Szczepionki podawane na błony śluzowe

Skróty: APC – komórka prezentująca antygen, OPV – doustna szczepionka przeciwko poliomyelitis

Wprowadzenie

Od czasu opracowania i użycia przez Edwarda Jennera ponad 200 lat temu pierwszej szczepionki przeciwko ospie prawdziwej oraz zastosowania kilku kolejnych generacji antybiotyków, preparaty szczepionkowe wciąż odgrywają decydującą rolę w zapobieganiu zachorowaniom na różne choroby zakaźne, zwłaszcza wirusowe. Eradykacja ospy prawdziwej oraz znaczne zmniejszenie częstości występowania zakażeń wirusem polio pozwala uznać szczepienia za najbardziej znane i najskuteczniejsze zastosowanie wiedzy z zakresu immunologii do ratowania ludzkiego zdrowia i życia. Szczepionki są także najbardziej ekonomiczną metodą zapobiegania chorobom zakaźnym. Ich składnikami mogą być pełne komórki bakteryjne i wirusy lub antygeny izolowane z tych patogenów. Ponadto, niektóre szczepionki dodatkowo zawierają adiuwanty, czyli substancje zwiększające ich skuteczność. Szczepionki są klasyfikowane według typu stosowanego antygenu oraz sposobu ich podawania. Tradycyjnie szczepionki wstrzykuje się podskórnie lub domięśniowo, wywołując w ten sposób odporność systemową (np. duże stężenie swoistych immunoglobulin [Ig] G w surowicy krwi) bez wywołania odporności śluzówkowej (małe stężenie wydzielniczych IgA). Jednak biorąc pod uwagę fakt, że błony śluzowe są głównymi „wrotami”, przez które drobnoustroje wnikają do naszego organizmu, coraz większym zainteresowaniem cieszy się opracowanie szczepionek podawanych na błony śluzowe i tym samym zapewnienie odporności związanej z układem immunologicznym błon śluzowych. Szczepionki podane na błony śluzowe nie tylko indukują sekrecję przeciwciał klasy IgA na błonach śluzowych, ale także zwiększają stężenie IgG w surowicy krwi. Obecnie, jedyną szczepionką do podawania na błony śluzowe, którą powszechnie stosuje się w ramach realizacji programów szczepień u niemowląt i dzieci, jest doustna, atenuowana („żywa”) szczepionka przeciwko wirusowi polio (oral polio vaccine – OPV) opracowana przez Alberta Sabina w latach 50. ubiegłego wieku. Szczepionka ta indukuje zarówno systemową, antygenowo swoistą odpowiedź immunologiczną, jak i na błonach śluzowych. Jak dotąd zarejestrowano także doustną szczepionkę przeciwko cholerze, rotawirusom i durowi brzusznemu wywoływanemu przez pałeczkę Salmonella typhi (niezarejestrowana w Polsce) oraz donosową szczepionkę przeciwko grypie (niezarejestrowana w Polsce). W II fazie badań klinicznych jest także liposomalna szczepionka przeciwko grypie podawana donosowo (Izrael). Celem niniejszego artykułu jest zwrócenie uwagi na coraz większą rolę i zalety szczepionek podawanych na błony śluzowe. Więcej szczegółowych informacji Czytelnik znajdzie w załączonym piśmiennictwie.

