วัคซีนดีเอ็นเอ

วัคซีนดีเอ็นเอ () เป็นวัคซีนประเภทที่นำ (transfect) ลำดับดีเอ็นเอซึ่งเข้ารหัสแอนติเจนอย่างหนึ่งโดยเฉพาะเข้าไปในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเพื่อกระตุ้นให้ภูมิคุ้มกันตอบสนอง

วัคซีนออกฤทธิ์โดยนำพลาสมิดเข้าไปในเซลล์ พลาสมิดได้สร้างขึ้นผ่านพันธุวิศวกรรมให้มีดีเอ็นเอซึ่งเข้ารหัสแอนติเจนที่ต้องการให้ภูมิคุ้มกันตอบสนอง โดยเซลล์จะเป็นผู้ผลิตแอนติเจนเอง
วัคซีนนี้อาจมีข้อดีกว่าวัคซีนปกติ รวมทั้ง "ก่อการตอบสนองของภูมิคุ้มกันหลายรูปแบบอย่างครอบคลุมกว่า"
มีวัคซีนดีเอ็นเอหลายอย่างที่ได้ทดสอบเพื่อใช้ในสัตว์แล้ว
ซึ่งในบางกรณีก็ก่อภูมิคุ้มกันโรค แต่ในบางกรณีก็ไม่ได้
มีงานวิจัยที่พยายามใช้เทคโนโลยีนี้เพื่อป้องกันโรคในมนุษย์ รวมทั้งโรคจากไวรัส แบคทีเรีย ปรสิต และมะเร็ง
ในเดือนสิงหาคม 2021 รัฐบาลอินเดียได้อนุมัติให้ใช้ ชนิดดีเอ็นเอคือ ZyCoV-D ในภาวะฉุกเฉิน
บริษัทยาอินเดียคือ Cadila Healthcare เป็นผู้พัฒนา เป็นวัคซีนดีเอ็นเอแรกในโลกที่อนุมัติให้ใช้กับมนุษย์

ข้อมูลพื้นฐาน 

วัคซีนธรรมดาอาจมีส่วนประกอบเป็นแอนติเจนโดยเฉพาะๆ จากจุลชีพก่อโรค หรืออาจเป็นไวรัสก่อโรคที่ลดฤทธิ์ซึ่งกระตุ้นให้ภูมิคุ้มกันตอบสนอง
วัคซีนดีเอ็นเอเป็นวัคซีน (genetic vaccine) เพราะมีข้อมูลทางพันธุกรรม (เป็นดีเอ็นเอหรืออาร์เอ็นเอ) ที่เข้ารหัสโปรตีนของจุลชีพที่มีภาวะเป็นแอนติเจน
วัคซีนดีเอ็นเอมีที่เข้ารหัสแอนติเจนโดยเฉพาะๆ จากจุลชีพก่อโรค
เมื่อฉีดเข้าไปในร่างกายแล้วเข้าไปในเซลล์ กระบวนการธรรมชาติของเซลล์ก็จะสังเคราะห์โปรตีนอาศัยรหัสพันธุกรรมในพลาสมิดที่นำเข้าไปในเซลล์
เพราะโปรตีนเช่นนี้มีลำดับกรดอะมิโนที่เป็นลักษณะพิเศษของแบคทีเรียหรือไวรัส จึงทำให้ร่างกายรู้ได้ว่าเป็นสิ่งแปลกปลอม เมื่อเซลล์ผลิตโปรตีนเช่นนี้แล้วส่งไปที่ผิวเซลล์ ระบบภูมิคุ้มกันก็จะรู้ตัวแล้วเริ่มตอบสนอง

ประวัติ 
ในปี1983 นักไวรัสวิทยาที่กระทรวงสาธารณสุขรัฐนิวยอร์กได้ประดิษฐ์วิธีทางพันธุวิศวกรรมเพื่อสร้างวัคซีนดีเอ็นเอรวมใหม่ (recombinant DNA) คือได้แปลงวัคซีนฝีดาษธรรมดาให้เป็นวัคซีนที่สามารถใช้ป้องกันโรคอื่นๆ
ทำโดยแทรกยีนหนึ่งจากไวรัสอื่นๆ (ได้แก่ไวรัสเริม ไวรัสตับอักเสบบี และไวรัสไข้หวัดใหญ่)
ต่อมาในปี1993 นักเคมีชีวภาพที่แหล็บวิจัยของบริษัทเมอร์คได้แสดงว่า การฉีดพลาสมิดที่เข้ารหัสยีนแอนติเจนของไข้หวัดใหญ่สามารถป้องกันหนูไม่ให้ติดโรค (ที่จงใจทำให้ติด)
ต่อมาในปี2016 สถาบันสุขภาพแห่งชาติสหรัฐได้เริ่มทดลองวัคซีนดีเอ็นเอเพื่อป้องกันไวรัสซิกาในมนุษย์
ซึ่งมีแผนรับอาสาสมัคร 120คนอายุระหว่าง 
วัคซีนจะฉีดเข้าที่ต้นแขนด้วยความดันสูง
แต่จนถึงเดือนสิงหาคม 2016 การผลิตวัคซีนให้ได้มากๆ ก็ยังไม่ลงตัว
อนึ่ง บริษัท Inovio Pharmaceuticals และ GeneOne Life Science ได้เริ่มทดลองวัคซีนดีเอ็นเออีกชนิดสำหรับไวรัสซิกาในเมืองไมแอมี
การทดลองวัคซีนดีเอ็นเอป้องกันโรคเอชไอวีก็กำลังดำเนินการอยู่อีกด้วย

