коронавирусов, разработке тест-систем и вакцин против COVID-19. Поэтому бывает полезно читать краткие научно-популярные обзоры людей, пристально следящих за тем, что происходит в этой области.
Наш сегодняшний материал — адаптированный перевод поста Дерека Лоу (Derek Lowe), медицинского химика с огромным опытом, ведущего блог In the Pipeline («В разработке»).

Пришло время еще раз поговорить о вакцинах против коронавируса, поскольку появились новости на этом фронте. От компаний GSK и Sanofi, двух наиболее опытных и крупных организаций в этой области, пришло известие о сотрудничестве в разработке вакцины. Sanofi готова предоставить спайк-белок (белок «шипа» коронавируса), а GSK — адъювант (подробнее об этом ниже). В пресс-релизе говорится, что уже в конце этого года они планируют провести испытания вакцины на людях, а во второй половине 2021 года подготовить все необходимые регуляторные документы для одобрения препарата. Со своей стороны, компания Pfizer объявила, что они ускоряют совместные с BioNTech разработки и, возможно, начнут испытания вакцины на людях уже в августе. В таком случае сроки возможного одобрения их продукта будут аналогичными.

«Но это только в следующем году!» — такова реакция многих, кто надеется на вакцину как можно скорее, и их можно понять. Это будет абсолютно беспрецедентная скорость разработки, намного превышающая нынешний рекорд, установленный вакциной против вируса Эбола, на которую ушло около пяти лет. Стандартные же сроки разработки продукта такого рода — десять лет и более. Не забывайте об этом, глядя на еще одну новость от Johnson&Johnson. Они представили еще более агрессивный график разработки собственной вакцины. Объявив, что у них есть кандидатный продукт, они запланировали первые испытания на людях в сентябре. Данные получат к декабрю, а в январе 2021 года первые партии вакцины будут готовы для подачи на получение разрешения на экстренное использование (Emergency Use Authorization, EUA — специальный регуляторный путь на случай экстренных ситуаций) в FDA. Это — заявка на мировой рекорд как в научном, так и в регуляторном плане.

Итак, давайте поговорим о разработке вакцин, ведь для реализации таких планов все должно сработать идеально. Вот ссылка на хороший обзор вакцин против коронавируса, опубликованный в Nature Reviews Drug Discovery [1]. На сайте ВОЗ размещен официальный список вакцин, а BioCentury постоянно обновляет в открытом доступе сводки о вакцинах и других методах лечения, которые находятся в клинических или доклинических исследованиях. Только что они опубликовали превосходный обзор о вакцинах, который я рекомендую прочитать после моего поста.

Обзор в Nature Reviews Drug Discovery упоминает 115 (!) программ вакцинации, из которых по 37 нет никакой дополнительной информации, а 78, безусловно, реальны. Из этих 78 пять уже вошли в клинические исследования, и число их будет быстро расти. Это вакцина mRNA1273 от компании Moderna, которая, как следует из названия, является мРНК-вакциной, и INO4800 от компании Inovio, представляющая собой ДНК-плазмиду. Также есть две клеточные вакцины из Шэньчжэньского геноиммунного медицинского института: LV-SMENP-DC, вакцина из дендритных клеток, модифицированных лентивирусными векторами для экспрессии вирусных белков, и вакцина из искусственных антигенпрезентирующих клеток (aАРС). И, наконец, есть более традиционная рекомбинантная белковая вакцина Ad5-nCoV от компании CanSino.

Давайте рассмотрим, что всё это значит. Как видно из приведенного перечня, подходы к созданию вакцины весьма разнообразны, и это еще не весь спектр. Если обратиться к доклиническим кандидатам, мы увидим также вирусоподобные частицы, вирусные векторы (как реплицирующиеся, так и не реплицирующиеся), живые аттенуированные вирусы, инактивированные вирусы и многое другое. Мы видим, что существует множество способов вызвать иммунный ответ. Каковы же различия между ними?

Типы вакцин

О том, какие бывают вакцины и как они создаются, читайте в статье «Разработка вакцин: чем и как имитировать болезнь» [2].

