Актуальные вопросы совершенствования специфической профилактики чумы и сибирской язвы

Актуальные вопросы совершенствования специфической профилактики чумы и сибирской язвы

С.А. Витязева, С.В. Балахонов, В.И. Дубровина (dubrovina-valya@mail.ru), Е.Ю. Марков, В.С. Половинкина

ФКУЗ «Иркутский НИИ противочумный институт» Роспотребнадзора

Резюме

В обзоре рассмотрена ситуация с профилактикой сибирской язвы и чумы. Приведен анализ современных данных, связанных с конструированием профилактических препаратов, поиском дополнительных иммуностимулирующих компонентов и средств адресной доставки специфических протективных молекул.

Рассмотрена перспективность применения различных субклеточных фракций микроорганизма с привлечением иммуномоду-ляторов и адъювантов, обеспечивающих целенаправленное действие на иммунную систему организма человека и животных, для конструирования высокоиммуногенных препаратов, пригодных для специфической иммунопрофилактики особо опасных инфекций

Ключевые слова: возбудитель чумы, возбудитель сибирской язвы, профилактика, вакцина Actual Problems of Plague and Anthrax Prevention Improvement

S.A. Vityazeva, S.V. Balakhonov, V.I. Dubrovina (dubrovina-valya@mail.ru), E.Yu. Markov, V.S. Polovinkina

Federal Government Health Agency Irkutsk Antiplague Research Institute Federal Service on Customer's Rights Protection and Human

Well-being Surveillance

Abstract

Data concerning anthrax and plague prevention are reviewed. Construction of the preventive preparations, retrieval of additional immunostimulating components and means of specific protective molecule delivery are analyzed at the up-to-date level. Availability of various subcellular fraction applications using immunomodulators and adjuvants providing purposeful action on human and animal immune system is considered for construction of high-immunogenic preparations suitable for specific immunoprevention of the especially dangerous infections.

Key words: Yersinia pestis, Bacillus anthracis, prevention, vaccine

М

ноголетний опыт вакцинопрофилакти-ки показал, что вакцинопрофилактика -ключевое звено в системе мероприятий по предупреждению возникновения и распространения управляемых инфекций [9]. Роль вакцинации как средства специфической профилактики инфекционных болезней в системе противоэпидемических мероприятий остается значительной, а в ряде случаев - первостепенной.

Проблемы биобезопасности в наши дни необычайно актуальны. Биологическая безопасность ассоциирована с созданием и разработкой средств защиты (в первую очередь вакцин) от биологического оружия и, соответственно, способов профилактики биотеррористических актов.

В качестве потенциального средства биотерроризма традиционно рассматривают возбудителей особо опасных инфекций, таких как Yersinia pestis и Bacillus anthracis, которые в соответствии с Международными медико-санитарными правилами (2005 г.) включены в список инфекционных болезней, имеющих международное значение в

силу способности вызывать чрезвычайные ситуации. В связи с этим необходимость иметь надежные средства профилактики чумы и сибирской язвы очевидна.

Эффективной превентивной мерой в отношении сибирской язвы служит вакцинация населения из групп риска и сельскохозяйственных животных. В России для профилактики сибирской язвы у людей лицензированы две вакцины - сибиреязвенная живая сухая на основе штамма B. anthracis СТИ-1 для накожного применения и сибиреязвенная комбинированная (жидкая и сухая) для подкожного применения (содержит споры штамма B. anthracis СТИ-1, очищенный концентрированный протективный антиген, адсорбированный на ги-дроксиде алюминия).

В ветеринарной практике используются живые вакцины на основе бескапсульных штаммов B. anthracis СТИ-1, Ш-15 и 55. На основе штамма B. anthracis 55 создано три жидких вакцины: споровая лиофилизированная, споровая и концентрированная споровая [8].

