Myggor som bär på den dödliga malariaparasiten har flugit bredvid människor i tusentals år, och sjukdomen förekommer i dokumenterade rapporter så tidigt som 2700 f.Kr. Malaria fortsätter att plåga människor i dag och orsakar hundratusentals dödsfall varje år.
Malaria orsakas av parasiten Plasmodium, en encellig organism som har flera livsstadier och som behöver mer än en värd för att överleva. Fem arter av parasiten orsakar sjukdom hos människor – Plasmodium falciparum, P. vivax, P. ovale, P. malariae och P. knowlelsi. Plasmodium falciparum är den farligaste stammen hos människor och målet för den mesta vetenskapliga forskningen idag. År 2002 lyckades forskarna sekvensera P. falciparums genom, vilket har gjort det möjligt för forskarna att göra stora framsteg när det gäller att bättre förstå hur man kan angripa den.
Namnet malaria kommer från mal’aria, vilket är italienska och betyder ”dålig luft”. Innan utvecklingen av bakterieteorin i slutet av 1800-talet trodde många att sjukdomen överfördes via miasmer, eller förorenad luft. År 1897 gjorde den brittiske läkaren Ronald Ross upptäckten att myggor var de vektorer som överförde sjukdomen. Forskarna upptäckte sedan att endast Anophelesmyggans hona överför parasiten (hanarna livnär sig inte på blod). Honorna av 60 olika arter av Anopheles-myggor kan fungera som malariavektorer.
Mer än hälften av världens befolkning lever i områden som är sårbara för malaria, med dokumenterade fall i mer än 109 länder och den högsta dödligheten (ungefär 89 % av alla dödsfall) inträffar i Afrika. Parasiten infekterar omkring 220 miljoner människor varje år. Dessutom löper barn under fem år, gravida kvinnor och personer med hiv/aids störst risk att drabbas av allvarlig sjukdom och död.
Malarias långa historia omfattar många historiska försök att besegra den. Kinin, ett ämne som härrör från barken av cinchona-trädet, har varit känt för att vara effektivt mot malaria sedan 1600-talet. När man förstod myggornas roll i malariaöverföringen fokuserade forskarna på vektorkontroll. De antog att de genom att döda vektorn kunde stoppa infektionscykeln. Följaktligen kom DDT och andra insekticider på modet i mitten av 1800-talet och har använts sedan dess. Sängnät för att skydda sovande människor från myggbett är en annan form av vektorkontroll som inte bara är effektiv utan också extremt kostnadseffektiv. Slutligen har utvecklingen av flera olika läkemedel mot malaria förändrat resenärernas syn på malariaendemiska länder och den risk som är förknippad med resor i allmänhet. Faktum är att de beräknade dödsfallen till följd av malaria har minskat med 13 procent, från 755 000 år 2000 till 655 000 år 2010, vilket sannolikt beror på alla ovanstående åtgärder. Antalet fall av sjukdomen minskade också, om än mindre dramatiskt, från 223 miljoner år 2000 till cirka 216 miljoner år 2010.
Med tanke på all denna utveckling, varför är malaria fortfarande ett problem? Uppkomsten av resistens mot läkemedel och insekticider är ett stort problem. Malariaparasiten har överlevt i mer än 50 000 år, och det naturliga urvalet gynnar stammar av organismen med mutationer som hjälper dem att undvika hot. I dag ser vi allt fler läkemedelsresistenta parasiter och insektsresistenta myggor. Globala insatser pågår i nästa era av malariaprevention: utvecklingen av malariavacciner som har potential att rädda otaliga liv och som i slutändan skulle kunna bidra till att utrota denna historiska plåga.
Plasmodiums livscykel
Malaria skiljer sig från någon annan infektionssjukdom för vilken vi redan har skapat ett framgångsrikt vaccin. Den mest anmärkningsvärda av dessa skillnader är att malaria överförs via en parasit som passerar genom flera livsstadier, varav vart och ett utgör en unik utmaning för vaccinutvecklare. De tre stadierna i Plasmodiums livscykel kan delas in i två olika kategorier – i de två första genomgår parasiten asexuell reproduktion i värdens kropp, och i det tredje genomgår den sexuell reproduktion i myggans vektortarm. Eftersom parasiten kan föröka sig både asexuellt och sexuellt har den många fördelar jämfört med de virus och bakterier som vi för närvarande vaccinerar mot.
