CC BY
27
ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ И ОБЗОРЫ ЕД
Перспективы и трудности создания вакцин против COVID-19
Князева О.Р.12, Гончаров А.Е.1
Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси, Минск 2Республиканский научно-практический центр эпидемиологии и микробиологии, Минск, Беларусь
Kniazeva V. R.12, Hancharou AY1
'Institute of Biophysics and Cell Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk 2The Republican Research and Practical Center for Epidemiology and Microbiology, Minsk, Belarus
Prospects and difficulties of creating vaccines against COVID-19
Резюме. Коронавирус SARS-Cov-2 - новый возбудитель острых респираторных заболеваний, получивших название COVID-19, передающийся воздушно-капельным путем, часто приводящий к развитию острого респираторного дистресс-синдрома и смерти пациента. Вакцины являются наиболее эффективным и экономичным средством профилактики инфекционных заболеваний и борьбы с ними. К моменту написания данного обзора достаточно много вакцин против коронавируса нового типа вышли на третью фазу клинических испытаний. В обзоре мы резюмируем прогресс по разработке этих препаратов во всем мире, в частности, по кандидатным антигенам, адъювантам, оценке модели и технологий, используемых при их создании. Ключевые слова: SARS-CoV-2, коронавирус нового типа, вакцины.
Медицинские новости. — 2020. — №12. — С. 4—7. Summary. The SARS-Cov-2 coronavirus is a new virus with the ability to transmit airborne droplets and cause severe respiratory illness wtth fever, cough, shortness of breath symptoms and severe cases that can often be fatal. Vaccines are the most effective and cost effective way to prevent and control infectious diseases. At the time of writing this review, a few vaccines against the novel coronavirus have entered the third phase of clinical trials. Here, we summarize recent progress in the development of these vaccines worldwide, in particular wtth regard to candidate antigens, adjuvants, model evaluation and technologies used in their development. Keywords: SARS-CoV-2, new type coronavirus, vaccines. Meditsinskie novosti. - 2020. - N12. - P. 4-7.
В декабре 2019 года в Ухани (КНР) внимание врачей привлекла группа пациентов с пневмонией. Виновник заболевания был быстро идентифицирован как ранее неизвестный p-коронавирус, который был назван Всемирной организацией здравоохранения SARS-CoV-2 [1, 2]. К 26 марта 2020 года более 80 000 человек в Китае были инфицированы этим патогеном, а 3293 человека из них умерли. В условиях агрессивных мер контроля, проводимых китайским правительством, внутреннюю эпидемию, похоже, удалось эффективно сдержать. Однако на глобальном уровне вспышка переросла в пандемию и вызвала уже более чем 46 млн подтвержденных случаев заболевания в более чем 210 других странах (из них более 100 000 случаев в Республике Беларусь), ставшую уникальным событием в области общественного здравоохранения, привлекающим всеобщее внимание.
SARS-CoV-2 - РНК-вирус с положительной цепью, который принадлежит к группе p-коронавирусов. Геном SARS-CoV-2 составляет приблизительно 29 700 нуклеотидов и на 79,5% идентичен SARS-CoV [3]. Включает длинный полипротеин ORF1ab на 5' конце, который кодирует 15 или 16 неструктурных белков; 3' конец генома кодирует 4 основных структурных белка, включая белок spike (S), белок нуклеокапсида (N), белок мембраны (M) и белок оболочки (E) [4]. SARS-CoV-2
проникает в клетку, связываясь с рецептором ангиотензинпревращающего фермента 2. Вирус вызывает острое поражение верхних и, особенно, нижних дыхательных путей, сопровождающееся лихорадкой, кашлем, одышкой, развитием дыхательной, а в дальнейшем и полиорганной недостаточности, которая может быть фатальной [5-6].
Вакцины являются наиболее эффективным и экономичным средством профилактики инфекционных заболеваний и борьбы с ними [7]. Уже более 40 фармацевтических компаний и академических институтов по всему миру не только запустили свои программы по разработке вакцины против SARS-CoV-2, но и перешли к стадии клинических исследований. В статье мы резюмируем недавний прогресс по разработке этой вакцины во всем мире, в частности, по кандидатным антигенам, адъювантам, оценке модели и технологий, используемых в соответствующих исследованиях.