Иммунопрофилактику чумы в России проводят живой сухой вакциной на основе штамма Y. pestis БУ линии НИИЭГ [5, 6], хотя она обладает слабым защитным эффектом в отношении легочной формы чумы у человека [41, 42].Несмотря на все достоинства, живые вакцины, полученные на основе аттенуированных вакцинных штаммов микроорганизмов, имеют ряд недостатков, связанных с тем, что действующее начало этих препаратов - живые микроорганизмы.

Существующие химические вакцины, полученные на основе убитых микробных клеток или гру-боочищенных и инактивированных формалином экзотоксинов, являются малоконтролируемыми комплексными смесями веществ бактериальной природы и далеки от совершенства. Как живые, так и химические вакцины нестабильны при хранении, обладают недостаточно высокой эффективностью, непродолжительностью действия или индуцируют развитие побочных реакций [24]. Для существующих вакцинных препаратов характерно содержание большого количества балластных (с точки зрения формирования протективного иммунитета) веществ, не всегда безвредных для человека. Эти балластные вещества в ряде случаев могут вызывать непредсказуемые побочные эффекты у прививаемых и, более того, ингибировать или нейтрализовать действие протективных антигенов. Кроме того, многие иммуногенные компоненты микробных клеток или их экзопродукты (например, липополисахариды и бактериальные экзотоксины) высокотоксичны и не могут быть использованы в клинической практике без соответствующей инактивации [9].

В связи с этим особое внимание в настоящее время уделяется созданию, разработке и внедрению принципиально новых вакцинных препаратов, причем не только для вакцинопрофилактики, но и для вакцинотерапии.

Бурное развитие иммунологии, молекулярной биологии микроорганизмов и изучение протективных антигенов во второй половине ХХ века позволили сделать вывод, что большинство молекулярных компонентов микроорганизма для индукции иммунитета не требуются. Для создания иммунитета нет необходимости в введении в организм сложнейших антигенных комплексов, обусловливающих возникновение тяжелых поствакцинальных реакций, осложнений и аллергизацию прививаемых, достаточна лишь их небольшая часть. Такое понимание механизма иммуногенеза заложило основу для разработки целого ряда новых стратегий вакцинации против инфекционных заболеваний.

На сегодняшний день перспективными направлениями совершенствования специфической профилактики особо опасных инфекций являются: разработка новых субъединичных вакцин на основе протективных антигенов, создание ДНК-вакцин и вакцин на основе антиидиотипических антител, а также подбор и включение в состав вакцин адъ-

ювантов, способных повышать иммуногенность изолированных антигенов [38, 45, 47, 49]. При этом остается актуальной усовершенствование систем доставки компонентов вакцин и адъювантов [25, 39, 40].

Современная биотехнология позволяет выделить практически любой антиген возбудителя в чистом виде или синтезировать его точную копию. С возникновением новых биохимических методов очистки и биотехнологических возможностей (синтез олигопептидов, получение рекомбинантных ДНК, выделение плазмид и пр.) появились большие надежды на создание нового поколения эффективных вакцин, основанных на отдельных эпитопах протективных антигенов или даже только на одних генах, кодирующих их синтез («генетическая», или ДНК-вакцинация) [4, 14, 19, 20, 22].

На протяжении последних 20 лет появлялись многочисленные сведения о попытках клонирования детерминанты синтеза протективного антигена (ПА) В. ап^гаав в культурах различных видов микроорганизмов, а также в геномах вирусов и трансгенных растений [7, 11, 13, 16, 33, 34, 36, 46]. Вместе с тем в большинстве случаев сложно было добиться стабильного функционирования гибридных плазмид, а также получения высокопродуктивных в отношении ПА штаммов. Тем не менее сотрудниками лаборатории прикладной генетики РосНИПЧИ «Микроб» с помощью методов генной инженерии удалось создать рекомбинант-ные штаммы В. anthracis, активно продуцирующие ПА. Полученная Н.И. Микшис с соавт. гибридная плазмида стабильно функционировала в геномах штаммов В. anhtracis СТИ, В. anthracis 55АТ и В. subtШs WB600 [7, 10]. По данным создателей, продуктивность трансгенных микроорганизмов в отношении ПА в несколько раз превышала таковую у известных вакцинных штаммов В. anthracis.