ในเดือนสิงหาคม 2021 รัฐบาลอินเดียได้ลงทะเบียนให้ใช้วัคซีนดีเอ็นเอ ZyCoV-D ในภาวะฉุกเฉินเพื่อป้องกันโรคโควิด-19 โดยบริษัทยาอินเดีย Cadila Healthcare ได้พัฒนาวัคซีนนี้ขึ้น

การประยุกต์ใช้ 
จนถึงปี2021 ยังไม่มีวัคซีนดีเอ็นเอที่อนุมัติให้ใช้กับมนุษย์ในสหรัฐ
มีการทดลองน้อยมากที่กระตุ้นให้ภูมิคุ้มกันตอบสนองได้พอป้องกันโรค ดังนั้น เทคโนโลยีนี้จึงยังต้องพิสูจน์ว่ามีประสิทธิผลในมนุษย์หรือไม่ต่อไป
แต่ก็มีวัคซีนดีเอ็นเอป้องกันโรคของม้าที่ได้อนุมัติแล้ว
อนึ่ง กำลังมีการตรวจสอบด้วยว่าสามารถใช้เทคนิคนี้เพื่อแก้พิษงูได้หรือไม่
เทคโนโลยีนี้ยังสามารถใช้กระตุ้นให้ร่างกายสร้างแอนติบอดีเพื่อรักษาโรคในทำนองเดียวกับสารภูมิต้านทานโมโนโคลนอีกด้วย

ข้อดี 

 ไม่เสี่ยงทำให้ติดโรค
 โมเลกุลทั้งแบบ MHC class I และ MHC class II จะเป็นตัวนำแอนติเจนไปแสดงที่ผิวเซลล์
 สามารถเลือกชักนำให้เซลล์ทีแบบ TH1 หรือ TH2 ตอบสนอง
 ภูมิคุ้มกันจะตอบสนองต่อแอนติเจนอย่างจำเพาะ
 พัฒนาและผลิตได้ง่ายกว่า
 เก็บและขนส่งได้โดยไม่เสื่อม
 มีราคาไม่แพง
 ไม่ต้องสังเคราะห์เพปไทด์ ไม่ต้องเพาะหรือทำโปรตีนรวมใหม่ (recombinant protein) ให้บริสุทธิ์ หรือเติมสารเสริมภูมิคุ้มกันที่เป็นพิษ
 สารอิมมูโนเจน/แอนติเจนที่ชักนำให้เกิดจะมีอยู่เป็นระยะเวลานาน
 ร่างกาย (in vivo) เป็นผู้ผลิตโปรตีนเอง จึงได้โปรตีนที่เหมือนธรรมชาติมากกว่า

ข้อเสีย 
 จำกัดใช้กับสารอิมมูโนเจน (immunogen) หรือแอนติเจนที่เป็นโปรตีน ไม่สามารถใช้กับแอนติเจนที่ไม่ใช่โปรตีน เช่น พอลิแซ็กคาไรด์ของแบคทีเรีย
 ร่างกายอาจตอบสนองต่อโปรตีนของแบคทีเรียหรือของปรสิตอย่างไม่คาดหมาย
 ยาฉีดจมูกแบบอนุภาคนาโนซึ่งเป็นพลาสมิดประกอบด้วยดีเอ็นเออาจมีผลต่อเซลล์ชนิดอื่นซึ่งไม่ได้ตั้งใจ เช่นเซลล์สมอง
 วัคซีนต่างๆ ที่เพาะด้วยสิ่งมีชีวิตอาจปนเปื้อนกันเมื่อผลิตในโรงงานเดียวกัน

มีพาหะ (เวกเตอร์) เป็นพลาสมิด

การออกแบบ 
วัคซีนดีเอ็นเอก่อการตอบสนองของภูมิคุ้มกันได้ดีสุดเมื่อใช้พาหะพันธุกรรมชนิดที่เซลล์แสดงออกเป็นโปรตีนได้จำนวนมากที่สุด
ปกติจะเป็นพลาสมิดอันประกอบด้วยส่วน viral promoter ที่ดีซึ่งขับการถอดรหัสและการแปลรหัสยีน (หรือ complementary DNA) ที่ต้องการ
โดยอาจรวมส่วน Intron A (Interferon alfa-2b) เข้าด้วยเพื่อเพิ่มเสถียรภาพของแล้วเพิ่มการแสดงออกของโปรตีน
อนึ่ง ยังอาจรวมเอาส่วน termination signal หรือ polyadenylation ที่ขับการแสดงออกโปรตีนได้ดี เช่น ฮอร์โมนควบคุมการเจริญเติบโตของวัว (bovine growth hormone) หรือ beta globulin ของกระต่าย
พาหะซึ่งมียีนหลายยีนที่ต้องการซึ่งเรียกว่า polycistronic vector บางครั้งจะทำขึ้นเพื่อให้แสดงออกมากกว่าหนึ่งอย่าง หรือให้แสดงออกอิมมูโนเจนบวกกับโปรตีนร่วมกระตุ้นภูมิคุ้มกัน (immunostimulatory protein)

เพราะพลาสมิดสามารถบรรจุรหัสพันธุกรรมได้เพียง ~200 Kbp การออกแบบให้สามารถแสดงออกโปรตีนได้ดีสุดจึงจำเป็น
วิธีหนึ่งก็คือปรับใช้โคดอนภายในเอ็มอาร์เอ็นเอของจุลชีพก่อโรคให้ได้ดีสุดสำหรับเซลล์ยูแคริโอต
คือ จุลชีพก่อโรคมักมี GC-content (guanine-cytosine content) ในอัตราที่ต่างกับสิ่งมีชีวิตที่เป็นเป้า ดังนั้น การเปลี่ยนลำดับยีนของให้มีโคดอนเหมือนกับที่มักเกิดในสิ่งมีชีวิตอาจทำให้แสดงออกโปรตีนได้ดีกว่า