Układ immunologiczny związany z błonami śluzowymi

Błony śluzowe są głównym miejscem kontaktu naszego organizmu ze środowiskiem zewnętrznym i stanowią miejsce przenikania drobnoustrojów chorobotwórczych. Do błon śluzowych zaliczamy błonę śluzową układu pokarmowego, oddechowego i moczowo-płciowego, a także spojówkę oka. Tkanka limfatyczna związana z błonami śluzowymi tworzy skomplikowany układ zwany systemem MALT (mucosa associated lymphoid tissue), który jest szczególnie dobrze rozwinięty w obrębie jelit (gut-associated lymphoid tissue – GALT) i górnych dróg oddechowych – nosa i gardła (nasopharynx-associated lymphoid tissue – NALT). Odpowiedź immunologiczna w systemie GALT jest indukowana w zorganizowanych strukturach limfatycznych, takich jak kępki Peyera, węzły chłonne krezki i pojedyncze grudki limfatyczne. Natomiast NALT stanowi nagromadzenie tkanki limfatycznej w postaci pierścienia Waldeyera i obejmuje migdałki: gardłowy, językowy, podniebienne oraz trąbkowe.^1,2 Obecne w jelitach kępki Peyera są pokryte nabłonkiem towarzyszącym grudkom (follicle-associated epithelium – FAE), zawierającym komórki M. Główną funkcją komórek M jest wychwyt cząsteczek i drobnoustrojów ze światła jelita. Komórki te są pokryte cienką warstwą śluzu, a na części wolnej mają krótkie, nieregularne mikropofałdowania. Od strony błony podstawnej komórki M posiadają wgłębienia tworzące kieszenie, w których zgromadzone są limfocyty B i T. Tu też mogą się znajdować komórki prezentujące antygen (antigen presenting cells – APC) w postaci makrofagów i komórek dendrytycznych.³ Przechwycone przez komórki M makrocząsteczki lub drobnoustroje są poddawane dalszej „obróbce” w komórkach APC (degradacji na drobne fragmenty) i prezentowane swoistym limfocytom T, które po aktywacji stymulują limfocyty B do syntezy przeciwciał klasy IgA.⁴ Przeciwciała te występują w postaci wydzielniczych dimerów IgA (sIgA). W kolejnym etapie sIgA są transportowane przez nabłonek jelita na powierzchnię błon śluzowych, gdzie mogą spełniać swoją bezpośrednią, ochronną funkcję. Następuje to poprzez aglutynację i opsonizację bakterii, co skutkuje blokowaniem adherencji komórek bakteryjnych do nabłonków. Podczas transcytozy IgA przez komórki nabłonka jelit przeciwciała IgA neutralizują i hamują uwalnianie wirusów z już zakażonych komórek nabłonkowych. Mogą także eliminować przypadkowe antygeny (w tym pokarmowe), które dostały się do blaszki właściwej jelita.⁵

Drogi podania szczepionek

Odpowiedź immunologiczna na szczepienie zależy nie tylko od składu szczepionki („żywa” vs „zabita”), ale także drogi jej podania. W przypadku tradycyjnego wstrzyknięcia (podskórnie lub domięśniowo) w miejscu podania rozwija się stan zapalny umożliwiający naciekającym komórkom APC pobieranie i przetwarzanie antygenów zawartych w szczepionce. Następnie komórki APC wędrują drogami limfatycznymi do lokalnych węzłów chłonnych, gdzie po kontakcie z antygenowo swoistymi limfocytami B i T dochodzi do indukcji systemowej odpowiedzi immunologicznej typu humoralnego i komórkowego. W efekcie powstają przeciwciała IgM i IgG i/lub limfocyty T zdolne do rozpoznawania i eliminacji drobnoustrojów obecnych we krwi oraz w zakażonych tkankach (narządach). Z kolei szczepionki podawane na błony śluzowe, zwłaszcza „żywe” (atenuowane), indukują zarówno systemową odpowiedź immunologiczną, jak i na błonach śluzowych, co jest związane ze swoistą budową systemu MALT (p. wyżej).⁶ Po doustnym podaniu szczepionki odpowiedź jest indukowana w układzie pokarmowym oraz gruczołach ślinowych i piersiowych. Szczepienie donosowe jest szczególnie skuteczne w indukcji odpowiedzi immunologicznej w drogach oddechowych.⁷ Podejmuje się także próby podjęzykowego podawania szczepionek, skąd swoiste składniki szczepionki mogą być pobierane przez lokalne komórki dendrytyczne CD11c+ i transportowane do węzłów chłonnych. Pomysł na taki sposób podawania szczepionek zrodził się na podstawie wyników badań wskazujących, że składniki inaktywowanych szczepionek przeciwko grypie (zawierających adiuwanty) przedostawały się do ośrodkowego układu nerwowego i mogły być przyczyną porażenia Bella u zaszczepionych osób. Zaletą szczepionek podjęzykowych jest łatwość podania, mała dawka antygenu oraz większe bezpieczeństwo.^8,9 Rozważa się także opracowanie szczepionek doodbytniczych, dopochwowych oraz w postaci kropli do oczu.^10,11