Сотрудники Иркутского противочумного института идентифицировали и изолировали два антигена м.м. 28 и 92 кДа, один из которых причастен к формированию у макроорганизма защитных механизмов против сибиреязвенной инфекции [1, 2]. Также имеются сообщения зарубежных исследователей о получении рекомби-нантных штаммов, эффективно продуцирующих ПА [18, 35, 43, 44].

Существует мнение, что в формировании про-тивосибиреязвенного иммунитета важную роль играют белки S-слоя В. anthracis, которые обладают вакцинным потенциалом и могут быть использованы в качестве дополнительного им-муногенного фактора [26, 27, 28, 30, 31]. Но при выделении и очистке антигенов сибиреязвенного микроба белковой природы возникают сложности, чаще всего связанные с высокой протеолитической активностью и способностью к активному спорообразованию В. anhtracis. В этой связи получение аспорогенных штаммов

сибиреязвенного микроба с целью использования их в качестве реципиентов для клонирования рекомбинантной ДНК и получения безопасных продуцентов протективных субъединиц является актуальным направлением исследований. Имеются сведения о получении аспорогенных вариантов на основе рекомбинантных штаммов В. anthracis ASterne-l(pPA102) [50], В. anthracis ASteme-l(pPA102)CR4 [7, 37].

Однако субъединичные вакцины, получаемые с использованием рекомбинантных белков, отличаются от традиционных вакцин дороговизной в связи с большими затратами на проведение тщательной очистки антигенов. Кроме того, несмотря на меньшую реактогенность, рекомби-нантные вакцины, как правило, оказываются и менее иммуногенными [15, 17, 21]. Вместе с тем они более адаптированы к проведению одновременной специфической и экстренной профилактики населения при эпидемических осложнениях природного или искусственного характера.

Одним из перспективных направлений специфической профилактики чумы является разработка субъединичных вакцин на основе очищенных протективных антигенов Y. pestis, таких как фракция I (F1) и V-антиген (LcrV), липополисаха-рида (ЛПС), основного соматического антигена (ОСА) и др. [4, 29, 48]. Однако эти антигены, взятые отдельно, как правило, не способны индуцировать выраженный иммунный ответ.

В качестве основы химических бесклеточных вакцин и универсальной системы целенаправленной доставки антигенов рассматриваются натив-ные поверхностные структуры, такие как клеточные стенки грамположительных бактерий, полые везикулы из наружных мембран грамотрицатель-ных бактерий, обладающие иммуномодулирующи-ми свойствами за счет наличия в них патоген-ассоциированных макромолекул (пептидогликан, ЛПС, белки наружной мембраны и т.п.) [23, 32].

Известно, что для повышения эффективности химических вакцин применяют адъюванты - синтетические и природные биополимеры, обладающие иммуномодулирующим действием. К их числу относится бактериальная ДНК (бДНК), способная активировать механизмы иммуно-

логической защиты организма. Сотрудниками Иркутского противочумного института был разработан антигенный препарат на основе субклеточных фракций Y. pestis, обладающий высокой протективной способностью в опытах на беспородных мышах, а также была подтверждена действеннность субклеточных фракций в смеси с суммарной ДНК возбудителя чумы, обладающей выраженной адъювантной активностью.

В настоящее время в РФ разработана и апробируется чумная химическая вакцина, состоящая из капсульного антигена Fl Y. pestis и основного соматического антигена Y. pseudotuberculosis. Ее назначение - ревакцинация людей, изначально вакцинированных живой противочумной вакциной, которая создает полноценный грун-диммунитет [3].