Начнем с вакцин на основе живого аттенуированного вируса (хотя, конечно, с таким названием можно поспорить, следует ли вообще использовать слово «живой», когда мы говорим о вирусах). В любом случае, речь идет о настоящем инфекционном вирусе, который не вызывает у вас болезни, но формирует иммунитет к вирусу дикого типа. К этому типу относятся вакцины против оспы, ветряной оспы, ротавируса и кори—краснухи—паротита . Наиболее эффективные вакцины в основном относятся именно к этому типу. Дело в том, что иммунная защита при их применении включается быстрее и более полно, поэтому такие вакцины обеспечивают более долговременную защиту, а повторных инъекций требуется меньше. Однако разработка такой вакцины — сложная задача. Важно ослабить вирус настолько, чтобы он еще вызывал формирование эффективного иммунитета к инфекции, но уже не отправлял человека на больничную койку. Многие вирусы в процессе своего сосуществования с организмом хозяина становятся менее опасны, и идея при разработке такого типа вакцин заключается в том, чтобы ускорить этот процесс в лабораторных условиях, снова и снова заражая вирусом клетки человека и позволяя ему мутировать [3]. В идеале, нужен штамм, который прошел чрезвычайно длительный путь от того момента, как он стал вирулентным.

Каждой из этих болезней в рамках нашего спецпроекта «Вакцинация» посвящена отдельная статья: «Корь: война с детской чумой продолжается» [4], «Эпидемический паротит, он же свинка — опасная болезнь с забавным названием» [5] и «Дети Грегга: долгая история победы над краснухой» [6]. — Ред.

Следующий класс — вакцины на основе инактивированных вирусов. В этом случае вирусы, даже если вы считаете их живыми существами (я — нет), мертвы. Раньше вирусный препарат для этого нагревали, теперь же это чаще всего делается при помощи дезинфицирующих средств, вызывающих денатурацию вируса, таких как формалин или бета-пропиолактон. Эти вещества изменяют белки вируса так, что вирус уже не может заражать клетки, но не настолько сильно, чтобы они не вызывали иммунный ответ. Это сродни искусству; такую инактивацию необходимо провести и испытать несколько раз, чтобы получить воспроизводимый иммунный ответ и воспроизводимый способ производства неактивного вируса. Как вы понимаете, введение такого инактивированного вируса часто не столь эффективно, как описанный выше подход с живыми ослабленными вирусами, которые заставляют клетки человека самостоятельно производить вирусные белки. Приходится прибегать к старой доброй схеме повторной вакцинации (праймирование и дальнейшее бустирование). К этому типу относятся, например, вакцины против гепатита А и сезонного гриппа.

Еще один распространенный вид вакцины — субъединичная — это отдельный белок, фрагмент белка или субъединицы патогена (при некоторых бактериальных заболеваниях это может быть также токсин, вырабатываемый бактерией). Идея заключается в том, чтобы выбрать белок, который вызывает сильный иммунный ответ. Таким образом, существует множество потенциальных кандидатов на эту роль, и проработка каждого — самостоятельный процесс. Плюсом такого подхода является то, что выбранный белок можно производить рекомбинантно в больших количествах. Конечно, вместо белка можно взять гликопротеин или даже кусочек полисахарида из наружной оболочки патогена, поскольку они могут быть весьма характерными для конкретной бактерии. Самое сложное здесь — получить достаточный иммунный ответ, ведь такие фрагменты могут быть не столь эффективны для запуска выработки антител, как полноценный патоген. Поэтому, как правило, для успешной работы таких вакцин необходимы адъюванты (о них — ниже). Вакцины такого типа применяются против опоясывающего лишая, гепатита В, вируса папилломы человека, менингококка, сезонного гриппа и многих других патогенов.

Более новый подход — ДНК-вакцина. Это кольцевая ДНК-плазмида, кодирующая определенный белок-антиген, ген которого скомбинирован с сильными промоторными сигналами и стоп-сигналами на концах нуклеотидной последовательности. Идея в том, что такая плазмида может быть поглощена клетками, в которых она далее начинает транскрибироваться в РНК, а затем транслироваться в белок, запускающий иммунный ответ. Как и в случае с аттенуированным вирусом, антигенные белки производятся клеткой, поэтому они правильно свернуты и обладают необходимыми посттрансляционными модификациями, которые могут быть критичны для формирования против них иммунного ответа. Можно также взять известный вирус (далекий от патогена, против которого проводится вакцинация) и реорганизовать его ДНК, вставив в нее ген для производства нужного белка-антигена. В этом случае мы как бы возвращаемся к методике живого ослабленного вируса, но путем составления этого вируса из разных частей. Это очень похоже на генную терапию, которая также обычно использует вирусные векторы. На сегодняшний момент не существует человеческой вакцины, в которой используется какой-либо из вышеописанных методов получения ДНК-вакцины, однако для лошадей, например, такая вакцина против вируса Зика уже зарегистрирована. Некоторые препараты исследовались, однако получить достаточный иммунный ответ на них не удалось. Другой сложный момент в разработке такого типа вакцин — стабильность ДНК-плазмиды как при хранении, так и после инъекции. На решение этой проблемы были потрачены значительные деньги при разработке методов генной терапии, и с годами ситуация улучшилась. В целом, однако, я бы сказал, что ДНК-вакцина против SARS-CoV-2 стала бы настоящим прорывом в этой области.