ประเด็นที่ต้องพิจารณาอีกอย่างก็คือการเลือกลำดับ promoter
นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ลำดับยีนที่เรียกว่า SV40 promoter ที่อาจก่อเนื้องอกในลิงและมนุษย์ จนกระทั่งพบว่าส่วน promoter จากไวรัสก่อมะเร็งไก่ คือ Rous Sarcoma Virus มีอัตราการแสดงออกที่สูงกว่า
ต่อมาไม่นานนี้จึงพบว่า สามารถเพิ่มอัตราการแสดงออกและการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันในสัตว์ตัวแบบโดยใช้ส่วน immediate-early (MIE) promoter ของซัยโตเมกาโลไวรัส () และใช้ cis-acting transcriptional element (หรือ cis-regulatory element) จากรีโทรไวรัส (retrovirus)
วิธีเพิ่มอัตราการแสดงออกของโปรตีนอื่นๆ รวมทั้งการการแทรกลำดับ enhancer sequence, อินทรอนสังเคราะห์ (synthetic introns), ลำดับ tripartite leader (TPL) จากอะดีโนไวรัส และการเปลี่ยนปรับปรุงส่วน polyadenylation และ termination signal
ตัวอย่างพลาสมิดสำหรับวัคซีนดีเอ็นเออย่างหนึ่งก็คือ pVAC (ของบริษัท InvivoGen) ซึ่งใช้ส่วน SV40 promoter

ความไม่เสถียรภาพของโครงสร้างดีเอ็นเอเป็นปัญหาสำคัญสำหรับผู้ผลิตพลาสมิด ของการฉีดวัคซีนดีเอ็นเอ และของการบำบัดด้วยยีน
ส่วนต่างๆ ที่เป็นแกนหลัก (backbone) ของพลาสมิดอาจมีส่วนในการสร้างความไม่เสถียรภาพ
รูปแบบลำดับยีนอันก่อความไม่เสถียรภาพที่รู้แล้วรวมทั้ง direct repeat, inverted repeat, tandem repeat ซึ่งพบใน cloning vector และ expression vector ที่มีขายทั่วไป
ดังนั้น การลดหรือการกำจัดลำดับยีนภายในแกนหลักของพลาสมิดที่ไม่เข้ารหัสโปรตีนและไม่จำเป็น ก็จะลดโอกาสเกิดความไม่เสถียรภาพโดยตรง และดังนั้น ลดโอกาสการเกิดยีนรวมกันใหม่เนื่องกับพลาสมิด

กลไกของพลาสมิด 
เมื่อพลาสมิดเข้าไปในนิวเคลียสของเซลล์แล้ว มันก็จะถอดรหัสเป็นเพปไทด์ซึ่งเป็นแอนติเจนแปลกปลอม
โมเลกุลคอมเพล็กซ์ major histocompatibility complex (MHC) ทั้ง class I และ II ของเซลล์ก็จะนำแอนติเจนไปแสดงที่ผิวเซลล์
เซลล์ที่แสดงแอนติเจน (antigen-presenting cell) ก็จะเคลื่อนย้ายไปยังต่อมน้ำเหลือง แล้วแสดงแอนติเจนและโมเลกุลที่ช่วยกระตุ้น เป็นการส่งสัญญาณให้กับเซลล์ที แล้วเริ่มการตอบสนองของภูมิต้านทาน

รูปแบบโปรตีน/ดีเอ็นเอ 
สารอิมมูโนเจนสามารถส่งเข้าไปยังส่วนโดยเฉพาะๆ ของเซลล์เพื่อเพิ่มการตอบสนองของแอนติบอดีหรือของเซลล์ทีที่ฆ่าเซลล์ (cytotoxic T-cell)
แอนติเจนที่หลั่งออกหรือยึดอยู่กับเยื่อหุ้มเซลล์จะกระตุ้นการตอบสนองของแอนติบอดีได้ดีกว่าแอนติเจนที่อยู่ในไซโทซอล การตอบสนองของเซลล์ทีที่ฆ่าเซลล์อาจเพิ่มได้โดยปรับให้แอนติเจนสลายตัวในไซโทพลาซึมแล้วเข้าสู่กระบวนการส่งแอนติเจนไปที่ผิวเซลล์ของ major histocompatibility complex (MHC) class I
ซึ่งปกติทำโดยเพิ่มยูบิควิติน (ubiquitin) ไปที่ยีนโปรตีนด้านเอ็น-เทอร์มินัส

คอนฟอร์เมชันของโปรตีนยังมีผลต่อการตอบสนองของแอนติบอดีอีกด้วย
โครงสร้างที่เป็นระเบียบ (เช่น อนุภาคไวรัส) ได้ผลดีกว่าโครงสร้างอันไม่มีระเบียบ
มินิยีน (หรือ MHC class I epitopes) จากจุลชีพก่อโรคชนิดต่างๆ สามารถเพิ่มการตอบสนองของเซลล์ทีที่ฆ่าเซลล์เพื่อต่อต้านจุลชีพก่อโรคบางชนิด โดยเฉพาะเมื่อรวม epitope ชนิด TH เข้าไปด้วย

การส่งเข้าไปในเซลล์ 

มีวิธีส่งวัคซีนดีเอ็นเอเข้าไปในเนื้อเยื่อของสัตว์หลายอย่าง
ในปี1999 วิธียอดนิยมเมื่อฉีดวัคซีนดีเอ็นเอในน้ำเกลือก็คือ ใช้เข็มฉีดยาธรรมดา หรือใช้ปืนยิงยีน
แต่หลังจากนั้นก็มีเทคนิคใหม่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ

การฉีดดีเอ็นเอในน้ำเกลือ 
วัคซีนดีเอ็นเอในน้ำเกลือปกติจะฉีดเข้ากล้ามเนื้อโครงร่าง หรือเข้าใต้ผิวหนัง เพื่อส่งดีเอ็นเอเข้าไปในร่างกายภายนอกเซลล์
ซึ่งสามารถช่วยด้วย 
 กระบวนการ electroporation 
 ทำใยกล้ามเนื้อให้เสียหายชั่วคราวด้วยพิษต่อกล้ามเนื้อ (myotoxin) เช่นยาชา bupivacaine
 ใช้สารละลายที่ความดันออสโมซิสสูงกว่าเลือด เช่น น้ำเกลือ หรือซูโครส
ภูมิคุ้มกันจะตอบสนองต่อวิธีนี้โดยขึ้นกับปัจจัยรวมทั้งชนิดเข็มฉีดยาที่ใช้
การวางเข็ม ฉีดเร็วแค่ไหน ปริมาณการฉีด ชนิดกล้ามเนื้อ อายุ เพศ และสภาพร่างกายของผู้รับวัคซีน

ปืนยิงยีน 
ปืนยิงยีน (gene gun) สามารถยิงดีเอ็นเอในพลาสมิด () โดยมีอนุภาคทองหรือทังสเตนอันดูดดีเอ็นเอเข้าไปเป็นลูกกระสุน ให้เข้าไปในเข้าไปในเซลล์ที่ต้องการ โดยใช้ฮีเลียมอัดเป็นตัวดันกระสุน

การส่งยาทางเยื่อบุ 
วิธีการส่งยาทางอื่นรวมทั้งการฉีดยาพ่นเป็นดีเอ็นเอเปล่า (naked DNA) ที่ผิวเยื่อบุ/เยื่อเมือกต่างๆ เช่น ที่จมูก หรือที่ปอด
ยาหยอดตา
และยาทาช่องคลอด
ยาที่ส่งผ่านเยื่อบุได้สำเร็จแล้วรวมทั้งชนิดที่ใช้ลิโปโซมหุ้มดีเอ็นเอโดยมีประจุบวก,
ไมโครสเฟียร์ที่ย่อยสลายทางชีวภาพได้,
เชื้อ Salmonella ลดฤทธิ์เป็นเวกเตอร์สำหรับส่งดีเอ็นเอทางปาก,
เชื้อ Shigella หรือ Listeria เพื่อใช้เป็นสำหรับเยื่อบุลำไส้
และเวกเตอร์อะดีโนไวรัสลูกผสม

ELI immunization 
expression library immunization เป็นการสร้างเวกเตอร์ที่ได้โคลนยีนต่างๆ อันแสดงออกโปรตีนแต่ละชนิดของจุลชีพก่อโรคแล้วฉีดเป็นวัคซีน
เมื่อใช้เทคนิคนี้ ก็อาจสามารถส่งยีนของจุลชีพทั้งหมดไปที่เซลล์ได้พร้อมๆ กัน ซึ่งอาจมีประโยชน์สำหรับจุลชีพก่อโรคที่ลดฤทธิ์หรือเพาะได้ยาก
วิธีนี้ยังสามารถใช้ระบุว่า ยีนตัวไหนของจุลชีพทำให้คุ้มกันตอบสนองแล้วป้องกันโรคได้
ซึ่งใช้ตรวจสอบอย่างสำเร็จแล้วกับแบคทีเรีย Mycoplasma pulmonis ซึ่งเป็นจุลชีพก่อโรคปอดที่มีจีโนมค่อนข้างเล็กในหนู
แม้แต่ expression library ที่ไม่สมบูรณ์ก็ยังสามารถสร้างภูมิคุ้มกันได้

ตารางเปรียบเทียบ

ขนาดยา 
วิธีการส่งยาเป็นตัวกำหนดขนาดยาที่ต้องใช้เพื่อให้เกิดภูมิต้านทานโรค
การฉีดยาในน้ำเกลือจะต้องใช้ดีเอ็นเอปริมาณต่างๆ กัน เริ่มตั้งแต่ จนถึง  เทียบกับการใช้ปืนยิงยีนที่ใช้น้อยกว่า 
แม้ปกติแล้วต้องใช้  แต่ก็มีรายงานว่าใช้น้อยถึง อยู่เหมือนกัน
โดยจะต่างๆ กันขึ้นอยู่กับฉีดให้สัตว์ชนิดไหน
ตัวอย่างเช่น หนูใช้ดีเอ็นเอประมาณ 10เท่าน้อยกว่าไพรเมต
การฉีดผสมน้ำเกลือต้องใช้ดีเอ็นเอมากกว่าเพราะส่งดีเอ็นเอเข้าไปยังบริเวณช่องว่างนอกเซลล์ของเนื้อเยื่อที่เป็นเป้า (ปกติจะเป็นกล้ามเนื้อ) แล้วต้องผ่านอุปสรรคต่างๆ (เช่น ชั้น basal lamina ของสารเคลือบเซลล์ และเนื้อเยื่อเกี่ยวพันจำนวนมาก) ก่อนที่จะเข้าไปในเซลล์ได้ เทียบกับปืนยิงยีนที่ยิงดีเอ็นเอเข้าไปในเซลล์โดยตรง จึงเสียดีเอ็นเอน้อยกว่า

การตอบสนองของภูมิคุ้มกัน

เซลล์ทีเฮลเปอร์ 

วัคซีนดีเอ็นเอก่อการตอบสนองของเซลล์ทีเฮลเปอร์ (TH) หลายรูปแบบรวมทั้งการเพิ่มเม็ดเลือดขาวอย่างรวดเร็ว (lymphoproliferation) และการตอบสนองทางไซโตไคน์ในรูปแบบต่างๆ
ข้อดีเยี่ยมของวัคซีนดีเอ็นเอก็คือสามารถจัดให้ก่อการตอบสนองของเซลล์ทีชนิด TH1 หรือ TH2 ก็ได้
โดยวัคซีนแต่ละชนิดจะทำให้มีการตอบสนองโดยเฉพาะๆ ในเรื่องของการแสดงออก lymphokine กับ chemokine, สารภูมิต้านทาน, การขนส่งเม็ดเลือดขาว และการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันโดยกำเนิด

การตอบสนองของเซลล์ทีอื่นๆ 
ชนิดของเซลล์ทีที่ตอบสนองจะขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ รวมทั้งการส่งวัคซีน ชนิดของอินมูโนเจนที่แสดงออก รวมถึงการส่งวัคซีนเข้าไปยังช่องต่างๆ ในต่อมน้ำเหลือง (lymphoid compartment) โดยเฉพาะๆ
ทั่วไปแล้ว การฉีดผสมน้ำเกลือ (ไม่ว่าจะเข้าในกล้ามเนื้อหรือเข้าผิวหนัง) มักก่อการตอบสนองของเซลล์ทีชนิด TH1 และการใช้ปืนยิงยีนจะทำให้เซลล์ TH2 ตอบสนอง
นี่เป็นจริงสำหรับแอนติเจนที่จับกับเยื่อหุ้มเซลล์และแอนติเจนในน้ำเลือด แต่ไม่จริงสำหรับแอนติเจนที่หลั่งออกมา ซึ่งมักจะก่อการตอบสนองของ TH2 ไม่ว่าจะส่งวัคซีนด้วยวิธีใดๆ

ปกติแล้ว ชนิดเซลล์ทีที่ตอบสนองจะคงยืนเป็นระยะยาวโดยไม่เปลี่ยนไปเมื่อติดโรค หรือแม้เมื่อก่อภูมิคุ้มกันโดยวิธีที่ปกติจะทำให้เซลล์ทีอีกอย่างตอบสนองในบุคคลที่ไม่เคยติดโรคหรือไม่เคยได้วัคซีนมาก่อน
แต่งานศึกษาปี1995 ก็พบด้วยเหมือนกันว่าวัคซีนดีเอ็นเอที่เข้ารหัสโปรตีน circumsporozoite ของปรสิตมาลาเรียหนู คือ Plasmodium yoelii (ยีน PyCSP) เบื้องต้นทำให้เซลล์ TH2 ตอบสนอง แต่ต่อมาเปลี่ยนเป็น TH1 หลังได้วัคซีนโดสที่สอง

เหตุที่เซลล์ทีชนิดต่างๆ ตอบสนอง 
มีเรื่องที่ยังไม่ชัดเจนหลายอย่างรวมทั้งกลไกของวิธีต่างๆ ตามที่ว่า, รูปแบบแอนติเจนที่แสดงออก และรูปแบบการตอบสนองของเซลล์ทีชนิดต่างๆ 
เบื้องแรกคาดว่า การฉีดเข้ากล้ามเนื้อที่ต้องใช้ดีเอ็นเอปริมาณมากเป็นเหตุให้เซลล์ทีแบบ TH1 ตอบสนอง
แต่หลักฐานการทดลองกลับไม่แสดงว่าขนาดยามีผลต่อชนิดเซลล์ทีที่ตอบสนอง
แต่ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนสภาพ (differentiation) ของเซลล์ที่แสดงแอนติเจนคือ antigen-presenting cell (APC)
 (dendritic cell ตัวย่อ DC) ซึ่งเป็น APC ชนิดหนึ่งอาจเปลี่ยนสภาพแล้วหลั่งอินเตอร์ลิวคินชนิด IL-12 ซึ่งสนับสนุนพัฒนาการของเซลล์ทีแบบ TH1 หรือหลั่งชนิด IL-4 ซึ่งสนับสนุนเซลล์แบบ TH2
คือ เมื่อใช้วิธีการฉีด pDNA เข้าไปในร่างกาย  ก็จะกลืนมันเข้าไปผ่านกระบวนการเอนโดไซโทซิส ซึ่งจะกระตุ้นให้ให้เซลล์เปลี่ยนสภาพเพื่อผลิตชนิด TH1 (คือ IL-12)
เทียบกับปืนยิงยีนที่ส่งดีเอ็นเอเข้าไปในเซลล์โดยตรง จึงไม่กระตุ้น TH1 เยี่ยงนี้

ประโยชน์การทำให้เซลล์ทีโดยเฉพาะๆ ตอบสนองมากกว่า 
การเกิดเซลล์ทีประเภทใดประเภทหนึ่งยิ่งกว่ามีประโยชน์ในเรื่องภูมิแพ้และโรคภูมิต้านตนเอง
เมื่อมีโรคภูมิต้านตนเอง เป้าหมายการรักษาก็เพื่อเปลี่ยนการตอบสนองแบบ TH1 (คือเซลล์ทีซึ่งฆ่าเซลล์) ไปเป็นแบบ TH2 ซึ่งไม่ทำลายเซลล์
ซึ่งได้ประสบความสำเร็จแล้วในการชักนำ (priming) ให้เกิดการตอบสนองในรูปแบบที่ต้องการสำหรับสัตว์ทดลองพรีคลินิกในช่วงภาวะก่อนเกิดโรค (predisease)
และได้ประสบความสำเร็จบ้างในการเปลี่ยนการตอบสนองสำหรับโรคที่เกิดแล้ว