Systemy dostarczania szczepionek i adiuwanty immunologiczne

Większość dostępnych szczepionek podawanych na błony śluzowe zawiera atenuowane bakterie lub wirusy i nie wymaga użycia dodatkowych adiuwantów w celu wzmocnienia odpowiedzi immunologicznej. Natomiast głównym problemem związanym z podawaniem szczepionek na błony śluzowe, szczególnie układu pokarmowego, jest ryzyko indukcji tolerancji immunologicznej na antygeny przedostające się do naszego organizmu tą drogą, zamiast skutecznej odpowiedzi immunologicznej. Zatem indukcja odporności związanej z błonami śluzowymi poprzez szczepienie jest dość trudnym zadaniem i może wymagać użycia odpowiednich adiuwantów oraz specjalnych systemów transportu antygenów szczepionki. Największym wyzwaniem wydaje się opracowanie takiego sposobu dostarczania antygenów zawartych w szczepionce, który chroniłby je przed degradacją w żołądku i jelitach. Przykładami takich substancji mogą być ligandy dla receptorów komórek M, cząsteczki liposomów, emulsje oleju w wodzie MF59 i cząsteczki tzw. nanożeli.^12-14 Zupełną nowością jest opracowanie przez japońskich naukowców szczepionki przeciwko cholerze z wykorzystaniem nowoczesnych metod biologii molekularnej. Dzięki transformacji ryżu genetycznie modyfikowanymi bakteriami z rodzaju Agrobacterium, które posiadają gen dla toksyny Vibro cholerae (podjednostki B), uzyskano ekspresję tego białka w bielmie ziaren ryżu (MucoRice-CTB). W takiej postaci antygeny są stabilne i po podaniu doustnym nie ulegają strawieniu w soku żołądkowym. Badania na myszach i makakach pokazują, że komórki M wychwytują antygeny w jelitach, a co najważniejsze, u zwierząt, które otrzymywały taką szczepionkę, zaobserwowano syntezę swoistych dla cholery przeciwciał IgA i IgG.^15,16

Obecnie stosowane szczepionki

Charakterystyczne cechy aktualnie zarejestrowanych i stosowanych szczepionek podawanych doustnie i donosowo opisano w tabeli.

Szczepionki przeciwko cholerze

Cholera jest ostrą i zakaźną chorobą przewodu pokarmowego, którą wywołują Gram-ujemne bakterie przecinkowca cholery (Vibrio cholerae). Do zakażenia dochodzi w wyniku spożycia pokarmu lub wody skażonej szczepami tej bakterii, która występuje w 2 serotypach: O1 i O139.¹⁷ W przebiegu zakażenia obserwuje się ostre, wodniste biegunki oraz wymioty, co może prowadzić do ciężkiego odwodnienia i śmierci. Według danych Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) w 2016 roku odnotowano ponad 24 000 zachorowań, z czego prawie 400 zakończyło się zgonem.¹⁸ Bezpośrednią przyczyną objawów choroby jest kontakt z enterotoksyną produkowaną przez bakterie (CT). Stosowane w przeszłości szczepionki do wstrzyknięć nie zapewniały wystarczającej ochrony i generowały wysokie koszty, dlatego aktualnie zaleca się stosowanie doustnych szczepionek przeciwko cholerze (Dukoral, Shanchol lub mORCVax). Dukoral zawiera zabite oba serotypy bakterii oraz inaktywowaną CT, a pozostałe 2 szczepionki tylko zabite komórki bakteryjne.¹⁹