Вакцины против SARS-CoV-2
С учетом отсутствия эффективных средств как медицинской профилактики, так и специфической противовирусной терапии болезни, широкое применение вакцин против SARS-CoV-2 имеет решающее значение для предотвращения заболеваемости и снижения числа летальных исходов, вызванных COVID-19. При этом очень важно, чтобы вакцина вызывала продолжительный и сбалансированный
гуморальный и Thl-направленный клеточный иммунный ответ против SARS-CoV-2. В настоящее время разрабатываются и определяется эффективность различных вакцин-кандидатов, включая вакцины на основе нуклеиновых кислот, инактивированного вируса, живые аттенуированные вакцины, вакцины, содержащие рекомбинантные белки или синтетические пептиды и вакцины с вирусным вектором. С учетом необходимости массового применения, помимо высокой иммуногенности, к вакцинам предъявляются и другие требования: простые способы введения (например, внутримышечный или интраназальный), условия доставки и хранения и др.
К августу 2020 года были начаты мультицентровые исследования III фазы, в каждом из которых участвуют десятки тысяч человек из разных географических точек мира (например, США, Великобритания, ОАЭ, Марокко, Аргентина, Перу, Бразилия, Индонезия, Россия, Китай и Южная Африка). Промежуточные результаты этих испытаний будут доступны в конце 2020 года, что позволит сделать выводы об эффективности и безопасности вакцин против COVID-19. Примечательно, что некоторые испытания III фазы разработаны и статистически нацелены на предотвращение тяжелой формы COVID-19. Этот дизайн может в дальнейшем послужить проблемой при оценке эффективности с точки зрения
МЕДИЦИНСКИЕ НОВОСТИ
№12 • 2020
достаточности количества участников. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в США издало руководство о том, что вакцина COVID-19 должна защитить не менее 50% вакцинированных людей, чтобы считаться эффективной. Примечательно, что несколько испытаний включают лиц моложе 18 лет и достаточное число участников в возрасте старше 55 лет однако все испытания исключают беременных женщин. На данный момент выявлены мутации SARS-CoV-2, которые могут затруднить применение вакцин в связи с возможным уклонением вируса от иммунного ответа к спайковому гликопротеину - так называемая ахиллесова пята вакцины СО^-19.
По состоянию на 14.11.2020 года из открытых источников информации известно о 48 вакцинах-кандидатах против коронавируса нового типа SARS-CoV-2, проходящих клинические испытания. Среди них 7 вакцин содержат в качестве основы инактивированный вирус, 6 -мРНК, 4 - реплицирующийся вирусный вектор, 9 - нереплицирующийся вирусный вектор, 15 - белковых субъединичных, 5 - ДНК-вакцин, 2 - вакцины с использованием вирусоподобных частиц. Одиннадцать из вышеперечисленных вакцин-кандидатов уже находятся на третьей стадии клинических испытаний (таблица). Дополнительно 164 вакцины проходят доклиническую оценку [6, 7].
Живые аттенуированные вакцины
производят из штаммов возбудителя с ослабленной вирулентностью, но сохраненными антигенными свойствами. Классическими способами получения таких вакцин является отбор наименее вирулентных штаммов вируса, «пассирование» возбудителя в организмах маловосприимчивых животных или в иных неблагоприятных условиях. В последнее время для создания аттенуированных вакцин активно используют методы генетической инженерии. Такой подход применен при разработке экспериментальных вакцин против вирусов гриппа, респираторно-синцитиального вируса, вируса лихорадки Ласса, полиовирусов. К преимуществам живых вакцин относят сильный иммунный ответ, направленный против комплекса антигенов возбудителя, как гуморальный, так и клеточный, который сохраняется на протяжении десятилетий или даже пожизненно. К недостаткам - возможная вирулентность вируса для лиц с иммунодефицитами. В настоящее время широко применяют живые вакцины против кори, краснухи, паротита, ветряной оспы, ротавирусной инфекции. В недавнем прошлом активно использовали живые вакцины против гриппа, полиомиелита. Против новой коронавирусной инфекции в настоящее время в Турции (Университет Аджибадем) и Индии (Codagenix, Indian Immunologicals
Ltd.) разрабатывают 3 живые аттену-ированные интраназальные вакцины, созданные при помощи технологии деоп-тимизации кодонов, которые находятся на стадии доклинических испытаний.