Аналогично дела обстоят и с мРНК-вакцинами [7]. Концептуально они похожи на ДНК-вакцины, однако вы сразу перескакиваете к этапу мРНК. Я немного писал об этом в посте про CureVac — иммуногенность такого рода препаратов была отмечена как неожиданный побочный эффект в экспериментах, где животным вводили мРНК, и исследователям пришло в голову использовать это свойство для создания вакцин. Как и в случае ДНК-вакцин, на мРНК-вакцину можно получить два вида иммунного ответа: клетки врожденного иммунитета могут распознать последовательность чужеродных нуклеиновых кислот, плавающих вокруг, как признак инфекции, а клетки адаптивного иммунитета выработать к полученным после трансляции мРНК белкам антитела. Одна из задач при таком подходе — ослабить врожденный иммунный ответ и усилить адаптивный, обеспечивающий длительную защиту, которую мы хотим получить при вакцинации. На днях появилась информация о выздоравливающем от COVID-19 молодом пациенте, который в ходе болезни, по-видимому, не выработал антитела против вируса. Это пример подобного рода проблемы: сильный врожденный иммунный ответ может победить вирус, но не дать пациенту выработать долговременный иммунитет против него.

мРНК-вакцины имеют несколько потенциальных преимуществ перед ДНК-вакцинами, а, возможно, и перед всеми описанными типами вакцин. мРНК — это самая простая конструкция из тех, которую можно себе представить, так что при ее использовании нет проблем с иммунным ответом на вектор, который часто препятствует повторному введению других вакцин. Кроме того, мРНК не может интегрироваться в геном клетки организма. На протяжении многих лет большой проблемой с мРНК-вакцинами была стабильность мРНК: ей нужно не деградировать после введения, а эффективно проникать в клетки и транслироваться в белок. На данный момент многие из этих вопросов практически решены путем внесения изменений в саму последовательность РНК и в формуляцию (рецептуру) раствора, в виде которого она находится перед введением. Правда, ДНК-вакцины существуют дольше мРНК-вакцин, но, как уже говорилось, всё еще не дошли до применения у человека. Превзойдут ли их мРНК-вакцины или нас ждет разочарование? В условиях пандемии коронавируса мы выясним это быстрее, чем планировали.

Адъюванты

Есть еще одна ключевая методика вакцинации, которая применима ко всем вышеописанным методам, — использование адъювантов [8]. Очевидно, что основная вещь, которую мы хотим получить при вакцинации, — это устойчивый длительный иммунный ответ, и оказалось, что различные добавки могут способствовать его появлению, играя на равновесии между врожденным и адаптивным иммунными ответами, упомянутыми выше. Идея состоит в том, чтобы получить оптимальный переход от врожденных механизмов иммунитета к адаптивным, а именно к выработке антител. Для быстрого ознакомления с принципами работы иммунной системы можно прочитать этот пост, хотя, конечно, существует много материалов по этому вопросу . Ключевой процесс в данном случае — взаимодействие антигенпрезентирующих клеток и хелперных Т-клеток.

В обзоре «Иммунитет: борьба с чужими и своими» [9] рассказано об основных принципах работы иммунной системы и клетках, ее составляющих. — Ред.

