Последний писк

На слуху сейчас все больше вакцины молекулярного дизайна: мРНК, вирусные векторы. Но это только против бактерий и вирусов, а если вам угрожают эукариоты, выбирать пока не из чего — одобренных вакцин от таких болезней до сих пор нет. Принцип, на котором строится новая многообещающая вакцина от малярии, придумали и проверили на мышах еще в 1967 году. Ждать, пока она заработает, пришлось больше 50 лет. А для того, чтобы она вышла в люди, понадобится еще какое-то время, бочки донорской крови, роботизированная гильотина и, конечно, немного генетического редактирования.

Сто лет назад людей лечили не только от малярии, но и самой малярией — она считалась верным средством от сифилиса. А поскольку им страдал каждый пятый пациент психиатрической больницы, при некоторых действовали даже специальные комариные фермы. Насекомые жили в клетках на улице, вынашивали малярийных плазмодиев в своих слюнных железах и «паслись» на кроликах, ожидая, пока их допустят к телу больного.

Поэтому, когда в 1940-х годах, после вакцин от туберкулеза, столбняка и дифтерии, дело дошло до малярии, было ясно, что с проверкой новой вакцины проблем не возникнет. Заражать людей мы умеем, лечить — тоже, возбудитель давно известен. Оставалось лишь подобрать удобный способ его обезвредить.

В 1947 году несколько врачей из Чикаго ввели ослабленных формалином плазмодиев группе частично парализованных пациентов (которые, вероятно, уже не могли ни воспротивиться испытанию, ни согласиться на него). Эксперимент вышел не только неэтичным, но и неудачным. Когда «добровольцев» заразили малярией повторно, уже «здоровыми» плазмодиями, выяснилось, что иммунитет к болезни у них не появился. Технология нуждалась в доработке — и, желательно, без испытаний на людях. Но это оказалось совсем не просто.

Союз с комаром

Тот, кого мы называем малярийным плазмодием — это не вирус, не бактерия, а группа близких видов одноклеточных эукариот. И все они крайне привередливы. Пять видов плазмодиев, которые вызывают малярию у людей, отказываются размножаться даже во многих приматах, не говоря уже о других отрядах млекопитающих. Поэтому найти модельный организм для разработки вакцины от малярии сразу не получилось. Пара десятков лет ушли на то, чтобы найти и выделить плазмодия, который инфицирует мышей (но не человека), и отработать протокол заражения мышей малярией в лаборатории.

В 1967 году, наконец, состоялись первые испытания вакцины от мышиной малярии. Американские ученые взяли зараженных комаров, вырезали у них слюнные железы вместе с плазмодиями и подставили под рентгеновские лучи. Облученные паразиты сохранили способность заражать клетки, но уже не могли в них размножаться. Больше половины мышей, которые получили дозу ослабленных радиацией плазмодиев, приобрели устойчивость к малярии. С тех пор мы знаем, что вакцина от малярии все-таки возможна.

Напрямую воспроизводить эту технологию на людях

 — никто не гарантировал, что может начисто отделить плазмодиев от остатков слюнной железы комара. А если частички комариных тканей окажутся в кровотоке человека — это чревато как минимум аллергией, а то и закупоркой сосудов, или даже заражением крови.

С вирусами и бактериями, вакцины от которых уже давно поставили на поток, таких проблем не возникало. Первые можно вырастить в клеточной культуре, вторые — на питательной среде. Но малярийный плазмодий, как истый эукариот, прихотлив и своенравен. Он не растет в культурах — он живет только в комаре. Причем только в его слюнной железе (та стадия, которая заражает людей). Полвека спустя мы знаем, что подобная привередливость свойственна всем одноклеточным эукариотическим паразитам, будь то лямблия, бабезия или токсоплазма. Разбираться со всеми их особенностями и умениями сложно, долго, неудобно. Поэтому и вакцин от вызываемых ими болезней нет.