Инактивированные цельновирионные вакцины, равно как и вакцины расщепленные/субъединичные безопасны, технология их получения применительно к другим вирусам хорошо известна. Инактивиро-ванные вакцины производят путем выращивания вируса на чувствительных к нему культурах клеток или куриных эмбрионах, затем вирус инактивируют при помощи воздействия высоких температур, химическим способом (формалин или р-пропиолактон) или у-облучением. В случае дробной вакцины микроорганизм обрабатывается, чтобы выделить только те компоненты, которые должны быть включены в вакцину (гемагглютинины вируса гриппа и др).
Соответственно, инактивированные вакцины не могут вызвать инфекционное заболевание даже у человека с иммунодефицитом. В отличие от живых вакцин, при использовании которых иммунный ответ очень напоминает естественную инфекцию, иммунитет к инактивированной вакцине в основном гуморальный. Для эффективной защиты при применении инактивированных вакцин всегда требуется несколько доз. Следует отметить, что титры антител против инактивированных антигенов со
ЛИЦН Вакцины против COVID-19 в III фазе клинических исследований [7]
Наименование Производитель Технология Кратность и интервал введения
CoronaVac Sinovac Инактивированная цельновирионная + адъювант гидроксид алюминия 2-кратно, 14 дней
Без наименования Wuhan Institute of Biological Products / Sinopharm Инактивированная цельновирионная 2-кратно, 21 день
BBIBP-CorV Beijing Institute of Biological Products / Sinopharm Инактивированная цельновирионная + адъювант гидроксид алюминия 2-кратно, 21 день
Covaxin Bharat Biotech Инактивированная цельновирионная + адъювант (алюминия гидроксид и агонист) 2-кратно, 28 дней
AZD1222 (ChAdOxl nCoV-19) University of Oxford / AstraZeneca Нереплицирующийся вирусный вектор (ChAdOx1-S) 2-кратно, 28 дней
Ad5-nCoV CanSino Biological / Beijing Institute of Biotechnology Нереплицирующийся вирусный вектор (^5) 1-кратно
Sputnik V (formerly Gam-COVID-Vac) Gamaleya Research Institute Нереплицирующийся вирусный вектор (^26^+^5^) 2-кратно, 21 день
JNJ-78436735 Johnson & Johnson's Janssen Pharmaceuticals division Нереплицирующийся вирусный вектор (^26) 1-кратно / 2-кратно, 56 дней
NVX-CoV2373 Novavax Рекомбинантная (рекомбинантный SARS-CoV-2 S-белок + адъювант МаЫх-М1) 2-кратно, 21 день
mRNA-1273 Moderna / NIAID мРНК 2-кратно, 28 дней
BNT162 BioNTech / Fosun pharma / Pfizer мРНК 2-кратно, 28 дней
временем значительно уменьшаются, в результате некоторые инактивирован-ные вакцины могут потребовать периодических дополнительных доз для усиления продукции антител. В настоящее время количество доступных цельноклеточных инактивированных вакцин ограничено. К ним относят вакцины против полиомиелита, клещевого энцефалита, гепатита А, бешенства, гриппа. К недостаткам инактивированных вакцин помимо недостаточной иммуногенности и слабой стимуляции клеточного иммунного ответа стоит отнести и необходимость подбора адъювантов (гидроксид алюминия, MF59, полиоксидоний) для усиления эффективности. Как правило, инактивированные вакцины вводят внутримышечно.
Так, в настоящее время, на III фазе клинических исследований находятся 4 цельновирионные инактивированные вакцины разработки КНР (Sinovac, Sinopharm) и Индии (Bharat Biotech). Технология их получения схожа: используется накопленный в культуре клеток Vero вирус SASR-CoV-2, инактивированный ß-пропиолактоном, очищенный и связанный с гидроксидом алюминия. В вакцину Covaxin производства Bharat Biotech также добавлен агонист TLR7/8 рецепторов для усиления эффективности.