Изучение адъювантов началось с того, что в 20-х годах прошлого века французский ветеринар Гастон Рамон заметил, что при инъекциях лошадям и дальнейшем заборе от них плазмы крови выход антител был выше у животных с развившейся сильной воспалительной реакцией в месте инъекции. Он начал экспериментировать с добавками, вызывающими местную реакцию, включая такое вещество, как тапиока (крахмал из клубней маниока). В то же время британский иммунолог Александр Гленни разрабатывал вакцины против дифтерии и заметил, что те, которые содержали соли алюминия, были гораздо более эффективными. Никто не знал подробностей этих процессов, но и почти столетие спустя соли алюминия всё еще чрезвычайно распространены в производстве вакцин. Чуть больше мы узнали в 90-х годах XX века, когда впервые за многие десятилетия появились новые адъюванты. Так, вакцина GSK против опоясывающего лишая содержит липопротеины, выделенные из бактерий сальмонелл, а также терпеновые гликозиды из чилийского мыльного дерева — такое сочетание оказалось наиболее мощным. Я могу вам сказать, что реакция на них в месте инъекции, особенно после второго введения, выглядит впечатляюще! Опыт GSK в этой области — это то, что они привносят в сотрудничество с Sanofi, упомянутое в начале статьи.

Разработка вакцин против COVID-19: эффективность

Теперь вернемся к общей картине разработки вакцины против коронавируса. Основной вопрос в том, какой из возможных методов наиболее эффективен и безопасен. Это мы узнаем только после тестирования каждого из вариантов на людях. На множестве людей. С терапиями, нацеленными на иммунную систему, нет другого способа это узнать из-за сложности иммунного ответа человека и его широкой вариации в человеческой популяции. Чтобы ускорить процесс, потребуется огромное количество усилий, и некоторые из шагов должны быть выполнены в таком масштабе, который никогда прежде не предпринимался. Еще один момент, который нельзя игнорировать: если мы хотим, чтобы это было сделано так быстро, как хотелось бы, то должны быть предприняты попытки сокращения пути разработки и тестирования.

В связи с этим, одна из причин такого быстрого старта вакцины Moderna заключается не только в том, что разработка мРНК-вакцины может быть по своей природе более быстрой, но и в том, что шаг тестирования ее на животных был полностью пропущен. Отчасти это сделали из-за того, что до сих пор неясно, какая модель животного была бы наиболее информативной. В более раннем посте мы говорили о том, что вирусы SARS и nCoV-19 действительно показывают различия в лабораторных тестах, и мы можем ожидать, что эти различия распространятся и на животные модели. Один из подходов в тестировании на животных заключается в том, чтобы разводить линию лабораторных животных (например, мышей или хомяков) с человеческой формой белка ACE2, который, по-видимому, имеет решающее значение для проникновения вируса. Это может быть полезно, однако будет ли такая животная модель создана действительно вовремя, чтобы помочь при разработке вакцин? Я думаю, некоторые другие кандидатные вакцины пойдут тем же путем, что и Moderna, и полностью пропустят стадию тестирования эффективности на животных. Поверьте мне, это (и не только это) существенно сократит путь тестирования.

К счастью, тестирование эффективности вакцины может быть довольно простым, и оно включает в себя многие вопросы, возникающие и при тестировании антител, такие как:

  • Развивается ли у вакцинированного пациента антительный иммунный ответ?
  • Насколько много антител образуется?
  • Правильного ли они типа, чтобы нейтрализовать вирус?
  • Как долго продолжается этот иммунный ответ?

Ответы на первые три вопроса требуют проведения огромной работы прямо сейчас, но я не сомневаюсь, что они будут найдены. Необходимо понять, по каким конечным точкам мы будем измерять эффективность, чтобы быть уверенными, что они удовлетворят регулирующие органы.

Существует обзор 2016 года о процессе разработки стандартной новой профилактической вакцины [10]. Взгляните на длинную, детальную, перекрывающуюся и взаимосвязанную систему клинических испытаний , которые такие вакцины проходили в прошлом, и подумайте, что мы не сможем сделать всё это, если хотим получить вакцину в сроки, указанные в начале поста. В идеале, хотелось бы изучить вопросы эффективности в исследованиях второй фазы у разных групп (возраст, пол, сопутствующее состояние здоровья и набор принимаемых лекарств) с различными графиками дозирования, и тщательно подобрать эти параметры для запуска третьей фазы испытаний. Запустив множество одновременных испытаний вместо последовательных, мы сможем охватить какую-то часть этих проблем, но отнюдь не все. Сейчас разрабатывают по меньшей мере 78 таких препаратов; с каждым шагом их будет все меньше (до поздних стадий доберутся единицы), но организовать подобные исследования будет все еще очень непросто.