การตอบสนองของเซลล์ทีชนิดทำลายเซลล์ 
ข้อดีอย่างหนึ่งของวัคซีนดีเอ็นเอก็คือสามารถทำให้เม็ดเลือดขาวชนิดทำลายเซลล์ (cytotoxic T lymphocyte, CTL) ตอบสนองโดยไม่มีความเสี่ยงเหมือนกับวัคซีนเชื้อเป็น
การตอบสนองของ CTL สามารถเกิดกับเอพิโทปที่ CTL เข้าจับทั้งแบบ immunorecessive และ immunodominant
ซึ่งคล้ายกับที่เกิดในการติดเชื้อตามธรรมชาติ
ดังนั้น วัคซีนจึงอาจมีประโยชน์ในการตรวจสอบเอพิโทปที่ CTL เข้าจับและบทบาทของ CTL ในการสร้างภูมิคุ้มกัน

เซลล์ทีที่ฆ่าเซลล์สามารถรู้จำเพปไทด์ขนาดเล็ก (เป็นกรดอะมิโน 8-10 หน่วย) ที่เข้าคอมเพล็กซ์กับโมเลกุล MHC class I
เป็นเพปไทด์อนุพัทธ์จากโปรตีนในไซโทซอลที่ได้สลายแล้วส่งไปให้โมเลกุล MHC class I ที่ยังใหม่ (nascent) ภายในร่างแหเอนโดพลาซึม ()
การส่งผลิตภัณฑ์ยีนเข้าไปที่ ER โดยตรง (โดยสอดใส่ลำดับ ER insertion signal sequence ทางด้านเอ็น-เทอร์มินัส) สามารถเพิ่มการตอบสนองของ CTL
ซึ่งประสบความสำเร็จแล้วกับไวรัสลูกผสม vaccinia ที่แสดงออกโปรตีนไข้หวัดใหญ่
โดยหลักการนี้ก็ควรจะใช้ได้กับวัคซีนดีเอ็นเอด้วย
การจัดให้แอนติเจนเสื่อมภายในเซลล์ (และดังนั้น จึงสามารถเข้าไปในวิถีเมแทบอลิซึม MHC class I pathway) โดยเพิ่มยูบิควิตินซึ่งเป็นลำดับเพปไทด์ส่งสัญญาณ หรือโดยกลายพันธุ์ลำดับเพปไทด์ส่งสัญญาณอื่นๆ พบว่ามีประสิทธิภาพเพิ่มการตอบสนองของ CTL
การตอบสนองของ CTL ยังอาจเพิ่มได้ด้วยการฉีดโมเลกุลที่ร่วมกระตุ้น  วัคซีนดีเอ็นเอ โมเลกุลเช่น B7-1 หรือ B7-2 เพื่อต่อต้านนิวคลีโอโปรตีนของ
หรือ GM-CSF เพื่อต่อต้านปรสิตมาลาเรีย Plasmodium yoelii ของหนู
การฉีดวัคซีนดีเอ็นเอร่วมกับพลาดมิดที่เข้ารหัสโมเลกุลร่วมกระตุ้นเช่น IL-12 และ TCA3 พบว่าเพิ่มฤทธิ์ของ CTL ต่อแอนติเจนชนิดนิวคลีโอโปรตีนของ HIV-1 และ

การตอบสนองทางน้ำเหลือง (สารภูมิต้านทาน) 

การตอบสนองของแอนติบอดี/สารภูมิต้านทานที่วัคซีนดีเอ็นเอชักนำอาศัยปัจจัยหลายอย่างรวมทั้งชนิดของแอนติเจน
แหล่งที่พบแอนติเจน (เช่น ในเซลล์หรือหลั่งออก)
จำนวนโดส ความถี่ ขนาดวัคซีน
ตำแหน่งที่ฉีด และวิธีการส่งแอนติเจน

จลนศาสตร์ 
การตอบสนองทางน้ำเหลืองเพราะฉีดวัคซีนดีเอ็นเอครั้งเดียวอาจมีผลที่คงยืนกว่าการฉีดวัคซีนโปรตีนลูกผสมครั้งเดียวเหมือนกัน
ยกตัวอย่างเช่น การตอบสนองทางสารภูมิต้านทานต่อโปรตีนเปลือกหุ้ม (HBsAg) ของไวรัสตับอักเสบบี อาจคงยืนถึง โดยไม่ต้องฉีดบูสต์ 
อีกอย่างหนึ่ง ภูมิคุ้มกันตลอดชีวิตต่อต้านไกลโคโปรตีน haemagglutinin ของไข้หวัดใหญ่ก็ทำได้แล้วในหนูเมื่อใช้ปืนยิงยีน
เซลล์ที่หลั่งสารภูมิต้านทาน (antibody-secreting cell, ASC) จะเคลื่อนไปยังไขกระดูกและม้ามแล้วสามารถสร้างสารภูมิต้านทานในระยะยาว โดยจะอยู่เป็นประจำที่นั่นหลังจากปีหนึ่ง

ตารางต่อไปจะแสดงการตอบสนองทางสารภูมิต้านทานเมื่อติดเชื้อไวรัสโดยธรรมชาติ, เมื่อสร้างภูมิคุ้มกันด้วยโปรตีนลูกผสม (recombinant protein) และด้วยวัคซีนดีเอ็นเอ
วัคซีนดีเอ็นเอจะเพิ่มการตอบสนองทางสารภูมิต้านทานได้ช้ากว่าการติดเชื้อหรือโปรตีนลูกผสม
โดยอาจต้องใช้เวลานานถึง  แต่การฉีดบูสต์ก็ลดช่วงเวลานี้ได้เหมือนกัน
นี้น่าจะเป็นเพราะระดับแอนติเจนที่แสดงออกได้น้อยเป็นเวลาหลายอาทิตย์ ซึ่งต้องสนับสนุนการตอบสนองของสารภูมิต้านทานทั้งในระยะปฐมภูมิและทุติยภูมิ