De tre stadierna i Plasmodiums livscykel är (1) det pre-erytrocytiska stadiet, mer känt som leverstadiet, eller stadiet innan parasiten infekterar människans röda blodkroppar, (2) det erytrocytiska stadiet, eller blodstadiet när parasiten infekterar de röda blodkropparna, och (3) det sexuella stadiet, stadiet när parasiten har tagits upp av en mygga och könsligen förökar sig i myggans tarm.
Det är viktigt att komma ihåg att varje livsstadium inträffar i en annan del av den infekterade människan eller vektorn. För det första, när en mygga som är infekterad med Plasmodium biter en mänsklig värd, går parasiten direkt till levern. För det andra, när parasiten har mognat i levern kommer den in i blodomloppet och invaderar blodceller. Slutligen, när den är redo att infektera nästa värd, sugs den upp av en annan Anopheles-mygghona och förökar sig sexuellt i myggans tarm.
Innan vi går in i detalj på hur ett vaccin skulle kunna förebygga malaria är det bra att gå igenom stegen i parasitens livscykel. Den första formen är känd som sporozoit (uttalas spor-o-zo-ite). När en mygga som innehåller malariaparasiten biter en person kommer parasiten in i människans kropp som sporozoit. När sporozoiten når levern infekterar den snabbt levercellerna och genomgår flera omgångar av asexuell reproduktion för att producera merozoiter (uttalas mer-o-zo-ites). Denna utveckling utgör det pre-erytrocytiska stadiet i parasitens livscykel. En sporozoit kan föröka sig asexuellt för att bilda upp till 40 000 merozoiter, ett tillräckligt stort antal för att allvarligt utmana immunsystemets förmåga att kontrollera parasiten.
Det erytrocytiska stadiet är nästa stadie, som inträffar när merozoiterna lämnar levercellerna och kommer in i blodomloppet. Här infekterar en merozoit en röd blodkropp och börjar asexuellt föröka sig och släpper ut hundratals nya merozoiter. Det är i detta skede som individen börjar få symtom som malariaassocierad periodisk feber. Symtomen är resultatet av att de röda blodkropparna sprängs, vilket är anledningen till att symtomen ofta uppträder periodiskt – när parasiten är inne i den röda blodkroppen och förökar sig kommer febern att sjunka och patienten ser ut att må bättre, men kommer att börja igen när merozoiterna släpps ut.
I det tredje stadiet, eller det sexuella stadiet, slutar några merozoitinfekterade blodkroppar att föröka sig asexuellt och mognar i stället till sexuella former av parasiterna – kända som manliga och kvinnliga gametocyter (uttalas gam-eat-o-cytes). I ett mikroskop kan P. falciparums gametocyter urskiljas genom sin unika bananform. När en Anopheles-mygga biter en människa som har malaria tar den upp gametocyterna tillsammans med blodet. Dessa gametocyter kan sedan fortsätta att föröka sig sexuellt i myggans tarm, utvecklas till mogna könsceller eller gameter och slutligen smälta samman när de rör sig uppåt i myggans tarmvägg för att bli en oocysta. Oocystan växer, delar sig och spricker slutligen och producerar tusentals haploida sporozoiter som färdas till myggans spottkörtlar för att injiceras i nästa individ under myggans nästa blodmåltid. (Om ni kommer ihåg att sporozoiten är den form av parasiten som infekterar levern). På så sätt sluts parasitens livscykel, vilket gör att malaria kan fortsätta att spridas och infektera människor över hela världen.
Ett malariavaccin: En immunologisk strategi mot parasiten
Den komplicerade livscykeln hos Plasmodium utgör en utmaning för utvecklingen av malariavaccin. Forskarna måste avgöra vilket livsstadium av parasiten som ska vara målet, eller om vaccinet måste kombinera element som riktar sig mot mer än ett livsstadium. Nya rön gör dock att vi kan vara optimistiska om möjligheten till ett effektivt malariavaccin.