мРНК-вакцины представляют собой многообещающую альтернативу традиционным подходам к созданию вакцин из-за их высокой эффективности, безопасности, возможности быстрой разработки и недорогого производства. мРНК вакцины состоят из генетического материала, называемого матричной РНК, которая представляет собой промежуточный этап между трансляцией ДНК, кодирующей целевой белок, и производством белков рибосомами в цитоплазме. В настоящее время в качестве вакцин изучаются два основных типа РНК: не-реплицирующаяся мРНК и самоампли-фицирующаяся РНК вирусного происхождения. Обычные вакцины на основе мРНК кодируют необходимый антиген и содержат 5' и 3' нетранслируемые области, тогда как самоамплифицирующиеся РНК кодируют не только антиген, но и вирусный репликационный аппарат, который обеспечивает внутриклеточную амплификацию РНК и обильную экспрессию белка. III фаза испытаний мРНК-1273 вакцины-кандидата против COVID-19, в которой приняли участие 30 000 взрослых участников из США, выявила только пять из 95 случаев COVID-19 у вакцинированных, в то время как 90 заражений
были выявлены в группе плацебо, что соответствует эффективности 94,5%. Ни у одного из инфицированных пациентов, получивших вакцину, не развился тяжелый COVID-19, в то время как у 11 (12%) из тех, кто получил плацебо, развился. Аналогичным образом, вакцина-кандидат Pfizer-BioNTech (BNT162b2) оказалась на 90% эффективнее в предотвращении инфекции во время III фазы клинического испытания, в котором приняли участие 43 538 участников (30% в США и 42% за рубежом). Таким образом, мРНК представляют собой новый мощный развивающийся класс вакцин, обладающих высоким потенциалом в отношении универсальности и безопасности применения. Из недостатков следует отметить, что некоторые вакцины на основе мРНК хранят при низких температурах (ниже -20 °С), что создает проблемы при их транспортировке и хранении [10].
ДНК-вакцины содержат нуклеотид-ную последовательность, кодирующую определенный ген патогенного микроорганизма. Для доставки гена используют плазмидный или вирусные вектора. Собственно, ДНК-вакциной, как правило, называют вакцины на основе плазмидно-го вектора. При попадании в организм захватившие плазмиду клетки сами будут продуцировать антигены вируса. Несмотря на потенциально высокую эффективность, есть вопросы к доставке самого вакцинного препарата (для большей эффективности часто применяют электропортация, микроинъекции и прочие нерутинные способы), хотя некоторые ДНК-вакцины вводят внутримышечно.
Векторные вакцины, как правило, на основе аденовирусов представляют собой новый класс вакцин, ранее широко не использовавшихся. Преимущества вирусных векторов основаны на их способности проникать в клетку, обеспечивать внутриклеточную экспрессию антигена, и заключаются в следующем: а) высокая эффективность генной транс-дукции; б) высокоспецифичная доставка генов к клеткам-мишеням; с) индукция устойчивого иммунного ответа, в особенности, в отношении Т-клеточного иммунитета. Несмотря на свою эффективность, вирусные векторы также имеют неизбежные проблемы, которые необходимо решать. В некоторых векторах стабильная экспрессия интересующего гена достигается за счет механизмов вирусной интеграции, что может приводить к развитию онкозаболеваний. Еще одним препятствием для клинического
использования (особенно повторного) вирусных векторов является наличие ранее существовавшего иммунитета против самого вектора. Это вызвано предыдущим контактом с вирусом и выработкой нейтрализующих антител, что приведет к снижению эффективности вакцины. Создание вирусных векторов требует высокого уровня биологической безопасности, поэтому часто выбираются непатогенные или низкопатогенные вирусы. В большинстве случаев вирусы создаются с помощью генной инженерии для снижения или устранения патогенно-сти, кроме того, большинство вирусных векторов дефектны по репликации. При использовании вирусного вектора важно оценить потенциальные последствия, понимая эпидемиологические и вирусологические характеристики. Однако, по всей видимости, вакцины с вирусными векторами будут обладать значительной иммуногенностью в сравнении с другими. Вакцина, разработанная компанией AstraZeneca в партнерстве с Оксфордским университетом, показала среднюю эффективность в предотвращении заболевания - 70%. Согласно результатам промежуточного анализа данных клинических испытаний, при однодозной схеме ее эффективность составляла 90%. По предварительным данным, эффективность российской вакцины Sputnic-V может составлять более 90%. Эти результаты требуют подтверждения с использованием больших выборок, также остаются открытыми вопросы о безопасности вакцины [7-8].
