Ученые превратили вездесущую кожную бактерию в местную вакцину
Представьте себе мир, в котором вакцина — это крем, который вы втираете в кожу, а не игла, которую медицинский работник вводит в одну из ваших мышц. Еще лучше, это совершенно безболезненно и не сопровождается лихорадкой, отеком, покраснением или болью в руке. Не нужно стоять в длинной очереди, чтобы получить ее. Плюс, это дешево.
Благодаря усилиям исследователей Стэнфордского университета по одомашниванию вида бактерий, обитающих на коже почти каждого человека на Земле, эта мечта может стать реальностью.
«Мы все ненавидим иглы — все их ненавидят», — сказал Михаэль Фишбах, доктор философии, профессор семьи Лю (Ляо) и профессор биоинженерии. «Я не нашел ни одного человека, которому не понравилась бы идея, что можно заменить укол кремом».
По словам Фишбаха, кожа — ужасное место для жизни. «Она невероятно сухая, слишком соленая для большинства одноклеточных существ, и там не так много еды. Я не могу себе представить, чтобы что-то захотело там жить».
Но несколько выносливых микробов считают его своим домом. Среди них Staphylococcus epidermidis, в целом безвредный вид бактерий, колонизирующих кожу.
«Эти микробы обитают в каждом волосяном фолликуле практически каждого человека на планете», — сказал Фишбах.
Фишбах сказал, что иммунологи, возможно, пренебрегли бактериями, колонизирующими нашу кожу, поскольку они, по-видимому, не вносят большого вклада в наше благополучие. «Мы просто предположили, что там не так уж много происходит».
Оказывается, это не так. В последние годы Фишбах и его коллеги обнаружили, что иммунная система вырабатывает гораздо более агрессивную реакцию против S. epidermidis, чем кто-либо ожидал.
В исследовании, опубликованном 11 декабря в Nature , Фишбах и его коллеги сосредоточились на ключевом аспекте иммунного ответа — выработке антител. Эти специализированные белки могут прилипать к определенным биохимическим особенностям вторгающихся микробов, часто не давая им проникать внутрь клеток или беспрепятственно перемещаться по кровотоку в места, куда им не следует попадать.
Отдельные антитела чрезвычайно разборчивы в том, к чему они прилипают. Каждая молекула антитела обычно нацелена на определенную биохимическую особенность, принадлежащую одному микробному виду или штамму.
Фишбах и доктор философии Дженет Бусбейн, старший и ведущий авторы исследования соответственно, а также их коллеги хотели узнать: выработает ли иммунная система мыши, кожа которой обычно не колонизирована S. epidermidis, реакцию антител на этот микроорганизм, если он там появится?
Уровень (антител) без причины?
Первоначальные эксперименты, проведенные Бусбеном, были простыми: окунуть ватный тампон в пробирку с S. epidermidis. Аккуратно потрите тампоном голову обычной мыши — не нужно брить, ополаскивать или мыть ее мех — и поместите мышь обратно в клетку. Берите кровь в определенные моменты времени в течение следующих шести недель, спрашивая: выработала ли иммунная система этой мыши какие-либо антитела, связывающиеся с S. epidermidis?
Реакция антител мышей на S. epidermidis была «шокирующей», сказал Фишбах. «Уровень этих антител медленно увеличивался, затем еще немного — и еще больше». Через шесть недель они достигли более высокой концентрации, чем можно было бы ожидать от обычной вакцинации — и оставались на этом уровне.
«Это как если бы мышей вакцинировали», — сказал Фишбах. Их реакция антител была такой же сильной и специфичной, как если бы они реагировали на патоген.
«Похоже, то же самое происходит естественным образом и у людей», — сказал Фишбах. «Мы взяли кровь у доноров-людей и обнаружили, что уровень циркулирующих у них антител, направленных против S. epidermidis, был таким же высоким, как и у всего, от чего нас обычно вакцинируют».
Это озадачивает, сказал он. «Наш яростный иммунный ответ на эти комменсальные бактерии, слоняющиеся по ту сторону важнейшего антимикробного барьера, который мы называем нашей кожей, похоже, не имеет никакой цели».
Что происходит? Это может свестись к строке, нацарапанной поэтом начала 20-го века Робертом Фростом: «Хорошие заборы создают хороших соседей». Большинство людей думали, что забор — это кожа, сказал Фишбах. Но он далек от совершенства. Без помощи иммунной системы он был бы очень быстро прорван.
«Лучшая ограда — это антитела. Они — способ иммунной системы защитить нас от неизбежных порезов, царапин, ссадин и ушибов, которые мы накапливаем в своей повседневной жизни», — сказал он.
В то время как реакция антител на инфекционный патоген начинается только после того, как патоген проникает в организм, реакция на S. epidermidis происходит упреждающе, до того, как возникнет какая-либо проблема. Таким образом, иммунная система может отреагировать при необходимости — например, когда есть повреждение кожи, и обычно безвредный микроб забирается внутрь и пытается проехать через наш кровоток.
