Szczepionki

Agnieszka WyszyńskaZakład Genetyki Bakterii

Instytut MikrobiologiiWydział BiologiiWydział Biologii

Uniwersytet Warszawski

Ospa prawdziwa była z nami bardzo długo…p p y g

http://www who int/http://www.who.int/

Variola virus (dsDNA; rodzina Poxviridae)

XI wiek – wariolizacja(od variola vera – ospa prawdziwa)(od variola vera ospa prawdziwa)Jak zwalczano ospę: lady Mary Wortley Montaguźródło: www.wikipedia.org

Edward Jenner źródło: ww.historyofvaccines.org1796 - Edward Jenner –szczepienia wirusem ospy bydlęcej

Eradykacja ospy prawdziwej:

1966

1979

19801980

Wakcynologia

Nauka zajmująca się badaniem szczepionek ochronnychi ich wpływem na odporność indywidualnąi ich wpływem na odporność indywidualnąi populacyjną

Wakcynologia osiągnięciaWakcynologia - osiągnięcia• jedyna tak skuteczna i korzystna pod względem finansowym interwencja medyczna• radykalne zmniejszenie zachorowalności na osiem y jgroźnych chorób zakaźnych• wprowadzenie narodowych programów immunizacjiwprowadzenie narodowych programów immunizacji• zapobieganie śmierci co najmniej 12 milionów ludzi rocznie na całym świecierocznie na całym świecie

AleAle…

• choroby zakaźne są nadal najczęstsząy ą j ę ąprzyczyną zgonów na świecie (30%)

i i i th• emerging i re‐emerging pathogens

• brak skutecznych szczepionek (HIV, malaria, gruźlica)

• szczepionki nie gwarantujące pełnej• szczepionki nie gwarantujące pełnej odporności (gruźlica, koklusz)

• narastająca oporność na antybiotyki

Szczepionka ‐ to produkt pochodzenia biologicznego zawierający substancje zdolne do wywołania takich procesów immunologicznych, które prowadzą do powstania trwałej odporności przeciwko określonej chorobie zakaźnej

Przypadek pomaga dobrze przygotowanym umysłom

Szczepionki zawierająceżywe atenuowane mikroorganizmy

• bardziej immunogenne ‐ wynik dłuższej obecności w• bardziej immunogenne ‐ wynik dłuższej obecności w organizmie oraz ekspozycji układu odpornościowego na większą liczbę antygenówę ą ę yg• kiedyś atenuacja niezdefiniowana, dziś konstruowane są szczepy o pożądanych właściwościach na drodze inżynierii genetycznej (konieczność uniknięcia rewersji

do fenotypu dzikiego)kł d k l ( b )• przykłady: szczepionki przeciw polio (Sabin), grypie, śwince, różyczce, odrze (MMR)

Szczepionki zawierające zabite mikroorganizmy

• inaktywacja za pomocą czynników chemicznych lub fizycznych• inaktywacja za pomocą czynników chemicznych lub fizycznych• antygeny prezentowane przez kompleksy z cząsteczkami MHCklasy IIklasy II• wymagają podania kilku dawek do osiągnięcia odpowiedzi immunologicznej oraz dawek przypominających co kilka latimmunologicznej oraz dawek przypominających co kilka lat• wymagają obecności adiuwantów• wysoka reaktogennośćwysoka reaktogenność• przykłady: szczepionki przeciw polio (Salk), grypie, wściekliźnie, cholerze

Szczepionki podjednostkowep p j• zawierają oczyszczony składnik komórki patogenu (polisacharydy, toksoid, rekombinowane białko, (p y y, , ,

syntetyczne peptydy, DNA)• bezpieczne, ale słabo immunogennep g• użycie rekombinowanego białka:‐ nie ma konieczności hodowania patogenap g‐ konieczność wyboru odpowiedniego antygenu‐ wybór drogi podania antygenuy g p yg‐ wybór adiuwantu• przykłady: szczepionki przeciwko błonicy, tężcowi,przykłady: szczepionki przeciwko błonicy, tężcowi, krztuścowi, wirusowizapalenia wątroby typu B

Sipuleucel‐T – pierwsza zarejestrowana w 2010 r szczepionka terapeutyczna przeciwko nowotworowi prostatyAntygen: kwaśna fosfataza gruczołu krokowego w fuzji z czynnikiem stymulującym tworzenie kolonii granulocytów i makrofagów (ang. GM‐CSF)

szczepionki eraszczepionki ‐ era“pogenomowa”p g

Wymagania wobec szczepionekWymagania wobec szczepionek• Maksymalne bezpieczeństwoMaksymalne bezpieczeństwo• Maksymalna skuteczność ‐ zdolność stymulowania specyficznych mechanizmówstymulowania specyficznych mechanizmów odporności po jednorazowym podaniu• Zdolność stymulowania wieloletniej pamięci y j p ęimmunologicznej• Powszechna dostępnośćęp• Wysoka trwałość• Łatwość podaniaŁatwość podania • Niska cena