มีการฉีดวัคซีนดีเอ็นเอที่แสดงออกโปรตีนเปลือก (envelope protein) ทั้งขนาดเล็กขนาดกลางของไวรัสตับอักเสบบีให้แก่ผู้ใหญ่ที่เป็นโรคตับอักเสบเรื้อรัง
ซึ่งทำให้เซลล์ผลิตไซโตไคน์โดยเฉพาะ คือ interferon gamma
อนึ่ง เซลล์ทีซึ่งรู้จักโปรตีนเปลือกหุ้มขนาดกลางก็เกิดขึ้นด้วย
แต่การตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของคนไข้ก็ยังไม่พอควบคุมการติดเชื้อไวรัสบี

อนึ่ง ความเข้มข้นของสารภูมิต้านที่วัคซีนดีเอ็นเอชักนำก็จะน้อยกว่าที่ได้จากโปรตีนลูกผสม
แต่สารภูมิต้านทานเนื่องกับวัคซีนดีเอ็นเอมีสัมพรรคภาพ (affinity) กับเอพิโทปที่พับอยู่ในสภาพปกติ (native epitope) ที่แน่นกว่าสารภูมิต้านทานเนื่องกับโปรตีน
กล่าวอีกนัยก็คือ วัคซีนดีเอ็นเอก่อการตอบสนองเชิงคุณภาพที่ดีกว่า
โดยสารภูมิต้านทานจะเกิดด้วยการฉีดเพียงครั้งเดียว เทียบกับโปรตีนลูกผสมที่ต้องฉีดบูสต์
วัคซีนดีเอ็นเอยังสามารถก่อการตอบสนองของเซลล์ TH ในรูปแบบที่ต้องการ และดังนั้น จึงชักนำสารภูมิต้านทานใน isotype ที่ต้องการได้อีกด้วย ซึ่งไม่เกิดกับการติดเชื้อตามธรรมชาติหรือการฉีดโปรตีนเป็นวัคซีน

กลไกของภูมิคุ้มกันเนื่องกับดีเอ็นเอ

DNA uptake 
เมื่อพบเป็นครั้งแรกว่า เซลล์กล้ามเนื้อในร่างกายดูดซึมดีเอ็นเอแล้วแสดงออกโปรตีน
ตอนนั้นก็ยังคาดว่าเป็นเซลล์พิเศษเพราะมี T-tubule เป็นเครือข่ายขนาดใหญ่
ต่อมาเมื่อตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงเสนอว่า การดูดซึมดีเอ็นเอเข้าในเซลล์จะเกิดผ่านโครงสร้าง caveolae (หรือ non-clathrin coated pit) ที่เยื่อหุ้มเซลล์
แต่หลังจากนั้นกลับพบว่า เซลล์อื่นๆ (เช่น keratinocyte,  และเซลล์เนื้อเยื่อบุผิวชนิดเซลล์ลังเกอร์ฮันส์) ก็สามารถนำดีเอ็นเอเข้าในเซลล์เหมือนกัน
กลไกการนำดีเอ็นเอเข้าไปในเซลล์จึงยังไม่ชัดเจน

มีทฤษฎีหลักสองอย่าง คือ หนึ่ง เป็นการรับดีเอ็นเอเข้าไปอย่างไม่เฉพาะเจาะจง เช่น ดังที่พบในกระบวนการฟาโกไซโทซิสหรือพิโนไซโทซิส
หรือ สอง เป็นการรับดีเอ็นเอเข้าไปผ่านหน่วยรับโดยเฉพาะๆ
ซึ่งอาจรวม หน่วยรับที่ผิวเซลล์ขนาด  หรือหน่วยรับของแมคโครฟาจ
หน่วยรับ 30 กิโลดัลตัน จะเข้ายึดอย่างเฉพาะเจาะจงกับส่วนดีเอ็นเอขนาด 4,500 bp (แล้วรับเข้าไปในเซลล์) โดยหน่วยรับพบอยู่ที่ antigen-presenting cell และเซลล์ที
ส่วนหน่วยรับของแมคโครฟาจสามารถจับกับมาโครโมเลกุลหลายชนิด รวมทั้ง (polyribonucleotide) ซึ่งเป็นหน่วยโครงสร้างพื้นฐานของดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอ และดังนั้น จึงอาจเป็นตัวนำดีเอ็นเอเข้าไปในเซลล์
การดูดซึมดีเอ็นเอผ่านหน่วยรับอาจอำนวยโดยการมีลำดับยีนที่เป็นกัวนีนต่อๆ กัน (polyguanylate sequence) ในดีเอ็นเอ
มีวิธีส่งวัคซีนอื่นๆ ที่ไม่ส่งเข้าไปในเซลล์ผ่านกระบวนการเช่นนี้ เช่น ปืนยิงยีน และการส่งยีนโดยยึดไว้กับลิโปโซมเป็นต้น

การแสดงแอนติเจนของเซลล์ 

งานศึกษาต่างๆ กับหนูไคมีรา พบว่าเซลล์อนุพัทธ์จากเซลล์ไขกระดูกรวมทั้งเซลล์เดนไดรต์ แมคโครฟาจ และเซลล์บีที่ปรับตัวพิเศษ (specialized B cell) เป็นที่รวมๆ เรียกว่า professional antigen presenting cells
เซลล์ลังเกอร์ฮันส์เป็นแมโครฟาจประจำเนื้อเยื่อผิวหนัง
พบว่า หลังจากใช้ปืนยิงยีนเข้าที่ผิวหนัง เซลล์ลังเกอร์ฮันส์ที่ได้ดีเอ็นเอก็จะย้ายไปที่ที่อยู่ใกล้ๆ เพื่อแสดงแอนติเจน
เทียบกับเมื่อฉีดวัคซีนในกล้ามเนื้อหรือในผิวหนัง จะเป็นที่ได้แล้วย้ายไปที่ต่อมน้ำเหลืองที่อยู่ใกล้ๆ เพื่อแสดงแอนติเจน
lj;oแมคโครฟาจที่ได้ดีเอ็นเออาจพบในเลือดที่เวียนไปในร่างกาย