Но зачем, казалось бы, выделять плазмодиев из комара, если комар и без посторонней помощи отлично умеет доставлять паразитов внутрь человека? Почему бы не облучить комара целиком, вместе с плазмодиями в его слюнной железе? В 1970-м году выяснилось, что такой метод облучения тоже работает — а в 1973-м удалось с его помощью вызвать иммунитет к малярии у одного добровольца (на этот раз настоящего, давшего согласие на процедуру).

Этот результат, однако, решительно невозможно масштабировать. Одно дело — держать несколько клеток с комарами при больнице, а другое — возить за собой по городам и весям фургоны, забитые клетками с тысячами облученных насекомых. В эксперименте 1973 года добровольцу потребовалось выдержать 379 укусов, чтобы обрести иммунитет к малярии. Сложно представить, сколько пришлось бы запасти комаров, чтобы их аппетита хватило на все население Африки.

Трехглавый враг

Можно было бы, конечно, попробовать подкрасться к плазмодию с другой стороны — и атаковать его на другой стадии жизненного цикла. Их у него несколько. Тот плазмодий, что попадает в кровь человека с укусом комара, выглядит как длинное тонкое каноэ с ядром посередине и зовется спорозоитом. Он прячется в клетки печени, размножается там и выходит наружу тысячами мелких шарообразных или грушевидных клеток — мерозоитов. Мерозоиты проникают в эритроциты, размножаются там и снова выходят наружу, разрушая их (с этого момента у человека, собственно, начинаются приступы малярийной лихорадки). Какая-то часть плазмодиев после этого продолжает заражать новые эритроциты, а некоторые приобретают форму банана. Это гаметоциты, их задача — вернуться в тело комара для полового размножения.

Вакцина, которая сработала на мышах и укушенном 379 раз пациенте, знакомила иммунитет со спорозоитами — чтобы не дать плазмодию пробраться в печень. Но цена промаха у такой вакцины высока. Плазмодий проводит в форме спорозоита совсем немного времени, и если хотя бы несколько из них ускользнут от иммунного надзора и доберутся до печени, то выйдут оттуда уже мерозоитами — невидимыми для иммунитета (потому что прививка учила его охотиться на предыдущую форму плазмодия) и разрушительными для эритроцитов.

Атаковать плазмодия на выходе из печени кажется более осторожной идеей: иммунитет привитого не защищал бы его от заражения, но мешал бы мерозоитам проникать в эритроциты и тормозил бы развитие болезни. Но здесь проблема с выращиванием плазмодия стоит еще острее. Если комаров, которые «вынашивают» спорозоитов, еще можно развести в лаборатории, то размножать эритроциты для наработки мерозоитов мы попросту не умеем: у них нет ядра, они не способны делиться. Однако до решения этой проблемы дело даже не дошло — все мерозоитные вакцины, которые до сих пор испытывали, оказались неэффективны.

Наконец, можно догнать плазмодия на последней стадии — когда он уже приготовился мигрировать обратно в тело комара. Такая вакцина не будет ни защищать людей от инфекции, ни облегчать течение болезни, — лишь затормозит распространение малярии. И если окажется достаточно эффективной, то может и вовсе избавить человечество от этой болезни. Но такую вакцину будет невероятно сложно испытать. Даже если бы удалось вакцинировать больных малярией в какой-нибудь деревне — непонятно, что делать дальше: отлавливать всех комаров в округе и проверять их на наличие плазмодия? Или считать число новых зараженных малярией? С учетом того, что отдельные популяции комаров то растут, то сокращаются, то мигрируют, эти данные получились бы сильно искаженными.

Поэтому в поисках малярийной вакцины ученые снова и снова возвращались к тому, что попроще: вакцинам на спорозоитах. Оставалось только научиться их добывать.

Разделяй и синтезируй

К началу 80-х ситуация выглядела безнадежной. Хорошего источника спорозоитов так и не нашли, новых вакцин на рынке не появилось. Не было и большого желания их искать — во многих развитых странах малярии не видели уже несколько десятков лет. Немногим исследователям, что продолжали ей заниматься, приходилось отправлять своих подчиненных «в поле» — посмотреть, как на самом деле выглядит далекая африканская болезнь.

