Komary przenoszące śmiertelnego pasożyta malarii latały obok ludzi przez tysiące lat, a choroba pojawia się w udokumentowanych raportach już w 2700 r. p.n.e. Malaria nadal nęka ludzi dzisiaj, powodując setki tysięcy zgonów każdego roku.
Malaria jest wywoływana przez pasożyta Plasmodium, jednokomórkowy organizm, który ma wiele stadiów rozwojowych i wymaga więcej niż jednego żywiciela do przeżycia. Pięć gatunków pasożyta wywołuje choroby u ludzi – Plasmodium falciparum, P. vivax, P. ovale, P. malariae i P. knowlelsi. Plasmodium falciparum jest najbardziej niebezpiecznym szczepem u ludzi i stanowi obecnie cel większości badań naukowych. W 2002 r. naukowcom udało się zsekwencjonować genom P. falciparum, co pozwoliło badaczom na poczynienie wielkich postępów w lepszym zrozumieniu sposobów jego zwalczania.
Nazwa malarii pochodzi od mal’aria, co po włosku oznacza „złe powietrze”. Przed opracowaniem teorii zarazków pod koniec XIX wieku wiele osób uważało, że choroba jest przenoszona przez miazmaty lub zanieczyszczone powietrze. W 1897 roku brytyjski lekarz Ronald Ross dokonał odkrycia, że komary są wektorami przenoszącymi chorobę. Naukowcy odkryli, że tylko samice komara Anopheles przenoszą pasożyta (samce nie żywią się krwią). Samice 60 różnych gatunków komarów Anopheles mogą służyć jako wektory malarii.
Ponad połowa światowej populacji żyje w obszarach podatnych na malarię, z przypadkami udokumentowanymi w ponad 109 krajach i najwyższą śmiertelnością (około 89% wszystkich zgonów) występującą w Afryce. Każdego roku pasożyt ten zaraża około 220 milionów ludzi. Ponadto, dzieci poniżej piątego roku życia, kobiety w ciąży oraz osoby z HIV/AIDS są najbardziej narażone na ryzyko ciężkiej choroby i śmierci.
Długa historia malarii obejmuje wiele historycznych prób jej pokonania. Chinina, substancja pozyskiwana z kory drzewa cinchona, jest znana jako skuteczny środek przeciw malarii od lat 1600. Gdy zrozumiano rolę komarów w przenoszeniu malarii, naukowcy skupili się na kontroli wektorów. Postawili hipotezę, że zabijając nosiciela, mogą zatrzymać cykl infekcji. W związku z tym w połowie XIX wieku wprowadzono DDT i inne środki owadobójcze, które są stosowane do dziś. Siatki na łóżka chroniące śpiących ludzi przed ukąszeniami komarów to kolejna forma kontroli wektorów, która jest nie tylko skuteczna, ale również niezwykle opłacalna. Wreszcie, opracowanie kilku różnych leków przeciwmalarycznych zmieniło sposób, w jaki podróżujący postrzegają kraje zagrożone malarią i ryzyko związane z podróżowaniem w ogóle. W rzeczywistości, i prawdopodobnie dzięki wszystkim powyższym działaniom, szacowana liczba zgonów z powodu malarii spadła o 13%, z 755 000 w 2000 roku do 655 000 w 2010 roku. Przypadki zachorowań również spadły, choć mniej dramatycznie, z 223 milionów w 2000 roku do około 216 milionów w 2010 roku.
Wobec tych wszystkich zmian, dlaczego malaria pozostaje problemem? Głównym problemem jest pojawienie się oporności na leki i środki owadobójcze. Pasożyt malarii przetrwał ponad 50 000 lat, a dobór naturalny faworyzuje szczepy organizmu z mutacjami, które pomagają im unikać zagrożeń. Obecnie widzimy coraz więcej pasożytów odpornych na leki i komarów odpornych na insektycydy. Globalne wysiłki zmierzają ku następnej erze zapobiegania malarii: opracowaniu szczepionek przeciwko malarii, które mają potencjał uratowania niezliczonych istnień ludzkich i które mogłyby ostatecznie pomóc w wyeliminowaniu tego historycznego problemu.
Cykl życiowy plazmodium
Malaria jest niepodobna do żadnej choroby zakaźnej, dla której stworzyliśmy już skuteczną szczepionkę. Najbardziej znamienną z tych różnic jest to, że malaria jest przenoszona przez pasożyta, który przechodzi przez wiele stadiów rozwojowych, z których każde stanowi wyjątkowe wyzwanie dla twórców szczepionek. Trzy etapy cyklu życiowego Plasmodium można podzielić na dwie odrębne kategorie – w pierwszych dwóch pasożyt przechodzi rozmnażanie bezpłciowe w ciele żywiciela, a w trzecim rozmnaża się płciowo w jelicie komara-wektora. Ponieważ pasożyt może rozmnażać się zarówno bezpłciowo, jak i płciowo, ma wiele zalet w porównaniu z wirusami i bakteriami, przeciwko którym obecnie się szczepimy.