Szczepionki przeciwko rotawirusom

Zakażenia rotawirusami są najczęstszą przyczyną biegunki u niemowląt i dzieci. Rocznie na całym świecie notuje się >450 000 zgonów dzieci <5. roku życia, a prawie 2 miliony wymaga hospitalizacji z powodu ostrego nieżytu żołądkowo-jelitowego wywołanego przez rotawirusy.¹⁸ Wyróżniamy dwa główne antygeny powierzchniowe determinujące typ serologiczny G i P wirusa (lub genotyp), w zależności od swoistości białek strukturalnych otoczki kapsydu: VP7 (typ G) lub VP4 (typ P). Obecnie dostępne 2 doustne szczepionki przeciwko rotawirusom zawierają atenuowane wirusy: RotaTeq oraz Rotarix. Pierwsza z nich to 5-walentna szczepionka zawierająca podtypy: G1, G2, G3, G4 i P8, a druga jest szczepionką monowalentną zawierającą typ G1[P8]. Obie szczepionki charakteryzują się podobną, dużą skutecznością i podobnym profilem bezpieczeństwa (ryzyko wystąpienia odczynu niepożądanego w postaci wgłobienia jelita jest bardzo małe, a korzyści ze szczepienia znacznie większe).^20,21 Ważną cechą tych szczepionek jest ich zdolność do indukcji syntezy przeciwciał sIgA, a także aktywacji limfocytów T CD8+, czyli odpowiedzi komórkowej, bardzo istotnej w odporności przeciwwirusowej.²²

Szczepionki przeciwko durowi brzusznemu

Dur brzuszny to ogólnoustrojowa choroba wywoływana Gram-ujemnymi pałeczkami Salmonella typhi, która objawia się m.in. ostrą biegunką i rumieniową osutką, często prowadząc do skrajnego wyczerpania. Źródłem zakażania jest brudna woda, nieumyte owoce oraz nieczystości zawierające bakterie.²³ Według danych opublikowanych w 2014 roku na świecie rocznie notuje się 22 mln zachorowań i ponad 200 000 zgonów z powodu duru brzusznego.¹⁸ Aktualnie dostępna doustna szczepionka przeciwko Salmonella typhi zawiera żywe, atenuowane pałeczki Ty21a. Po jej podaniu następuje aktywacja limfocytów CD8+ oraz zwiększona produkcja interleukiny 17.²⁴ Wykazano, że szczepionka może dodatkowo chronić przed zakażaniami Salmonella enterica paratyphi A i B.²⁵

Szczepionki przeciwko grypie

Grypa jest ostrą chorobą zakaźną wywoływaną przez wirusy atakujące górne lub dolne drogi oddechowe. Do zakażenia dochodzi drogą kropelkową. Wyróżnia się 3 główne typy wirusa grypy: A, B oraz C, które można poddać dalszej klasyfikacji na podtypy, w zależności od rodzaju białek tworzących otoczkę białkową (hemaglutynina – H oraz neuraminidaza – N).²⁶ Na rynku dostępne są inaktywowane szczepionki podawane we wstrzyknięciach oraz atenuowane („żywe”) szczepionki donosowe. Oba rodzaje szczepionek charakteryzują się podobną skutecznością w indukcji odpowiedzi humoralnej, natomiast tylko preparat donosowy aktywuje limfocyty T CD4+, CD8+ i γδ, zapewniając tym samym odporność komórkową.²⁷ W badaniach wykazano, że najnowsza szczepionka donosowa – 4-walentna FluMist – zawierająca szczepy A/H1N1, A/H3N2, B/Yamagata i B/Victoria – nie jest skuteczniejsza od wcześniejszej szczepionki 3-składnikowej.²⁸ Szczepionka ta nie jest zarejestrowana w Polsce.