Тем не менее многочисленные попытки не привели пока к созданию на основе изолированных антигенов вакцин, превосходящих по им-муногенной и протективной способности живые клетки микроба. Более того, живые вакцины находят все больше сторонников, и главная задача исследователей сводится к минимизации возможности восстановления вирулентности и утраты иммуногенности вакцинными штаммами, к нейтрализации их побочного действия. Положение осложняется тем, что сочетание специфической и экстренной профилактики ограничено антибио-тикочувствительностью вакцины [12].

Таким образом, отвечающие современным требованиям профилактические препараты должны разрабатываться с учетом всего арсенала накопленных знаний о структуре, свойствах, молекулярной природе, генетической детерминации, путях синтеза и регуляции факторов патогенности и иммуногенности инфекционного агента.

В настоящее время исследование пригодности различных субклеточных фракций микроорганизма с привлечением иммуномодуляторов и адъю-вантов, обеспечивающих целенаправленное действие на иммунную систему организма человека и животных, может определить принципы отбора и конструирования высокоиммуногенных препаратов, пригодных для специфической иммунопрофилактики особо опасных инфекций [1, 2, 10].

Литература

1. Безносов М.В. Выделение и изучение специфических антигенов Bacillus anthracis с целью конструирования диагностических и профилактических препаратов: Автореф. дис. ... к.б.н. - Саратов, 1997. - 22 с.

2. Безносов М.В., Родзиковский А.В., Голубинский Е.П. и др. Влияние поверхностного соматического антигена сибиреязвенного микроба на протек-тивные свойства конструируемых химических вакцин // Scientific J. 2000. № 8. Р 138 - 144.

3. Бывалов А.А., Кутырев В.В. Опыт использования антигенов Yersinia pestis для разработки чумной химической вакцины // Проблемы особо опасных инфекций. 2010. № 4. С. 47 - 50.

4. Бывалов А.А., Кутырев В.В. Современное состояние проблемы совершенствования средств вакцинопрофилактики чумы // Журн. микробиол., эпидемиол. и иммунобиол. 2011. № 2. С. 97 - 104.

5. Домарадский И.В. Чума. - М.: Наука, 1998. - 148 с.

6. Домарадский И.В. Чума: современное состояние, гипотезы, проблемы. - Саратов: Изд-во Саратовского медицинского ин-та, 1993. - 130 с.

7. Микшис Н.И. Прототипы сибиреязвенных вакцин на основе генно-инженерных бациллярных штаммов и синтезируемых ими антигенов: Автореф. дис. ... д.м.н. - Саратов, 2009. - 46 с.

8. Онищенко Г.Г., Васильев Н.Т., Литусов Н.В. и др. Патогенность и вирулентность сибиреязвенного микроба // Сибирская язва: актуальные аспекты

микробиологии, эпидемиологии, клиники, диагностики, лечения и профилактики. - М.: ВУНМЦ МЗ РФ, 1999. С. 11 - 7.

9. Петров Р.В., Хаитов Р.М. Иммуногены и вакцины нового поколения. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2011. 608 с.

10. Попов Ю.А., Микшис Н.И. Сибиреязвенные вакцины // Проблемы особо опасных инфекций. 2002. № 1. С. 21 - 36.

11. Тедиков В.М., Добрица А.П. Клонирование и экспрессия детерминанты протективного антигена Bacillus anthracis в клетках Escherichia coli, ВаcШus subtilis и Bacillus anthracis II // Молекул. генетика, микробиол. и вирусол. 1993. № 2. С. 13 - 16.

12. Цецхладзе Н.С. Активная и пассивная иммунотерапия и ее сочетанное применение с антибактериальными препаратами при экспериментальной чуме: Автореф. дис. ... к.б.н. - Саратов, 1998. - 19 с.

13. Шулепов Д.В. Аспорогенный рекомбинантный штамм Bacillus anthracis - продуцент протективного антигена сибиреязвенного микроба: Автореф. дис. ... к.м.н. - Саратов, 2009. - 19 с.