Разработка живой вакцины
Шаг за шагом команда Фишбаха превратила S. epidermidis в живую вакцину plug-and-play, которую можно применять местно. Они узнали, что часть S. epidermidis, которая больше всего отвечает за запуск мощного иммунного ответа, — это белок под названием Aap. Эта большая древовидная структура, в пять раз превышающая размер среднего белка, выступает из стенки бактериальной клетки.
Они полагают, что он может подвергать некоторые из своих внешних участков воздействию клеток-сторожей иммунной системы, которые периодически ползают по коже, берут образцы волосяных фолликулов, берут образцы всего, что колышется в «листве» Аапа, и переносят их обратно внутрь, чтобы показать другим иммунным клеткам, ответственным за выработку соответствующего ответа антител, нацеленного на этот объект.
Фишбах является соавтором исследования, проведенного под руководством Ясмин Белкайд, доктора философии, директора Института Пастера и соавтора исследования команды Фишбаха, опубликованного в том же выпуске Nature . Это сопутствующее исследование выявляет сторожевые иммунные клетки, называемые клетками Лангерганса, которые предупреждают остальную часть иммунной системы о наличии S. epidermidis на коже.
ААП вызывает скачок не только уровня антител в крови, известных иммунологам как IgG, но и других антител, называемых IgA, которые локализуются на слизистых оболочках наших ноздрей и легких.
«Мы вызываем IgA в ноздрях мышей», — сказал Фишбах. «Респираторные патогены, вызывающие простуду, грипп и COVID-19, как правило, попадают в наш организм через ноздри. Обычные вакцины не могут этого предотвратить. Они начинают работать только после того, как патоген попадает в кровь. Было бы гораздо лучше не допустить его попадания изначально».
Определив Aap как основную цель антител, ученые искали способ заставить его работать.
«Дженет проделала умную инженерную работу», — сказал Фишбах. «Она заменила ген, кодирующий часть столбнячного токсина, на фрагмент гена, кодирующий компонент, который обычно отображается в листве этого гигантского древовидного белка. Теперь именно этот фрагмент — безвредный кусок высокотоксичного бактериального белка — развевается на ветру».
Сможет ли иммунная система мышей «увидеть» его и выработать на него специфический ответ антителами?
Исследователи повторили эксперимент с погружением и взятием мазка, на этот раз используя либо неизмененный S. epidermidis, либо биоинженерный S. epidermidis, кодирующий фрагмент столбнячного токсина.
Они провели несколько применений в течение шести недель. У мышей, которым сделали мазок с биоинженерным S. epidermidis, но не у других, развились чрезвычайно высокие уровни антител, нацеленных на столбнячный токсин. Когда исследователи затем ввели мышам смертельные дозы столбнячного токсина, все мыши, которым дали натуральный S. epidermidis, сдались; мыши, которым дали модифицированную версию, остались без симптомов.
Похожий эксперимент, в ходе которого исследователи встроили в «кассетный плеер» Aap ген дифтерийного токсина вместо гена столбнячного токсина, также вызвал появление огромных концентраций антител, нацеленных на дифтерийный токсин.
В конечном итоге ученые обнаружили, что им все еще удается получить жизненно важные антитела у мышей уже после двух-трех применений.
Они также показали, колонизируя очень молодых мышей S. epidermidis, что предшествующее присутствие бактерий на коже этих мышей (что типично для людей, но не для мышей) не мешало экспериментальному лечению стимулировать мощный ответ антител. Это означает, сказал Фишбах, что практически 100% колонизация кожи нашего вида S. epidermidis не должна представлять проблемы для использования конструкции на людях.
Изменив тактику, исследователи сгенерировали фрагмент столбнячного токсина в биореакторе, затем химически прикрепили его к Aap, чтобы он усеял поверхность S. epidermidis. К удивлению Фишбаха, это привело к появлению на удивление мощного ответа антител.
Фишбах изначально рассуждал, что обилие поверхностно-скрепленного токсина будет становиться все более разбавленным с каждым бактериальным делением, постепенно приглушая иммунный ответ. Произошло как раз обратное. Местное применение этого микроба генерировало достаточно антител, чтобы защитить мышей от шестикратной смертельной дозы столбнячного токсина.
«Мы знаем, что это работает на мышах», — сказал Фишбах. «Далее нам нужно показать, что это работает на обезьянах. Вот что мы собираемся сделать». Если все пойдет хорошо, он ожидает, что этот подход к вакцинации выйдет на клинические испытания в течение двух-трех лет.
«Мы думаем, что это сработает против вирусов, бактерий, грибков и одноклеточных паразитов», — сказал он. «В состав большинства вакцин входят ингредиенты, которые стимулируют воспалительную реакцию и заставляют вас чувствовать себя немного больным. Эти микробы этого не делают. Мы ожидаем, что у вас вообще не возникнет никакого воспаления».