Ученые создали вакцину, которую можно втирать в кожу как крем

Результаты исследований, проведенных учеными Стэнфордского университета на мышах, могут быть использованы в радикальном подходе к вакцинации без игл. Это также позволит исключить такие реакции, как лихорадка, отек и боль. Ученые обнаружили, что безвредная кожная бактерия вызывает мощный иммунный ответ. Изменив бактериальный белок, они превратили его в живую вакцину, обучая иммунную систему бороться с такими заболеваниями, как столбняк и дифтерия.

У мышей, которым вводили биоинженерную бактерию, сформировался сильный иммунитет, способный противостоять смертельным дозам токсина. Это открытие может произвести революцию в вакцинации людей, предполагая, что такой метод будет местным, безболезненным, без использования игл и высокоэффективным.

Теперь можно представить себе мир, в котором вакцинация так же проста, как нанесение крема на кожу — без игл, без боли и без неприятных побочных эффектов, таких как лихорадка, отек или болезненность. Никаких длинных очередей в клинике, и при этом она доступна.

Благодаря исследователям Стэнфордского университета это будущее может быть ближе, чем кажется. Используя распространенную кожную бактерию, которая есть почти у каждого, ученые изучают революционный подход к вакцинации.

«Мы все ненавидим иглы — все их ненавидят, — сказал Майкл Фишбах, доктор философии, профессор семьи Лю и профессор биоинженерии. — Я не нашел ни одного человека, которому не понравилась бы идея, что можно заменить укол кремом».

Человеческая кожа — суровая среда для большинства микробов, утверждает Фишбах. По его словам, она невероятно сухая, слишком соленая для большинства одноклеточных существ, и там не так много еды. «Я не могу себе представить, чтобы что-то захотело там жить», — добавил он.

Но несколько выносливых микробов считают ее своим домом. Среди них Staphylococcus epidermidis, в целом безвредный вид бактерий, колонизирующих кожу. «Эти микробы обитают в каждом волосяном фолликуле практически каждого человека на планете», — сказал Фишбах.

Он заявил, что иммунологи, возможно, пренебрегли бактериями, колонизирующими человеческую кожу, потому что они, по-видимому, не вносят большого вклада. «Мы просто предположили, что там не так уж много происходит», — отметил он.

Оказывается, это не так. В последние годы Фишбах и его коллеги обнаружили, что иммунная система вырабатывает гораздо более агрессивную реакцию против S. epidermidis, чем кто-либо ожидал. В исследовании, опубликованном в Nature, он и его коллеги сосредоточились на ключевом аспекте иммунного ответа — выработке антител.

По словам исследователей, эти специализированные белки могут прилипать к определенным биохимическим особенностям вторгающихся микробов. При этом они часто не дают им проникать внутрь клеток или беспрепятственно перемещаться по кровотоку в места, куда им не следует попадать.

Ученые также отмечают, что отдельные антитела чрезвычайно разборчивы в том, к чему они прилипают. Каждая молекула антитела обычно нацелена на определенную биохимическую особенность, принадлежащую одному виду или штамму микробов.

Фишбах и доктор философии Дженет Бусбейн, старший и ведущий авторы исследования соответственно, а также их коллеги хотели узнать: выработает ли иммунная система мыши, кожа которой обычно не колонизирована S. epidermidis, реакцию антител на этот микроорганизм, если он там появится.

Первоначальные эксперименты, проведенные Бусбеном, были простыми. Для этого было необходимо окунуть ватный тампон в пробирку с S. epidermidis и аккуратно протиреть тампоном голову обычной мыши (для этого не нужно брить, ополаскивать или мыть ее мех) и затем поместить мышь обратно в клетку.

Необходимо было брать кровь в определенные моменты времени в течение следующих шести недель, и наблюдать, выработала ли иммунная система этой мыши какие-либо антитела, которые связываются с S. epidermidis.

Реакция антител у мышей на S. epidermidis была «шокирующей», сказал Фишбах. «Уровень этих антител медленно увеличивался, затем еще немного — и затем еще больше», —заявил он. По его словам, через шесть недель они достигли более высокой концентрации, чем можно было бы ожидать от обычной вакцинации — и оставались на этом уровне.

«Это как если бы мышей вакцинировали. Их реакция антител была такой же сильной и специфичной, как если бы они реагировали на патоген. Похоже, то же самое происходит естественным образом и у людей, — сообщил Фишбах. — Мы взяли кровь у доноров-людей и обнаружили, что уровень циркулирующих у них антител, направленных против S. epidermidis, был таким же высоким, как и у всего, от чего нас обычно вакцинируют».

Это может свестись к строке, нацарапанной поэтом начала 20-го века Робертом Фростом: «Хорошие заборы создают хороших соседей». «Большинство людей думали, что забор — это кожа, — сказал Фишбах. — Но он далек от совершенства. Без помощи иммунной системы он был бы очень быстро прорван. Лучшая ограда — это антитела. Они — способ иммунной системы защитить нас от неизбежных порезов, царапин, ссадин и порезов, которые мы накапливаем в своей повседневной жизни».