14. Ada G. Overview of vaccines // Mol. Biotechnol. 1997. № 8. Vol. 2. R 123 - 134.

15. Arakawa T. Adjuvants: no longer a «dirty little secret», but essential key players in vaccines of the future // Expert Rev. Vaccines. 2011. V. 10 (1). R.1 - 5.

16. Azhar A., Singh S., Anand К. et al. Expression of protective antigen in transgenic plants: a step towards edible vaccine against anthrax // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2002. V. 299 (3). R. 345 - 351.

17. Bachmann M.F., Jennings G.T. Vaccine delivery: a matter of size, geometry, kinetics and molecular patterns // Nat. Rev. Immunol. 2010. V. 10 (11). R. 787 - 796.

18. Baillie L. Rast, imminent and future human medical countermeasures for anthrax // J. Appl. Microbiol. 2006. V. (101) 3. R. 594 - 606.

19. Barry M.A., Johnston S.A. Biological features of genetic immunization // Vaccine. 1997. V. (15) 8. R. 788 - 791.

20. Becker R.D., Noerder M., Guzman C.A. Genetic immunization: bacteria as DNA vaccine delivery vehicles // Hum. Vaccin. 2008. V. (4) 3. R. 189 - 202.

21. Black M., Trent A., Tirrell M., Olive C. Advances in the design and delivery of peptide subunit vaccines with a focus on toll-like receptor agonists // Expert Rev. Vaccines. 2010. V. (9) 2. R. 157 - 173.

22. Chattergoon M., Boyer J., Weiner D.B. Genetic immunization: a new era in vaccines and immune therapeutics // FASEB journal: official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology. 1997. V. (11). 10. R. 753 - 763.

23. Chen D.J., Osterrieder N., Metzger S.M. et al. Delivery of foreign antigens by engineered outer membrane vesicle vaccines // Rroc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. V. (107) 7. R. 3099 - 3104.

24. De Veer M., Meeusen E. New developments in vaccine research - unveiling the secret of vaccine adjuvants // Discov. Med. 2011. V. 12 (64). R 195 - 204.

25. Ellis J., Retra C., Oyston F. et al. Tularemia // Clin. Microbiol. Rev. 2002. V. 15 (4). R. 631 - 646.

26. Etienne-Toumelin I., Sirard J., Duflot E. et al. Characterization of the Bacillus anthracis S-layer: cloning and sequencing of the structural gene 11 // J. Bacteriol. 1995. V. (177). 3. R. 614 - 620.

27. Ezzell J., Abshire T. Immunological analysis of cell-associated antigens of Bacillus anthracis II // J. Infect. Immun. 1988. V. 2 (56) R 349 - 356.

28. Farchaus J., Ribot W., Downs M., Ezzell J. Rurification and characterization of the major surface array protein; from the avirulent Bacillus anthracis delta Sterne-1 // J. Bacteriol. 1995. V. (177) 9. R 2481 - 2489.

29. Feodorova V.A., Corbel M.J. Rrospects for new plague vaccines // Expert Rev. Vaccines. 2009. V. (8). 12. R. 1721 - 1738.

30. Fouet A., Mesnage S., Tosi-Counture E. et al. Bacillus anthracis S-laer // 3rd International Conference on Anthrax. 1998. V. 10. Р. 16.

31. Gat O., Grosfeld H., Shafferman A. In vitro screen of bioinformatically selected Bacillus anthracis vaccine candidates by coupled transcription; translation, and immunoprecipitation analysis // Methods Mol. Biol. 2007. V. 375. Р. 211 - 233.

32. Girvan R.C., Knight D.A., O'Loughlin C.J. et al. MIS416, a non-toxic microparticle adjuvant derived from Propionibacterium acnes comprising immunostimulatory muramyl dipeptide and bacterial DNA promotes cross-priming and Th1 immunity // Vaccine. 2011. V. (29) 3. Р 545 - 557.