นอกจากการส่งดีเอ็นเอเข้าไปในเซลล์เดนไดรต์และแมคโครฟาจโดยตรง (direct transfection) แล้ว ยังเกิดกระบวนการ cross priming เมื่อให้วัคซีนไม่ว่าจะโดยฉีดเข้ากล้ามเนื้อ เข้าผิวหนัง หรือผ่านปืนยิงยีน
เมื่อเซลล์อนุพัทธ์ของเซลล์ไขกระดูกหนึ่งแสดงเพปไทด์ที่อีกเซลล์หนึ่งสังเคราะห์ขึ้นด้วย MHC class 1 กระบวนการนี้เรียกว่า cross priming
ซึ่งเตรียมให้เซลล์ทีชนิดฆ่าเซลล์พร้อมในการตอบสนอง และดูจะสำคัญต่อความสมบูรณ์ในการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันระยะปฐมภูมิ

เป้าหมาย 
การฉีดวัคซีนเข้ากล้ามเนื้อและเข้าผิวหนังทำให้ภูมิคุ้มกันตอบสนองต่างกัน
ที่ผิวหนัง เซลล์ประเภท keratinocyte, เซลล์สร้างเส้นใย และเซลล์ลังเกอร์ฮันส์ สามารถดูดซึมดีเอ็นเอแล้วแสดงแอนติเจนที่ชักนำให้เกิดการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันในระยะปฐมภูมิ
เซลล์ลังเกอร์ฮันส์ที่ได้ดีเอ็นเอจะย้ายออกจากผิวหนัง (ภายใน ) เข้าไปยังต่อมน้ำเหลืองใกล้ๆ ที่ๆ เซลล์อำนวยให้เซลล์บีและเซลล์ทีตอบสนอง
ในกล้ามเนื้อโครงร่าง แม้เซลล์กล้ามเนื้อลายจะเป็นเซลล์ที่รับดีเอ็นเอเข้าไปมากที่สุด ก็กลับไม่สำคัญต่อการตอบสนองของภูมิคุ้มกัน
แต่การฉีดเข้ากล้ามเนื้อจะทะลักเข้าไปในต่อมน้ำเหลืองที่อยู่ใกล้ๆ ภายในไม่กี่นาที แล้วเข้าไปในเซลล์เดนไดรต์ในที่นั้นๆ แล้วก่อการตอบสนองของภูมิคุ้มกัน
ส่วนเซลล์กล้ามเนื้อ (myocyte) ที่ได้รับดีเอ็นเอแล้วจะเป็นหน่วยเก็บแอนติเจนสำรองเพื่อให้เซลล์แสดงแอนติเจน () นำไปแสดง

การตอบสนองของภูมิคุ้มกันที่คงยืน 
วัคซีนดีเอ็นเอมีประสิทธิภาพสร้างความจำให้แก่ภูมิคุ้มกัน เพราะมีการแสดงคอมเพล็กซ์แอนติเจน-แอนติบอดีที่ follicular dendritic cells (FDC) ซึ่งช่วยกระตุ้นเซลล์บีอย่างมีกำลัง
แอนติเจนที่แสดงใน germinal center ของต่อมน้ำเหลือง ก็ยังช่วยกระตุ้นเซลล์ทีอีกด้วย
FDC ช่วยให้ภูมิคุ้มกันเกิดความจำเพราะช่วงการผลิตแอนติบอดีจะคาบเกี่ยวกับการแสดงออกของแอนติเจนที่เป็นไปในระยะยาว จึงสามารถเกิดคอมเพล็กซ์แอนติเจน-แอนติบอดีที่ FDC แสดงได้

อินเตอร์เฟียรอน 
ทั้งเซลล์ทีเฮลเปอร์และเซลล์ทีชนิดเป็นพิษต่อเซลล์ (cytotoxic T-cell) สามารถควบคุมการติดเชื้อไวรัสโดยหลั่งอินเตอร์เฟียรอน
แม้เซลล์ทีชนิดเป็นพิษปกติจะฆ่าเซลล์ที่ติดเชื้อไวรัส
แต่ก็สามารถระตุ้นให้หลั่งไซโตไคน์ต่อต้านไวรัสเช่น IFN-γ (interferon gamma) และ TNF-α (tumor necrosis factor alpha) ซึ่งไม่ฆ่าเซลล์แต่จำกัดการติดเชื้อไวรัสโดยลด (down-regulating) การแสดงออกของไวรัสได้
ดังนั้น วัคซีนดีเอ็นเอจึงสามารถใช้บรรเทาการติดเชื้อไวรัสอาศัยอินเตอร์เฟียรอนที่ไม่ทำลายเซลล์
ซึ่งได้พิสูจน์แล้วกับเชื้อไวรัสตับอักเสบบี
อนึ่ง IFN-γ เป็นโปรตีนส่งสัญญาณซึ่งสำคัญยิ่งในการควบคุมการติดเชื้อมาลาเรีย
จึงมีลู่ทางว่าอาจใช้ทำวัคซีนดีเอ็นเอต้านมาลาเรียได้

การปรับการตอบสนองของภูมิคุ้มกัน

ดูเพิ่ม 
 ยีนบำบัด
 วัคซีนอาร์เอ็นเอ

เชิงอรรถและอ้างอิง

แหล่งข้อมูลอื่น 

 

วัคซีนดีเอ็นเอ
ดีเอ็นเอ
วัคซีนกรดนิวคลีอิก
การส่งยีน
วิทยาไวรัส