• 1995 poznano pełną sekwencję nukleotydową• 1995 – poznano pełną sekwencję nukleotydową genomu Haemophilus influenzae (The Institute for Genomic Research ‐ TIGR))• 2013 – znanych 6852 bakteryjnych genomów, 18677 w przygotowaniu (GOLD Genomes OnLinep yg (database; http://www.genomesonline.org/)• 2013 ‐ dostępne sekwencje przynajmniej jednego genomu każdego ważniejszego ludzkiego patogenaó k” k k k• Rozwój „omik” – transkryptomika, proteomika, antygenomika, wakcynomika

ReversevaccinologySposób identyfikacji antygenówSposób identyfikacji antygenów Szczepionkowych z wykorzystaniem osiągnięć genomiki (technologia od genu do antygenu)

Pan-genome Reverse Vaccinology• Pan‐genom ‐ pula genów danego gatunku• Pan‐genom tworzą:core genes ‐ obecne we wszystkich szczepach danego gatunku; di bl k ó i i b d dldispensable genes ‐ geny, które nie są niezbędne dla przeżycia danego gatunku i nie występują we wszystkich szczepachunique genes geny specyficzne dla danego szczepuunique genes ‐ geny specyficzne dla danego szczepuComparative Reverse VaccinologyP ó i k ji ik i• Porównanie sekwencji genomu mikroorganizmu patogennego i niepatogennego

Serruto, Vaccine 27 (2009) 3245–3250

Reverse vaccinology• Pozwala przezwyciężyć ewentualne trudności

Reverse vaccinology

związane z hodowlą patogena w warunkach laboratoryjnych • Nieprzydatna do identyfikacji antygenów nie będących białkami (np. polisacharydów)ę ą y ( p p y )

Szczepionka przeciwko Neisseria meningitidisSzczepionka przeciwko Neisseria meningitidis

N i i i i idiNeisseria meningitidis:• gramujemna dwoinka • wywołuje ciężkie zakażenia inwazyjne: zapalenie opon mózgowo – rdzeniowych i posocznica, k śl ł i j k i j h b określane łącznie jako inwazyjna choroba

meningokokowa (ICM)(500 000 zachorowań rocznie 10% przypadków kończy się śmiercią (50 000) u(500 000 zachorowań rocznie, 10% przypadków kończy się śmiercią (50 000), u 20% ozdrowieńców pozostają ślady po infekcji)• wyróżniono 13 grup serologicznych, z których A,

B, C, Y i W135 odpowiadają za prawie wszystkie (95%) przypadki zachorowań

Rodzaje szczepionek przeciwkoNeisseria meningitidisDostępne preparaty szczepionkowe zapobiegająDostępne preparaty szczepionkowe zapobiegają infekcjom powodowanym przez 4 z 5 grup serologicznych: A C Y oraz W-135:serologicznych: A, C, Y oraz W-135:

Szczepionki polisacharydowe nieskoniugowane(przeciwko serogrupom A, C, Y, W‐135)Szczepionki skoniugowane z anatoksyną tężcową p g y ą ę ąlub toksyną błonicząCRM197 (przeciwkoCRM197 (przeciwkogrupie serologicznej C)

Próby opracowania szczepionki przeciwko serotypowi B N. meningitidisMateriał otoczkowy N meningitidis grupy B:Materiał otoczkowy N. meningitidis grupy B:‐ niska immunogennośćkwasy polisjalowe α(2 8) otoczek bakteryjnych‐ kwasy polisjalowe α(2→8) otoczek bakteryjnych występują także w błonie ludzkich komórek nerwowych (PSA-NCAM, neural cell adhesion molecule)nerwowych (PSA NCAM, neural cell adhesion molecule)Białka błony zewnętrznej N. meningitidis charakteryzuje

ki i i ś i i i ł hwysoki poziom zmienności ‐ nie zapewniały ochrony przed heterologicznymi szczepamiDługo nie było skutecznej procedury uodparniania przeciwko meningokokom grupy B, odpowiedzialnym za większość przypadków zachorowań w Stanach Zjednoczonych iprzypadków zachorowań w Stanach Zjednoczonych i Europie – zawiodły konwencjonalne metody