О том, как проводят стандартные клинические исследования, читайте в статьях спецпроекта «Клинические исследования». — Ред.

Некоторые же вещи не могут быть ускорены никакими способами, известными человечеству. Вопрос о длительности иммунитета является важным как для людей, естественно инфицированных SARS-CoV-2, так и для тех, кто получит вакцину. К сожалению, нет другого способа ответить на этот вопрос, кроме времени, которого в эти дни так не хватает. Существует множество примеров вакцин, защита после которых не держалась так долго, как ожидалось. Я предполагаю, что для начала мы можем получить вакцину первого раунда, защита которой будет длиться не так долго, как хотелось бы, но обеспечит достаточный иммунитет и, соответственно, время для сбора дополнительных данных об оптимизированной версии вакцины.

Разработка вакцин против COVID-19: безопасность

Все вышеописанное подводит нас ко второму вопросу, возникающему для любой новой терапии: безопасность и ее баланс с эффективностью. Это особенно сложный вопрос для любой терапии, нацеленной на иммунный ответ, поскольку сильная иммунная реакция может стоить пациенту жизни. Так, описан синдром Гийена—Барре: организм реагирует на антиген, появляющийся при вирусной инфекции или вакцинации, принимая миелиновые оболочки вокруг нервов также за враждебные белки и начиная их разрушать. При этом большинство людей выздоравливают, однако некоторые умирают. По приблизительным оценкам, даже вакцина против сезонного гриппа может убить примерно 1 на 10 миллионов человек, хотя понятно, что в случае отсутствия вакцинации умрет гораздо больше людей. Эпидемия свиного гриппа 1976 года показывает, что может произойти, если баланс будет рассчитан неправильно. Данной проблемы нельзя избежать полностью: огромные индивидуальные особенности иммунной системы каждого человека означают, что подобные серьезные события никогда не могут быть исключены, если вакцинировать много людей.

Разработка вакцин нацелена на то, чтобы ввести их миллионам, даже миллиардам людей, которые в настоящее время не больны, чтобы защитить их от болезней, не причиняя при этом больше вреда, чем сама болезнь. Я не сомневаюсь, что вовлеченные компании и регулирующие органы будут делать все возможное для решения вопросов безопасности, но вакцина, получающая EUA в начале следующего года, хм…

Разработка вакцин против COVID-19: логистика

Еще одна большая проблема — производство и распространение вакцины. Многие читатели слышали о трудностях, которые иногда возникают в процессе производства вакцины против гриппа, что приводит к ее дефициту. В зависимости от того, какая технология получения вакцин выходит на первое место, производство достаточного количества доз воспроизводимым способом может быть довольно сложной задачей. Кроме того, многие вакцины нуждаются в перевозке и хранении в холодных условиях, что также бывает трудно обеспечить. А что делать, если возможная вакцина требует более одной инъекции, что справедливо, например, для многих вакцин с адъювантами? Отслеживать это — еще одна проблема.

Я думаю, что масштабирование и производство вполне могут стать ахиллесовой пятой для срыва упомянутых ранее сроков обеспечения готовности вакцин, поэтому будут предприняты огромные усилия, чтобы сразу начать работу над этими проблемами. Вот почему, например, Билл Гейтс уже заранее заявил о готовности финансировать фабрики для производства до семи типов вакцин. Производство вакцин с живым, аттенуированным вирусом, рекомбинантным белком и нуклеиновыми кислотами обеспечивается совершенно разными методиками и формуляциями и, поскольку мы не знаем, какой вариант в итоге будет выбран, готовность к реализации производства любого из них может оказаться единственным способом решения этой проблемы. Компания Pfizer и другие уже заявили, что будут работать над налаживанием производства еще до того, как появятся данные об эффективности, что, разумеется, не является обычной практикой. Я думаю, что мы так или иначе получим эффективную вакцину против коронавируса, хотя она, конечно, не будет охарактеризована так тщательно, как обычно. Думаю также, что мы уже согласны пойти на компромисс в вопросах безопасности. Однако масштабирование производства вакцины может стать еще более серьезной проблемой, и по мере развития событий мы будем следить за неприятными сюрпризами в этом процессе.

То, чему мы сейчас свидетели — это беспрецедентный вызов, и, будем надеяться, мы никогда больше не увидим ничего подобного.

Источник: Биомалекула