В отличие от реакции антител на инфекционный патоген, которая начинается только после проникновения патогена в организм, реакция на S. epidermidis происходит до возникновения каких-либо проблем.

Таким образом, иммунная система может отреагировать при необходимости — например, когда есть повреждение кожи, и обычно безвредный микроб забирается внутрь и пытается проехать через наш кровоток.

Шаг за шагом команда Фишбаха превратила S. epidermidis в живую вакцину plug-and-play, которую можно применять местно. Они узнали, что часть S. epidermidis, наиболее ответственная за запуск мощного иммунного ответа, — это белок под названием ААП.

Эта большая древовидная структура, в пять раз превышающая размер среднего белка, выступает из стенки бактериальной клетки. Исследователи думают, что она может выставлять некоторые из своих самых внешних участков напоказ дозорным клеткам иммунной системы.

Они периодически ползают по коже, берут образцы волосяных фолликулов, выхватывают кусочки того, что колышется в «листве» ААП, и уносят их обратно внутрь, чтобы показать другим иммунным клеткам, ответственным за приготовление соответствующего ответа антител, нацеленного на этот предмет.

ААП вызывает скачок не только уровня антител в крови, известных иммунологам как IgG, но и других антител, называемых IgA, которые локализуются на слизистых оболочках наших ноздрей и легких.

«Мы вызываем IgA в ноздрях мышей, — сказал Фишбах. — Респираторные патогены, вызывающие простуду, грипп и Covid-19, как правило, попадают в наш организм через ноздри. Обычные вакцины не могут этого предотвратить. Они начинают работать только после того, как патоген попадает в кровь. Было бы гораздо лучше не допустить его попадания изначально».

Определив ААП как основную цель антител, ученые искали способ заставить его работать.

«Дженет проделала умную инженерную работу, — заявил Фишбах. — Она заменила ген, кодирующий часть столбнячного токсина, на фрагмент гена, кодирующий компонент, который обычно отображается в листве этого гигантского древовидного белка. Теперь именно этот фрагмент — безвредный кусок высокотоксичного бактериального белка — развевается на ветру».

Возник вопрос, сможет ли иммунная система мышей «увидеть» его и выработать на него специфическую реакцию антител. Исследователи повторили эксперимент с мышью, на этот раз используя либо неизмененный S. epidermidis, либо биоинженерный S. epidermidis, кодирующий фрагмент столбнячного токсина.

Они сделали несколько применений в течение шести недель. Только у мышей, которым сделали мазок биоинженерным S. epidermidis, развились чрезвычайно высокие уровни антител, нацеленных на столбнячный токсин. Затем, когда исследователи ввели мышам смертельные дозы столбнячного токсина, все мыши, которым дали натуральный S. epidermidis, погибли. При этом те, кому дали модифицированную версию, остались без симптомов.

Похожий эксперимент, в ходе которого исследователи встроили ААП ген дифтерийного токсина вместо гена столбнячного токсина, также вызвал появление огромных концентраций антител, нацеленных на дифтерийный токсин. В конечном итоге ученые обнаружили, что им все еще удается получить жизненно важные антитела у мышей уже после двух-трех применений.

Они также показали, колонизируя очень молодых мышей S. epidermidis, что предшествующее присутствие бактерий на коже этих мышей (что типично для людей, но не для мышей) не мешало экспериментальному лечению стимулировать мощный ответ антител. По словам Фишбаха, это означает, что практически 100% колонизация кожи нашего вида S. epidermidis не должна представлять проблемы для использования препарата на людях.

Изменив тактику, исследователи сгенерировали фрагмент столбнячного токсина в биореакторе, затем химически прикрепили его к ААП, так что он усеял поверхность S. epidermidis. По словам исследователей, это привело к появлению на удивление мощного ответа антител.

Фишбах изначально рассуждал о том, что обилие поверхностно-скрепленного токсина будет становиться все более разбавленным с каждым делением бактерий, постепенно приглушая иммунный ответ. Но произошло как раз обратное. Исследователи утверждают, что местное применение этого микроба вызвало достаточно антител, чтобы защитить мышей от шестикратной смертельной дозы столбнячного токсина.

«Мы знаем, что это работает на мышах, — заявляет Фишбах. — Далее нам нужно показать, что это работает на обезьянах». Он утверждает, что если все пройдет хорошо, то он ожидает, что этот подход к вакцинации выйдет на клинические испытания в течение двух-трех лет.

«Мы думаем, что это сработает против вирусов, бактерий, грибков и одноклеточных паразитов, — отметил исследователь. — В состав большинства вакцин входят ингредиенты, которые стимулируют воспалительную реакцию и заставляют вас чувствовать себя немного больным. Эти микробы не дают такого эффекта. Мы ожидаем, что у вас вообще не возникнет никакого воспаления».

Ранее также сообщалось, что в США стартует первая фаза клинических испытаний назальной вакцины от Covid-19, разработанной по технологии Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Пока что новый препарат Ocugen ожидает одобрения заявки на исследование Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств (FDA).