Szczepionka Szczepionka przeciwko

t i Bserotypowi BN. meningitidisg

/reversevaccinology/gy/

Szczepionka przeciwko Szczepionka przeciwko serotypowi B N. meningitidis

• W ciągu 18 miesięcy zidentyfikowano więcej potencjalnych antygenów szczepionkowych aniżeli p j y yg p yprzez ostatnie 40 lat• Szczepionka przeszła pomyślnie III etap badańSzczepionka przeszła pomyślnie III etap badań klinicznych (Novartis Vaccines)• Bexsero został dopuszczony do użycia w Europie• Bexsero został dopuszczony do użycia w Europie w styczniu 2013 (pozytywna opinia Committee for(pozytywna opinia Committee for

Medicinal Products for Human Use)

Antygeny szczepionkowe BexseroAntygeny szczepionkowe – Bexsero

• GNA1994 (NadA - Neisseria Adhesin A)‐ adhezyna z rodziny Oca (oligomeric coiled‐coli adhesins) biorąca udział w wiązaniu do komórek nabłonkowych człowieka ‐ rozpowszechnienie ocenia się na ok. 50% (zawsze jednak obecna w hiper‐wirulentnych kompleksach klonalnych ET5, ET37 i A4)• GNA1870 (fHBP białko wiążące czynnik H)• GNA1870 (fHBP, białko wiążące czynnik H)‐ 26.9 kDa lipoproteina eksponowana na powierzchni komórekbiałko obecne w trzech wariantach‐ białko obecne w trzech wariantach• GNA2132 (Neisserial Heparin Binding Antigen, NHBA) lipoproteina eksponowana na powierzchni komórek‐ lipoproteina eksponowana na powierzchni komórek• GNA2091 i GNA1030 – w niektórych próbach indukowały odpowiedź ochronną, posłużyły do stworzenia fuzjiodpowiedź ochronną, posłużyły do stworzenia fuzji

Szczepionka przeciwko serotypowi B N. meningitidis - skład‐ białko fuzyjne GNA2132 ‐ GNA1030białko fuzyjne GNA2132 GNA1030‐ białko NadA (GNA1994) ‐ białko fuzyjne GNA1870 ‐ GNA2091‐ białko fuzyjne GNA1870 ‐ GNA2091‐ pęcherzyki błony zewnętrznej (OMV) ze szczepu NZ98/254 (zawierają okołoze szczepu NZ98/254 (zawierają około140 białek, zarówno peryplazmatycznychjak i cytoplazmatycznych, dominują białka PorA, PorB, RmpM (reductionmodifilable protein), OpcA (inwazyna), TpbA/B FetA FrpB (iron regulatedTpbA/B, FetA, FrpB (iron‐regulatedprotein)

D b t l iDobrze tolerowana, immunogennaEfekty uboczne: głównie lokalny odczyn poszczepienny, ból w miejscy iniekcji, tkliwość, gorączka

Pan genome reverse vaccinologyPan-genome reverse vaccinology

St t l ti ( l i B GBS)Streptococcus agalactiae (grupa serologiczna B; GBS)• gramdodatni β‐hemolizujący paciorkowiec• Może wywołać zapalenie płuc prowadzące do ostrejMoże wywołać zapalenie płuc, prowadzące do ostrej niewydolności oddechowej, zapalenie opon mózgowych oraz być przyczyną sepsyNi kl ź dl d h d i i• Niezwykle groźny dla nowo narodzonych dzieci• W Europie i USA choroby wywołują głównie serotypy: Ia, Ib, II, III and V (wyróżnia się 9 serotypów)Ib, II, III and V (wyróżnia się 9 serotypów)• Porównawcza hybrydyzacja genomowa (CGH,

Comparative Genomic Hybridization) różnych klinicznych i l tó GBS k j d ż óż i iizolatów GBS wskazuje na duże zróżnicowanie

Pan genome reverse vaccinologyPan-genome reverse vaccinology

S l i ( l i B GBS)Streptococcus agalactiae (grupa serologiczna B; GBS)• Porównano sekwencje ośmiu genomów należących do óż h t ó ( di bl )różnych serotypów (pan‐genom=core + dispensable)• Przeszukano geny obu grup pod kątem tych kodujących białka powierzchniowe (396 pochodziło z grupy corebiałka powierzchniowe (396 pochodziło z grupy coregenes, 193 – dispensable genes)• Zidentyfikowano 4 antygeny: tylko białko Sip należy do• Zidentyfikowano 4 antygeny: tylko białko Sip należy do core genes i było wcześniej znane, dwa z tych nowo odkrytych antygenów uczestniczą w tworzeniuodkrytych antygenów uczestniczą w tworzeniu struktur podobnych do pili na powierzchni komórek bakteryjnych