В это время придумали полимеразную цепную реакцию, ПЦР — способ копировать гены, не размножая организм целиком. За него тут же ухватились исследователи малярии, отказавшись от ослабленных паразитов и провозгласив эру новых вакцин, синтетических. Можно было больше не пасти комаров на кроликах, не ломать глаза над бинокуляром в поисках слюнных желез и обойтись одной инъекцией вместо четырех сотен. Достаточно было забрать у плазмодия какой-нибудь ген, «скормить» его бактериям и заставить производить спорозоитные белки — и знакомство человека с малярией станет гораздо менее болезненным и трудоемким.

С тех пор так поступили с гепатитом В, папилломавирусом и гриппом — но не смогли поступить с малярией. Возможно, дело в том, что одиночные белки плазмодия не способны сами по себе вызвать достаточно сильный иммунный ответ. Кроме того, плазмодий оказался не только капризен, но и изменчив. Сотни миллионов людей, которые болеют им ежегодно — это огромный полигон для эволюции. Каждый из пяти видов плазмодия, опасный для человека, делится на сотни линий — и все они продолжают меняться, приобретая устойчивость к лекарствам, инсектицидам и вакцинам.

Поэтому даже те идеи, что казались эффективными в лаборатории, одна за другой проваливались. Только одна дошла до широкого применения среди африканских детей, хотя предотвращает лишь треть случаев тяжелой малярии: ВОЗ рассудила, что лучше такая защита, чем никакой. Найти универсальный антиген, который создавал бы у иммунитета образ всех плазмодиев на свете, никому за полвека так и не удалось.

Возвращение на ферму

И вот в начале 2000-х годов, разочаровавшись в синтетических методах, группа американских исследователей основала компанию Sanaria, чтобы разобраться с малярией старым, сложным — но понятным путем.

Время для этого было, впрочем, куда более благоприятное, чем в 1970-х. Но и с современной технологической базой малярийному стартапу потребовался десяток лет на то, чтобы научиться полностью очищать спорозоитов от тканей комара и замораживать их в жидком азоте для транспортировки. Компания сделала ставку на тяжелый ручной труд — и только к 2010-м годам отчиталась о том, что поставила производство плазмодиев на поток.

В хорошей вакцине, по их расчетам, должно быть от полутора до трех с половиной миллионов ослабленных спорозоитов. Если бы их доставляли в организм комары, потребовалось бы около десятка тысяч укусов. Но если выделять спорозоитов из слюнных желез напрямую, то одного насекомого оказывается достаточно, чтобы набрать нужную дозу. Сейчас команда из шести сотрудников компании за час успевает обработать около 500 комаров — то есть получает по меньшей мере 500 доз вакцины.

Еще десяток лет ушел на то, чтобы отточить методику вакцинации: подобрать нужную концентрацию плазмодиев для вакцины и способ введения в организм. В финальной версии из процедуры убрали облучение: теперь человек получает полностью жизнеспособных спорозоитов — а вслед за ними, через пару дней, противомалярийные препараты. Таким образом, плазмодии попадают в организм целыми и невредимыми, а «ослабленность» вакцины выражается в том, что через несколько дней паразиты гибнут от лекарств. Это позволило снизить дозу плазмодиев: теперь для одной инъекции нужны не миллионы ослабленных, а всего пара сотен тысяч спорозоитов.

И вот, спустя 54 года после исторического эксперимента на мышах, «живая» вакцина от малярии PfSPZ добилась успеха. От болезни оказались защищены 7 из 8 (87,5 процента) добровольцев, которые получили спорозоитов и пириметамин (он убивает плазмодия в клетках печени), а также 6 из 6, которым достались спорозоиты и хлорохин (он действует позже, когда плазмодий доходит до эритроцитов). Более того, их иммунитет оказался стерилизующим — то есть вакцина защитила их не только от симптомов болезни, но и от заражения вообще. Защита сработала не только против того самого варианта плазмодия, которым их прививали, но и против другой линии паразитов, и продержалась по меньшей мере три месяца. Это маловато для африканских детей, но в самый раз для иностранных туристов.