Белковые субъединичные вакцины включают лишь отдельные антигены патогенного микроорганизма, которые лучше всего стимулируют иммунную систему. Антигены выделяют из биомассы возбудителя (вакцины против гриппа), получают с использованием технологии рекомбинантной ДНК в непатогенном хозяине, например, Е. соИ, дрожжевых клетках (вакцины против гепатита В) либо выполняют химический синтез (синтетические короткоцепочеч-ные пептиды). Хотя такой подход может сделать вакцины более безопасными и более легкими в производстве, для индукции протективного иммунитета часто требуется добавление адъювантов, поскольку сами антигены относительно слабо иммуногенны. Одной из вакцин против COVID-19, в которой используют рекомбинантный S-белок коронавируса, является вакцина NVX-CoV2373 компании Novavax [9].
МЕДИЦИНСКИЕ НОВОСТИ
№12 • 2020
6
Вирусоподобные частицы - молекулы, которые имитируют вирусы, но при этом не патогенны. Они являются очень эффективным способом создания вакцин против таких болезней, как вирус папилломы человека (ВПЧ), гепатит В и другие. Они состоят из одного или нескольких структурных белков, которые могут быть расположены в несколько слоев и покрыты внешней липидной оболочкой. Этот внешний слой защищает генетический материал внутри вирусной частицы. Вирусоподобные частицы спонтанно собираются из структурных белков вируса, они биосовместимы и не заразны. VLP может служить платформой для многих потенциальных вакцинных эпитопов, отображать их в виде плотного повторяющегося массива и вызывать продукцию антител против слабоиммуногенных веществ. Генетическая или химическая конъюгация способствует поливалентному отображению гомологичного или гетерологичного эпитопа. Большинство их имеет диаметр от 25 до 100 нм и свободно проникают в лимфатические сосуды, способны индуцировать антитела с высокими титрами и сродством без необходимости использования дополнительных адъю-вантов. Введение вирусоподобных частиц может осуществляться с использованием различных стратегий, схем и доз для повышения иммуногенности антигена, который они выставляют на своей поверхности. При создании данного типа вакцины могут быть использованы клетки бактерий, дрожжей, насекомых или млекопитающих.
«Вакцины» на основе антигенпред-ставляющих клеток
Свойство антигенпредставляющих клеток захватывать антиген, а затем презентовать его Т-клеткам, инициируя адаптивный иммунный ответ, может быть использовано для создания средств медицинской профилактики корона-вирусной инфекции. Для создания таких «вакцин» используют аутологичные моноцитарные дендритные клетки или искусственные антигенпредставляющие клетки на основе перевиваемых клеточных линий, а доставка антигенного материала осуществляется, используя или способность АПК к пиноцитозу, или различные методы трансфекции/транс-дукции. Термин «вакцина» взят в кавычки, так как, согласно законодательству Республики Беларусь, пересадочный материал на основе клеток человека называется биомедицинским клеточным продуктом (БМКП). В то же время в зарубежной литературе применительно к
иммуностимулирующим БМКП укоренился термин «вакцина». Так, известно о трех разрабатываемых «вакцинах» на основе дендритных клеток. Одна из них (разрабатывает компания Aivita Biomedical, Inc.) представляет собой дендритные клетки, праймированные антигенами вируса SARS-CoV-2 [11]. Шеньчженьский генно-иммунный медицинский институт разрабатывает сразу две вакцины. Первая представлена дендритными клетками, трансдуцированных лентивирусными векторами, экспрессирующими белки SARS-CoV-2 [12]. Вторая - искусственными антигенпредставляющими клетками, экспрессирующими антигены вируса и иммуностимулирующие рецепторы [13]. К преимуществам такого подхода можно отнести относительную скорость и оперативность разработки, с учетом того, что дендритные клетки используют в медицине уже более двух десятилетий, в том числе для лечения хронических инфекций. К недостаткам относят высокую стоимость аутологичного продукта, время, необходимое для подготовки клеток (5-10 дней), сложность масштабирования.
Таким образом, каждый из типов вакцин имеет свои преимущества и недостатки [1-13].