Trzy etapy cyklu życiowego Plasmodium to (1) etap przederytrocytarny, lepiej znany jako etap wątrobowy, lub etap zanim pasożyt zainfekuje ludzkie czerwone krwinki, (2) etap erytrocytarny, lub etap krwi, kiedy pasożyt infekuje czerwone krwinki, oraz (3) etap płciowy, etap, kiedy pasożyt został pobrany przez komara i rozmnaża się płciowo w jelicie komara.
Ważne jest, aby pamiętać, że każdy etap życia występuje w innej części zainfekowanego człowieka lub nosiciela. Po pierwsze, kiedy komar zarażony Plasmodium ukąsi ludzkiego żywiciela, pasożyt trafia bezpośrednio do wątroby. Po drugie, gdy pasożyt dojrzeje w wątrobie, przedostaje się do krwiobiegu i atakuje komórki krwi. Wreszcie, kiedy będzie gotowy do zarażenia kolejnego żywiciela, zostanie zassany przez inną samicę komara Anopheles i będzie rozmnażał się płciowo w jelicie komara.
Zanim przejdziemy do szczegółów na temat tego, jak szczepionka mogłaby zapobiec malarii, pomocne jest przejrzenie etapów cyklu życiowego pasożyta. Pierwsza forma znana jest jako sporozoit (wymawiane jako spory-o-zo-it). Kiedy komar zawierający pasożyta malarii ukąsi człowieka, pasożyt dostaje się do jego organizmu w postaci sporozoitu. Kiedy sporozoit dostanie się do wątroby, szybko infekuje komórki wątroby i przechodzi przez wiele rund rozmnażania bezpłciowego, aby wytworzyć merozoity (wymawiane jako mer-o-zo-ity). Wszystkie te etapy rozwoju składają się na przederytrocytarne stadium cyklu życiowego pasożyta. Jeden sporozoit może rozmnażać się bezpłciowo tworząc do 40 000 merozoitów, wystarczająco dużą liczbę, aby poważnie zagrozić zdolności układu odpornościowego do kontrolowania pasożyta.
Faza erytrocytarna jest kolejną fazą, która występuje po opuszczeniu przez merozoity komórek wątroby i przedostaniu się do krwiobiegu. Tutaj merozoit infekuje czerwoną krwinkę i rozpoczyna bezpłciowe rozmnażanie i uwalnianie setek nowych merozoitów. Jest to etap, w którym u danej osoby zaczynają występować objawy, takie jak okresowa gorączka związana z malarią. Objawy są wynikiem rozerwania czerwonych krwinek, dlatego też objawy często występują okresowo – kiedy pasożyt jest wewnątrz czerwonej krwinki rozmnażając się, gorączka obniży się i pacjentowi będzie się wydawało, że jego stan się poprawia, ale zacznie się ponownie, kiedy merozoity zostaną uwolnione.
W trzecim etapie, lub etapie płciowym, kilka zainfekowanych merozoitami krwinek przestanie rozmnażać się bezpłciowo i zamiast tego dojrzeje do form płciowych pasożytów – znanych jako męskie i żeńskie gametocyty (wymawiane jako gam-eat-o-cytes). Pod mikroskopem gametocyty P. falciparum można rozróżnić po ich unikalnym kształcie banana. Kiedy komar Anopheles ukąsi człowieka chorego na malarię, pobiera gametocyty wraz z krwią. Te gametocyty są następnie zdolne do dalszego rozmnażania płciowego w jelicie komara, przekształcając się w dojrzałe komórki płciowe lub gamety, a w końcu łącząc się podczas przemieszczania się w górę ściany jelita komara i przekształcając się w oocystę. Oocysta rośnie, dzieli się, a w końcu pęka i wytwarza tysiące haploidalnych sporozoitów, które wędrują do ślinianek komara, aby zostać wstrzyknięte następnemu osobnikowi podczas kolejnego posiłku z krwi komara. (Jeśli pamiętasz, sporozoit jest formą pasożyta, która infekuje wątrobę). W ten sposób cykl życia pasożyta zatoczył pełne koło, pozwalając malarii na dalsze rozprzestrzenianie się i zarażanie ludzi na całym świecie.
A Malaria Vaccine: An Immunological Approach Against the Parasite
Skomplikowany cykl życiowy Plasmodium stanowi wyzwanie dla rozwoju szczepionki przeciwko malarii. Naukowcy muszą ustalić, które stadium rozwojowe pasożyta należy zwalczać, lub czy szczepionka powinna łączyć elementy zwalczające więcej niż jedno stadium rozwojowe. Jednak ostatnie odkrycia pozwalają nam z optymizmem patrzeć na możliwość stworzenia skutecznej szczepionki przeciwko malarii.