Комариная жатва

Выборка в несколько десятков добровольцев — это, конечно, только первый этап клинических испытаний. Вакцину ждет множество других проверок на эффективность. Но гораздо труднее будет пройти проверку рынком — на масштабирование производства.

За живой вакциной по пятам шагает антигенная вакцина R21. В апреле 2021-го года она показала 77-процентную эффективность. И даже если Sanaria достойно проведет свою вакцину через клинические испытания, компании придется научиться производить ее дешевле и эффективнее, чем у конкурентов, которые справляются и без комаров.

Выращивать спорозоитов in vitro ученые до сих пор не умеют (хотя уже неоднократно предпринимали такие попытки). Если команда из 6 человек продолжит производить 500 доз в час, то на всех детей Африки ей потребуется 114 лет с хвостиком — так что неплохо было бы найти способ ускориться. Поэтому компания озаботилась созданием робота, который занимался бы выделением спорозоитов из комаров.

Добыть слюнную железу относительно просто: достаточно отсечь комару голову и надавить на грудь, с этим могут справиться автоматизированные гильотина и пресс. Гораздо больше времени, даже у тренированных лаборантов, занимает педантичное выкладывание комаров на гильотину — чтобы все они смотрели головами в одну сторону, а край головы оказывался на лезвии.

Чтобы ускорить этот этап, инженеры компании разработали схему, которая призвана заменить ручной труд: водная взвесь из комаров подается на разделительный конус, из которого небольшие капли (в которую помещается строго один комар) распределяются по лункам. Там система компьютерного зрения определяет, попал ли комар лунку, и подает сигнал на вращающий механизм, который ориентирует их так, чтобы комары «смотрели» в одну сторону. После этого манипулятор по очереди укладывает насекомых под лезвие гильотины.

Но даже если эта конструкция заработает, она не решит все проблемы с производством живых малярийных вакцин. Сотни миллионов комаров перед забоем нужно будет чем-то кормить. Держать их на диете из кроликов, как в старые добрые времена, с одной стороны, неэкономно, а с другой опасно: кто знает, какими еще патогенами они могут снабдить комаров. Поэтому единственным приемлемым источником пропитания сегодня остается человеческая кровь. А значит, необходимо будет наладить конвейер ее доноров и системы скрининга — поскольку люди, как и кролики, могут оказаться носителями нежеланных вирусов или бактерий.

Но и на этом совершенствование технологии едва ли остановится. За то время, что в Sanaria искали способ познакомить иммунную систему человека с живым плазмодием, молекулярная биология продвинулась сильно дальше. И сейчас уже не кажется разумным облучать комаров в рентгеновском аппарате или добивать мерозоитов в крови хлорохином. Гораздо надежнее было бы обезвреживать плазмодии генетически — CRISPR/Cas работает не хуже рентгеновских лучей.

О генетическом редактировании задумываются и сами создатели вакцины — даже начали проверять модифицированных плазмодиев на добровольцах. И, хотя будет непросто перейти на новую технологию, после того как столько лет отрабатывал старую, можно представить себе, как будут выглядеть вакцинные фермы нового поколения. Миллионы комаров в огромных ангарах будут вынашивать в себе генетически модифицированных плазмодиев, время от время пикируя на бассейн со стерилизованной донорской кровью. Шеренги роботов будут вращать роторами под стройный лязг гильотин, а те — извергать миллиарды плазмодиев в чаны с жидким азотом. Штабеля замороженных пробирок отправятся прямиком в жаркую Африку, и вот тогда мы сможем, наконец, оценить, на что способна «живая» вакцина.

Полина Лосева