Помимо выбора типа вакцины необходимо уделять внимание особенностям их доставки (путям введения) или системам доставки вакцин в качестве альтернативы инъекционным вакцинам, чтобы повысить стабильность антигена и улучшить общую иммуногенность. Учеными на примере других вакцин было продемонстрировано, что новые стратегии, основанные на составе съедобных (оральных) или внутрикожных вакцин, вызывают как системный, так и иммунный ответ слизистых оболочек. Эти новые системы доставки вакцины предлагают несколько преимуществ по сравнению с инъекционными препаратами, включая самостоятельное применение, снижение стоимости, стабильность и отсутствие необходимости в соблюдении холодовой цепи [14].
Заключение
Еще многое предстоит узнать про иммунитет в целом и защиту от SARS-CoV-2, в частности, включая вакцинно-индуцированный и клеточный иммунный ответ. Крайне важно, чтобы исследования были сосредоточены и базировались на понимании и определении генетических особенностей инфекции, выявлении мишеней гуморального и клеточного иммунных ответов на уровне эпитопов, на характери-
стике соответствующих В- и Т-клеточных рецепторов и их репертуара, поддержании защитного иммунитета после перенесенной болезни или вакцинации.
Можно предположить, что здравоохранению понадобятся вакцины нескольких типов, предназначенные для разных групп населения (например, недоношенные младенцы, дети, беременные, иммунно-скомпрометиро-ванные и пожилые люди и др.). Также следует отметить, что ученые призвали к сокращению процесса разработки вакцины за счет использования моделей контролируемого заражения человека. По состоянию на 13.11.2020 г., таких исследований не проводилось, однако Великобритания рассматривает возможность инициирования таких испытаний в начале 2021 года. Важнейшим вопросом является также тщательное тестирование и обеспечение максимальной безопасности вакцин, особенно созданных на новых, ранее широко не применявшихся платформах.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Zhang J., Zeng H., Gu J., et al. // Vaccines (Basel). - 2020. - Vol.8, N2. - P.153.
2. Lurie N., Saville M., Hatchett R., Halton J. // N. Engl. J. Med. - 2020. - Vol.382, N21. - P.1969-1973.
3. Chen W.H., Strych U., Hotez P.J., Bottazzi M.E. // Curr. Trop. Med. Rep. - 2020. - N1. - P.4.
4. Krammer F // Nature. - 2020. - Vol.586. - P.516-527.
5. Dong Y, Dai T., Wei Y et al. // Sig. Transduct. Target Ther. - 2020. - Vol.5. - P.237.
6. Poland G.A., Ovsyannikova I.G., Kennedy R.B. // Lancet. - 2020. - Vol.396. - P.1595-1606.
7. World Health Organization [Draft landscape of COVID-19 candidate vaccines]. https://www.who. int/publications/m/item/draft-landscape-of-covid-19-candidate-vaccines. - Date of access: 23.11.2020
8. Ura T, Okuda K., Shimada M. // Vaccines (Basel). -2014. - Vol.2, N3. - P.624-641.
9. Caldeira J.C., Perrine M., Pericle IF, Cavallo F // Viruses. - 2020. - Vol.12, N5. - P.488.
10. Pardi N., Hogan M.J., Porter FW., Weissman D. // Nat. Rev Drug Discov. - 2018. - Vol.17, N4. - P.261-279.
11. Phase Ib-II Trial of Dendritic Cell Vaccine to Prevent COVID-19 in Adults [Electronic resource]. -2020. - Mode of access: https://clinicaltrials.gov/ct2/ show/NCT04386252. - Date of access: 23.11.2020
12. Immunity and Safety of Covid-19 Synthetic Minigene Vaccine [Electronic resource]. - 2020. -Mode of access: https://clinicaltrials.gov/ct2/show/ NCT04276896. - Date of access: 23.11.2020
13. Safety and Immunity of Covid-19 aAPC Vaccine [Electronic resource]. - 2020. - Mode of access: https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT04299724. -Date of access: 23.11.2020
14. Criscuolo E., Caputo V, Diotti R.A., Sautto G.A., Kirchenbaum G.A., Clementi N. // J. Immunol. Res. -2019. - 2019: 8303648. - P.11.
Поступила 23.11.2020 г.