Malaria skiljer sig lite från många av de sjukdomar som vi för närvarande vaccinerar mot eftersom den inte ger så kallad steril immunitet. Det innebär att om man blir sjuk av malaria och återhämtar sig kan man smittas om och om igen. Det faktum att ditt immunförsvar reagerade på malaria tidigare förhindrar inte framtida infektioner. Detta skiljer sig mycket från en sjukdom som mässling: de flesta människor som insjuknar i mässling kommer att vara immuna mot framtida mässlingsinfektioner för livet. När det gäller malaria finns det vissa bevis för en viss grad av naturligt förvärvad immunitet – en person som tidigare har haft malaria kan fortfarande få det igen, men hon kommer förmodligen att få ett mindre allvarligt fall. I många afrikanska länder där malaria är vanligt förekommande får de flesta som återinfekteras med malaria endast lindriga symtom på grund av denna delvis förvärvade immunitet. Detta är också anledningen till att malaria är så dödligt för barn under fem år. Dessa barn har ännu inte förvärvat någon form av immunitet mot parasiten och det är mycket mer sannolikt att de drabbas av ett allvarligt fall som kan leda till dödliga komplikationer. Dessutom är detta också anledningen till att utlänningar som aldrig har upplevt malaria måste vara mycket försiktiga – de kan utveckla ett mycket allvarligt fall när de först blir smittade. Slutligen varar den naturligt förvärvade partiella immuniteten inte länge. Om någon har bott i Afrika hela sitt liv och reser bort ens ett år, förlorar han denna partiella immunitet och blir återigen lika sårbar för malaria som en person som aldrig har blivit smittad. En metod för att utveckla ett malariavaccin skulle alltså vara att förstå mekanismen för partiell immunitet och utveckla ett vaccin baserat på den principen.
En annan väg som har gett forskarna inom malariavaccin vägledning är konceptet att immunisera med en levande försvagad (försvagad) hel parasit i dess sporozoitform. Stöd för denna idé kom i en studie från 1967 där Nussenzweig et al. immuniserade möss med strålningsavdämpade sporozoiter av Plasmodium berghei (en icke-mänsklig form av malaria) och såg att mössen var skyddade vid en senare utmaning med infektiösa sporozoiter.
Att anpassa denna idé till människor 2002 visade Hoffman et al. att de kunde använda gammastrålning för att dämpa sporozoiterna inuti infekterade Anopheles-myggor och på så sätt nästan helt skydda människor. Mänskliga försökspersoner utsattes för bett från infekterade myggor, som injicerade de bestrålade sporozoiterna i försökspersonerna. Sporozoiterna kunde vandra in i levercellerna, men kunde inte mogna vidare. Dessa försvagade sporozoiter kunde fortfarande framkalla ett immunsvar hos den mänskliga värden, men eftersom de inte kunde utvecklas längre än till levern skulle värden inte bli sjuk. Nästa gång en infekterad mygga tog ett blodmål från den immuniserade personen och injicerade personen med Plasmodium sporozoiter, skulle immunförsvaret därför känna igen hotet och eliminera parasiten innan den orsakade sjukdom.
Denna bestrålningsmetod hade två stora brister: den var inte kostnadseffektiv och inte praktisk i stor skala. Trots detta fungerade den som ett principbevis, vilket gav forskarna hopp om framtiden och bidrog till att stimulera en hel del forskning på området.
Aktuell forskning
Vetenskapsmännen har utökat det man lärde sig i studien från 2002 för att utveckla många potentiella malariavacciner. I stället för att försöka använda ett levande försvagat vaccin använder de flesta forskare idag teknik för att isolera och leverera specifika antigener i ett vaccin. Och eftersom parasiten har tre olika livsstadier finns det tre olika vaccinmetoder som undersöks.
Pre-erytrocytiska vacciner är inriktade på den infektiösa fasen och syftar antingen till att hindra sporozoiterna från att ta sig in i levercellerna eller att förstöra infekterade leverceller. Den största utmaningen för ett pre-erytrocytiskt vaccin är tidsramen: sporozoiterna når levern mindre än en timme efter att de injicerats av myggan. Därför har immunförsvaret en begränsad tid på sig att eliminera parasiten. Även om de flesta potentiella pre-erytrocytiska vacciner fortfarande befinner sig i fas I- eller fas II-försök, finns det ett vaccin som för närvarande befinner sig i fas III-försök och som är lovande: RTS,S-vaccinet. (Observera att fas I-studier utvärderar säkerheten, fas II-studier utvärderar doseringen och fas III-studier utvärderar den totala effekten. )
För att utveckla RTS,S-vaccinet identifierade utvecklarna det protein som var mest ansvarigt för skyddet i försöket med bestrålade sporozoiter från 2002. Detta antigen är känt som circumsporozoitproteinet eller CS-proteinet. Även om detta antigen skyddar är det inte särskilt immunogent i sig självt, vilket innebär att det inte är bra på att stimulera ett immunsvar. Forskarna fusionerade därför Hepatit B-ytantigenet (det antigen som ger skydd i Hepatit B-vaccinet) med ett antigen från CS-proteinet. För att stimulera immunsystemet ytterligare använde forskarna en förening som kallas adjuvans och som förstärker immunsystemets svar på antigenet. Målet är att framkalla höga nivåer av antikroppar för att både blockera sporozoiterna från att ta sig in i levercellerna och för att märka specifika infekterade celler för destruktion.