Pan genome reverse vaccinologyPan-genome reverse vaccinology

Streptococcus pneumoniae(dwoinka zapalenia płuc, pnemokok)(dwoinka zapalenia płuc, pnemokok)• gramdodatni paciorkowiec alfa‐hemolizujący• przyczyna zapalenia opon mózgowo‐rdzeniowychprzyczyna zapalenia opon mózgowo rdzeniowych u małych dzieci oraz zapalenia płuc u osób z osłabioną odpornościąosłabioną odpornością• narastające zjawisko oporności na antybiotykik l h d h k• szczepionka z polisacharydowych otoczek 13 serotypów (1, 3, 4, 5, 6A, 6B, 7F, 9V, 14, 18C, 19A, 19F 23F) P 13 f W h L d l19F i 23F) ‐ Prevenar 13 firmy Wyeth Lederle

Pan genome reverse vaccinologyStreptococcus pneumoniae (dwoinka zapalenia płuc, pnemokok)k ś l ( l )

Pan-genome reverse vaccinology

• wysepka patogenności rlrA (pili 1, PI‐1) zawierająca geny kodujące białka RrgA, RrgB and RrgCili 1 (PI 1) ż i k l i ji• pili 1 (PI‐1) ważne w procesie kolonizacji• wysepka rlrA występuje w genomach 30% szczepów

S pneumoniae i w genomach 50% szczepów opornych naS. pneumoniae i w genomach 50% szczepów opornych na antybiotyki• wyspa patogenności 2 (pilus 2 PI‐2) ‐ obecna w genomach 16%wyspa patogenności 2 (pilus 2, PI 2) obecna w genomach 16% szczepów S. pneumoniae• pilus 2 jest zaangażowany w adhezję p us jest aa ga o a y ad e ję

S. pneumoniae do pęcherzyków płucnych• kombinacja tych dwóch antygenów zapewniaj y yg pochronę przeciwko 49–66% pneumokokowychizolatów

Serruto, FEBS Letters 580 (2006) 2985–2992

Antygen fHbp Neisseria meningitidisprzykład zastosowania strukturalnej i systemowej wakcynologiiprzykład zastosowania strukturalnej i systemowej wakcynologii

Delany et al. Cold Spring Harb Perspect Med 2013;3:a012476

Strukturalna wakcynologia– Neisseria meningitidis -

Antygen fHbp Neisseria meningitidisprzykład zastosowania strukturalnej i systemowej wakcynologiiprzykład zastosowania strukturalnej i systemowej wakcynologii

Delany et al. Cold Spring Harb Perspect Med 2013;3:a012476

WakcynomikaWakcynomika

Nauka badająca wpływ polimorfizmów genów związanych z odpowiedzią immunologiczną

na rodzaj powstającej odpowiedzi na rodzaj powstającej odpowiedzi (humoralnej, komórkowej, wrodzonej) po

podaniu szczepionki (zarówno na poziomie l j j k i i d id l )populacyjnym jak i indywidualnym)

Poland et al. 2008

Poland, G.A. et al. Identification of an association between HLA class II ll l d l tib d l l ft l i i ti V ialleles and low antibody levels after measles immunizations. Vaccine

2001;20(34):430-8

Wang, C. et al. HLA and cytokine gene polymorphisms are independently associated with responses to hepatitis B vaccination Hepatology 2004associated with responses to hepatitis B vaccination. Hepatology 2004; 39(4): 978-88

Zmiana paradygmatuZmiana paradygmatu

Z ł ż i l ż d t b d jś iZałożenia leżące u podstaw obecnego podejścia:‐ każdy reaguje w identyczny sposób po podaniu szczepionkij ś j d k ż i i i‐ wszyscy jesteśmy jednakowo zagrożeni wystąpieniem choroby, przeciwko której się szczepimy‐ wielkość i liczba dawek potrzebna do wywołania p yodpowiedzi immunologicznej jest identyczna w całej populacjiwymiar populacyjny (powszechne, tanie, skuteczne)

Rola spersonalizowanych szczepionekRola spersonalizowanych szczepionek‐ redukcja ryzyka wystąpienia efektów ubocznych‐ zwiększenie efektywności szczepienia‐ zwiększenie efektywności szczepienia‐ ograniczenie rozmiarów grup do badań g g pklinicznych‐ redukcja kosztów