33. Gupta R., Waheed S., Bhatnagar R. Expression and purification of the recombinant protective antigen of Bacillus anthracis II // Rrotein Expr. Rurif. 1999. V. (16) 3. Р. 369 - 376.

34. Iacono-Connors L., Welkos S., Ivins В., Dalrymple J. Rrotection against anthrax with recombinant virus-expressed protective antigen in experimental animals // Infect. Immun. 1991. V. 59 (6). Р. 1961 - 1965.

35. Ivins B., Fellows R., Ritt L. et al. Experimental anthrax vaccines: efficacy of adjuvants combined with protective antigen against an aerosol Bacillus anthracis spore challenge in guinea pigs // Vaccine. 1995. V. 18 (13). Р. 1779 - 1784.

36. Ivins B., Welkos S. Cloning and expression of Bacillus anthracis protective antigen in Bacillus subtilis II // Infect. Immun. 1986. V. 54 Р. 537 - 542.

37. Ivins B., Worsham R., Friedlander A. et al. Method of making a vaccine. United States Ratent № US2002034512 (C12N15/75; C12N15/74). 21.03.2002.

38. Kawai T., Akira S. The roles of TLRs, RLRs and NLRs in pathogen recognition // Int. Immunol. 2009. V. (21) 4. Р. 317 - 337.

39. Langemann T., Koller V.J., Muhammad A. et al. The Bacterial Ghost platform system: production and applications // Bioeng Bugs. 2010. V. (1) 5. Р. 326 -336.

40. Mayr U., Walcher R., Azimpour-Tabrizi C. Bacterial ghosts an antigen delivery vehicles for vaccination against target antigens // Adv. Drug. Delev. Rev. 2005. V. (59) 9. Р. 1381 - 1391.

41. Meyer K.F. Effectiveness of live or killed plague vaccines in man // Bull. World Health Organ. 1970. V. (42) 5. Р. 653 - 656.

42. Meyer K.F., Hightower J.A., McCrumb F.R. Rlague immunization: VI. Vaccination with the fraction1 antigen of Yersinia pestis// J. Infect. Dis. 1974. V. 129. Р.41 - 45.

43. Ramirez D.M., Leppla S.H., Schneerson R. et al. Rroduction, recovery and immunogenicity of the protective antigen from a recombinant strain of Bacillus anthracis// J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2002. V. 28. Р. 232 - 238.

44. Ribot W.J., Rowell B.S., Ivins B.E. et al. Comparative vaccine efficacy of different isoforms of recombinant protective antigen against Bacillus anthracis spore challenge in rabbits // Vaccine. 2006. V. 24. Р 3469 - 3476.

45. Titball R. W., Williamson E.D. Second and third generation plague vaccines // Adv. Exp. Med. Biol. 2003. V. 529. Р. 397 - 406.

46. Uchida I., Makino S.-I., Sekizaki Т. et al. Cross-talk to the genes for capsule synthesis of Bacillus anthracis by atxA, the gene encoding/raws-activator anthrax toxin synthesis // Mol. Microbiol. 1997. V. 23. Р. 1203 - 1213.

47. Uddowla S., Freytag L.C., Clements J.D. Effect of adjuvants and route of immunizations on the immune response to recombinant plague antigens // Vaccine. 2007. V. (25) 47. Р. 7984 - 7993.

48. Ulery B.D., Kumar D., Ramer-Tait A.E. et al. Design of a protective single-dose intranasal nanoparticle-based vaccine platform for respiratory infectious diseases // RLoS One. 2011. V. (6) 3. e17642.

49. Vollmer J., Krieg A.M. Immunotherapeutic applications of CpG oligodeoxynucleotide TLR9 agonists // Advanced Drug Delivery Rev. 2009. V. 61. Р 195 - 204.

50. Worsham R., Sowers M. Isolation of an asporogenic (spoOA) protective antigen-roducing strain of Bacillus anthracis I // Canad. J. Microbiol. 1999. V. 45. Р. 1 - 8.