RTS,S-vaccinet testades i fas III-försök i 11 olika afrikanska länder. Dessa försök har haft vissa framgångar. De tidigaste resultaten, som offentliggjordes i oktober 2011, visade att vaccination med RTS,S hos barn i åldern 5-17 månader minskade risken för klinisk malaria och svår malaria med 56 % respektive 47 %. I resultat som offentliggjordes i november 2012 var vaccinet dock mindre effektivt hos spädbarn i åldern 6-12 veckor vid den första vaccinationen. I den gruppen ledde vaccination med RTS,S till en tredjedel färre episoder av både klinisk och svår malaria. De slutliga resultaten från studien, som följde små barn i cirka tre år, visade en minskning av kliniska malariafall med 26 % för de yngsta barnen till 36 % för barn upp till 17 månaders ålder vid första vaccinationen. I juli 2015 rekommenderade Europeiska läkemedelsmyndigheten att vaccinet ska godkännas för användning hos små barn i Afrika; Världshälsoorganisationen överväger rekommendationen om vaccinet. Under tiden har en rådgivande grupp inom WHO rekommenderat pilotgenomförande av vaccinet i 3-5 afrikanska länder söder om Sahara. Huvudutvecklaren av RTS,S, Malaria Vaccine Initiative, en ideell organisation med säte i Seattle, Washington, har förhoppningar om att utveckla ett ännu bättre vaccin som är 80 % effektivt år 2025.
Flera andra preerytrocytiska vacciner är under prövning, men inget av dem har visat samma löfte eller framgång som RTS,S. Forskarna arbetar på att förbättra effektiviteten hos RTS,S-vaccinet för att få det att bli mer än 50 % effektivt genom att använda prime boost-teknik, adjuvans och antigenoptimering.
Erythrocytiska vacciner, eller vacciner i blodstadiet, syftar till att stoppa den snabba invasionen och den asexuella reproduktionen av parasiten i de röda blodkropparna. Minns att blodstadiet är den tidpunkt då symtomen uppträder och är också den mest destruktiva för patienten på grund av att de röda blodkropparna sprängs. På grund av det enorma antalet merozoiter som produceras under detta stadium – 40 000 merozoiter frigörs för varje infekterad levercell – kan ett vaccin för blodstadiet endast syfta till att minska antalet merozoiter som infekterar röda blodkroppar snarare än att helt blockera deras reproduktion. För närvarande finns det inga vacciner i blodstadiet som har haft samma framgång som RTS,S-vaccinet och de flesta genomgår fortfarande fas I- eller II-försök.
Enligt en annan typ av vaccin riktar sig mot det stadium av sexuell reproduktion som sker i myggans tarm. Detta tillvägagångssätt är känt som ett överföringsblockerande vaccin (TBV) eftersom det syftar till att döda vektorn, Anopheles-myggan, för att stoppa ytterligare spridning av parasiten. Detta är ett indirekt tillvägagångssätt för ett vaccin eftersom det inte direkt skyddar den individ som får parasiten, utan snarare stoppar den fortsatta spridningen.
En TBV-vaccinkandidat är Pfs25-EPA som håller på att utvecklas av US National Institute of Allergy and Infectious Diseases Laboratory of Malaria Immunology and Virology och Johns Hopkins University Center for Vaccine Research. Tanken bakom detta vaccin är att om kroppen kan utveckla antikroppar mot Pfs25-antigenet kommer en mygga som tar ett blodmål att ta upp en del av dessa antikroppar i sin mage. Där kommer antikropparna att stöta på antigenet, vilket gör det möjligt för dem att störa utvecklingen och döda parasiten.
För många forskare är nästa steg att kombinera flera tillvägagångssätt för att utveckla ett malariavaccin. Men dessa enskilda stegvacciner måste visa effekt på egen hand innan forskarna kan utveckla ett vaccin som kombinerar tillvägagångssätten. Den stora utmaning som forskarna kommer att ställas inför i framtiden är dessutom att det inte finns några kända korrelat för immunitet, vilket innebär att det inte finns någon annan metod än kostsamma kliniska prövningar på människor för att visa att ett vaccin är effektivt. Även om stora framsteg har gjorts kommer utvecklingen av malariavaccin att fortsätta att vara ett kostsamt och mångdimensionellt arbete.