Вакцины из реактора

В случае угрозы глобальной пандемии гриппа производство вакцин может быстро достичь своих пределов, поскольку они до сих пор в значительной степени производятся в куриных эмбрионах. Удо Райхель, директор Института динамики сложных технических систем имени Макса Планка, и его коллеги работают над полностью автоматизированным методом производства в клеточных культурах, который в кризисной ситуации может обеспечить вакцинами в больших количествах.

Оружием против гриппа является яйцо — обычное куриное яйцо. В 1931 году патолог Эрнест У. Гудпасчур обнаружил, что вирусы гриппа обильно размножаются в эмбрионе. Это сделало яйца идеальным инструментом для производства вакцин.

Для иммунизации медицина использует три основных метода, но все они требуют вирусов: инъекция убитых вирусов, ослабленных неинфекционных вирусов или фрагментов вирусной оболочки.

Производство вакцин должно стать эффективнее

Методу Гудпасчура уже 80 лет, и 95% всех доз вакцины против гриппа по-прежнему содержат вирусы, выращенные в яйцах. Для одной дозы вакцины требуется один или два эмбриона. «Но что произойдет, если эпидемия разразится в Китае или Индии с населением более двух миллиардов? Производство не успеет», — говорит Удо Райхель.

Он и его команда работают над альтернативами — выращиванием вирусов в культивируемых животных клетках в лабораторных сосудах и биореакторах. Цель — сделать этот процесс настолько эффективным, чтобы он стал жизнеспособной альтернативой для индустрии.

Команда определила несколько иммортализованных клеточных линий, особенно подходящих для выращивания вирусов. «Другие ученые борются с вирусами, а мы пытаемся стимулировать клетку производить как можно больше вирусов. Наша работа не анти-, а провирусная», — говорит Райхель.

Борьба с гриппом — гонка на время

Вирус гриппа похож на шипастый шар. Шипы состоят из белков гемагглютинина и нейраминидазы. Если «замок» на поверхности вируса находит «ключ» на поверхности клетки, начинается инфекция. Вирусный геном перепрограммирует клетку на производство сотен или тысяч новых вирусов.

Проблема в том, что вирусы гриппа легко мутируют, и старые вакцины становятся бесполезны. Это гонка на время. В случае пандемии было бы полезно иметь полностью автоматизированную «машину» для выращивания вирусов в больших количествах — именно такую производственную линию и надеется разработать Райхель.

Основные методы культивирования клеток

Базовые технологии существуют, но есть препятствия для оптимального выхода вирусов. Клетки должны быстро размножаться, а затем быть инфицированы.

• Адгезивные клетки растут, только прикрепившись к поверхности, что ограничивает их количество.
• Клетки в суспензии свободно плавают в питательной среде, что позволяет достичь более высоких концентраций, но они могут слипаться.
• Псевдосуспензия на микроносителях — компромиссный метод, где адгезивные клетки растут на микроносителях, свободно плавающих в среде.

«В среднем с этим методом можно достичь концентрации около 2–3 миллионов клеток на миллилитр среды. Мы надеемся достичь концентраций, в 10–100 раз больших. Мы называем этот метод высокоплотным культивированием», — говорит Ивонна Генцель, руководитель группы.

Полые волокна могут повысить выход клеток

Для высокоплотного культивирования необходимо часто менять питательную среду. Кислород становится лимитирующим фактором. Исследователи уже достигли концентрации 50 миллионов клеток на миллилитр и надеются поднять её до 500 миллионов.

Новая перспективная техника использует пучки тонких белых полых волокон. Их мембрана пропускает кислород и питательные вещества, но непроницаема для вирусов и клеток. Клетки заполняют пространство между волокнами, а свежая среда прокачивается через них. «Таким образом мы можем добиться лучшего распределения питательных веществ и улучшить рост клеток по сравнению с обычными биореакторами», — говорит Генцель.

Ключевые факторы для высокого выхода вирусов

Важно не только количество клеток, но и их физиологическое состояние. Ключевой фактор — найти правильное время для заражения клеток вирусом: с одной стороны, количество клеток должно быть максимальным, с другой — клетки должны быть «в форме».

После заражения через 6–8 часов клетки начинают выпускать вирусы. Время сбора урожая вирусов также критически важно, особенно для вакцин с живыми вирусами, чтобы получить максимум инфекционных вирусов.

Анализ и модификация клеток

В Магдебурге занимаются не только инженерией процессов. «Мы также хотим получить представление о клетках и попытаться модифицировать их так, чтобы они производили больше вирусов», — говорит Райхель. Для этого используется широкий спектр аналитических инструментов: высокоэффективная жидкостная хроматография для измерения метаболитов, проточная цитометрия для анализа тысяч клеток в секунду.

«Немногие исследователи смотрят так же пристально, как мы, на фундаментальные процессы, критически важные для роста вирусов в клеточных культурах для производства вакцин», — говорит Генцель.

Консерватизм индустрии и работа с другими вирусами

Фармацевтические компании редко экспериментируют с установленными процессами из-за высоких затрат и жесткого регулирования. «Из-за очень жестких регламентов установленные методы обычно незыблемы».

Генцель и Райхель также работают с вирусом MVA (модифицированный вирус осповакцины Анкара), который хорошо переносится и неинфекционен. MVA интересен как вектор — переносчик генов для генной терапии или иммунизации. Например, его можно покрыть поверхностными белками вируса Эбола, чтобы безопасно обучить иммунную систему.

«Следовательно, у индустрии мало интереса к дорогостоящему процессу разработки вакцин против Эболы», — говорит Генцель. Она надеется внести вклад в разработку недорогого производства вакцин с помощью эффективного технического процесса.

Непредсказуемость вируса и будущие задачи

«Вирус выглядит простым, но он чрезвычайно адаптивен и в определенной степени непредсказуем», — говорит Райхель. Одна из неопределенностей связана со структурами сахаров на поверхности гемагглютинина (гликозилирование), которые влияют на вирулентность. «Если мы хотим лучше понять репликацию вирусов и действие вакцин, мы также должны исследовать гликозилирование их белков».

Райхель знает, что борьба с вирусами никогда не будет выиграна. «Вирусов слишком много. Но если мы сможем производить правильную вакцину в больших количествах, мы уже добьемся многого». Что касается вируса гриппа, у него есть еще одна причина искать альтернативы яйцу: «Если птичий грипп перерастет в пандемию и нам придется забивать поголовье птицы, чтобы остановить вирус, то как, черт возьми, мы должны получить яйца для производства вакцин?»