Szczepionki przeciwko poliomyelitis

Poliomyelitis jest wysoce zakaźną chorobą wirusową przenoszoną drogą pokarmową lub kropelkową. Najbardziej narażone są osoby, które miały kontakt z chorym lub jego wydzielinami, czemu może sprzyjać nieprzestrzeganie podstawowych zasad higieny. W niektórych przypadkach zakażenie prowadzi do uszkodzenia nerwów obwodowych i w konsekwencji do porażenia mięśni.²⁹ Dzięki podjęciu przez WHO Globalnej Inicjatywy Eliminacji Polio, chorobę tę udało się wyeliminować w większości krajów na świecie. Masowe szczepienia istotnie zmniejszyły liczbę zachorowań z około 29 000 (w 175 krajach) w 1986 roku do 5 przypadków (w 2 krajach) w 2017 roku.³⁰ Obecnie dostępne są 2 rodzaje szczepionek przeciwko polio: podawana doustnie (OPV), w skład której wchodzą 3 atenuowane typy serologiczne wirusa, oraz inaktywowana, podawana we wstrzyknięciu (inactivated polio vaccine – IPV), zawierająca nieaktywne cząsteczki wirusa typu 1, 2 i 3.³¹ Szczepionka OPV jest łatwa do podania i tania w produkcji, ale przede wszystkim lepiej indukuje produkcję swoistych dla wirusa polio IgG, IgM i IgA w surowicy krwi oraz wzbudza odpowiedź immunologiczną związaną z błonami śluzowymi. Jest to szczególnie istotne, ponieważ wirus przenika do organizmu człowieka przez nabłonek jelit.²⁹ Jednak użycie w szczepionce żywego szczepu wiązało się z ryzykiem jego mutacji (vaccine-derived polio virus). W takiej postaci wirus może powracać do środowiska i wywoływać porażenia wiotkie. Bardzo rzadkim odczynem niepożądanym OPV jest tzw. porażenie wiotkie związane ze szczepieniem (vaccine associated paralysys polio – VAPP), zespół objawów podobnych do poliomyelitis. Ryzyko wystąpienia VAPP wynosi około 3 przypadki na 1 milion dawek szczepionki OPV.³² W Polsce OPV stosowano do kwietnia 2016 roku jako dawkę przypominającą w 6. roku życia, po czym zgodnie z zaleceniami WHO szczepionka została wycofana. Aktualnie w ramach programu szczepień stosuje się wyłącznie IPV.³³

Podsumowanie

Błony śluzowe są główną drogą, przez którą organizmy chorobotwórcze przedostają się do naszego organizmu, dlatego logiczne wydaje się zapewnienie odporności związanej z błonami śluzowymi i aktywacja mechanizmów odpowiedzi immunologicznej poprzez podawanie szczepionek na błony śluzowe. Ogromną zaletą tego typu szczepionek jest fakt, że indukują one odpowiedź systemową i lokalną na błonach śluzowych. Stymulują produkcję swoistych przeciwciał IgG i wydzielniczych IgA, a także aktywują limfocyty T CD8+, co ma szczególne znaczenie w odpowiedzi komórkowej przeciwko patogenom wewnątrzkomórkowym. Podawanie „żywych” szczepionek na błony śluzowe naśladuje zatem naturalny proces zakażania organizmu przez dany drobnoustrój. W porównaniu ze szczepionkami podawanymi we wstrzyknięciach, szczepionki podawane na błony śluzowe są wygodne i proste w użyciu, nie wywołują fizycznego ani fizjologicznego dyskomfortu, co jest szczególnie ważne w przypadku szczepienia dzieci. Brak konieczności użycia jednorazowych strzykawek i igieł znacznie zmniejsza także koszty szczepionek. Jednak immunizacja drogą błon śluzowych ma pewne ograniczenia, szczególnie w przypadku stosowania szczepionek zawierających inaktywowane drobnoustroje lub ich fragmenty, co uniemożliwia ich adherencję do nabłonka. Ponadto, antygeny zawarte w szczepionkach podawanych na błony śluzowe są narażone na degradację (soki żołądkowe), ich penetracja jest utrudniona (mucyna, połączenia ścisłe nabłonków) i są aktywnie usuwane z powierzchni błon (perystaltyka, wydzielanie śluzu). Aby pokonać te trudności, należy opracować skuteczne systemy ochrony i dostarczania szczepionek do miejsc indukcji odpowiedzi immunologicznej. Obecnie bada się zastosowanie antygenów ulegających ekspresji w transgenicznych komórkach roślinnych (Muco-Rice) oraz włączanie antygenów w cząsteczki liposomów. Obiecujące są wyniki badań potwierdzające skuteczność szczepionek podawanych podjęzykowo. Najtrudniejsze wydaje się jednak przezwyciężenie tolerancji immunologicznej na antygeny uwalniane ze szczepionek w obrębie błon śluzowych, dlatego istotne znaczenie ma opracowanie skutecznych i bezpiecznych adiuwantów immunologicznych, zwłaszcza gdy szczepionki miałyby zawierać inaktywowane patogeny lub wyłącznie ich fragmenty. Podsumowując, udoskonalone szczepionki podawane na błony śluzowe rozszerzą możliwości immunoprofilaktyki wobec chorób wirusowych, nie zastąpią jednak wielu skutecznych szczepionek podawanych obecnie we wstrzyknięciu podskórnym lub domięśniowym.