Malaria różni się nieco od wielu chorób, na które obecnie się szczepimy, ponieważ nie daje tak zwanej sterylnej odporności. Oznacza to, że jeśli zachorujesz na malarię i wyzdrowiejesz, możesz zostać zarażony ponownie i ponownie. Fakt, że Twój układ odpornościowy zareagował na malarię w przeszłości, nie zapobiegnie zakażeniu w przyszłości. Różni się to znacznie od choroby takiej jak odra: większość osób, które zachorują na odrę, będzie przez całe życie odporna na przyszłe zakażenia tą chorobą. W przypadku malarii istnieją pewne dowody na pewien stopień naturalnie nabytej odporności – osoba, która w przeszłości chorowała na malarię, może ponownie na nią zachorować, ale prawdopodobnie jej przypadek będzie mniej ciężki. W wielu krajach afrykańskich, gdzie malaria jest powszechna, większość osób ponownie zarażonych malarią doświadcza jedynie łagodnych objawów z powodu tej częściowej odporności nabytej. Jest to również powód, dla którego malaria jest tak śmiertelna dla dzieci poniżej piątego roku życia. Dzieci te nie nabyły jeszcze żadnego poziomu odporności na pasożyta i są znacznie bardziej narażone na ciężki przypadek, który może prowadzić do śmiertelnych powikłań. Co więcej, jest to również powód, dla którego obcokrajowcy, którzy nigdy nie zetknęli się z malarią, muszą być bardzo ostrożni – przy pierwszym zarażeniu mogą zachorować na bardzo poważną chorobę. Wreszcie, naturalnie nabyta częściowa odporność nie trwa długo. W rzeczywistości, jeśli ktoś mieszkał w Afryce przez całe życie i wyjeżdża nawet na rok, traci tę częściową odporność i ponownie staje się tak samo podatny na malarię, jak osoba, która nigdy nie była zarażona. Tak więc jednym z podejść do opracowania szczepionki przeciwko malarii byłoby zrozumienie mechanizmu częściowej odporności i opracowanie szczepionki opartej na tej zasadzie.
Inną drogą, która nadała kierunek badaczom szczepionek przeciwko malarii, jest koncepcja immunizacji żywym atenuowanym (osłabionym) pasożytem w jego postaci sporozoitu. Wsparcie dla tej koncepcji pojawiło się w badaniu z 1967 roku, w którym Nussenzweig i wsp. uodpornili myszy za pomocą atenuowanych radiacyjnie sporozoitów Plasmodium berghei (nie-ludzkiej formy malarii) i zauważyli, że myszy były chronione w późniejszym wyzwaniu z zakaźnymi sporozoitami.
Adaptując ten pomysł do ludzi w 2002 roku, Hoffman et al. pokazali, że mogą użyć promieniowania gamma do atenuacji sporozoitów wewnątrz zainfekowanych komarów Anopheles, a tym samym prawie całkowicie chronić ludzi. Osoby badane były narażone na ukąszenia zainfekowanych komarów, które wstrzykiwały im napromieniowane sporozoity. Sporozoity mogły przemieszczać się do komórek wątroby, ale nie mogły dojrzewać dalej. Te osłabione sporozoity nadal były w stanie wywołać odpowiedź immunologiczną u ludzkiego gospodarza, ale ponieważ nie mogły rozwinąć się dalej niż do wątroby, gospodarz nie zachorowałby. W rezultacie, następnym razem, gdy zainfekowany komar pobierał krew od uodpornionej osoby i wstrzykiwał jej sporozoity Plasmodium, układ odpornościowy rozpoznawał zagrożenie i eliminował pasożyta zanim spowodował chorobę.
Ta metoda napromieniowania miała dwie główne wady: nie była efektywna kosztowo i nie była praktyczna na dużą skalę. Niemniej jednak posłużyła jako dowód słuszności, dając naukowcom nadzieję na przyszłość i pomagając stymulować wiele badań w tej dziedzinie.
Bieżące badania
Naukowcy rozszerzyli wiedzę zdobytą w badaniu z 2002 roku, aby opracować wiele potencjalnych szczepionek przeciwko malarii. Zamiast próbować żywej szczepionki atenuowanej, większość naukowców stosuje obecnie technologie pozwalające na wyizolowanie i dostarczenie określonych antygenów w szczepionce. A ponieważ pasożyt ma trzy różne stadia rozwojowe, badane są trzy różne podejścia do szczepionek.
Szczepionki przederytrocytarne są ukierunkowane na fazę zakaźną i mają na celu albo uniemożliwienie sporozoitom przedostania się do komórek wątroby, albo zniszczenie zainfekowanych komórek wątroby. Największym wyzwaniem dla szczepionki przederytrocytarnej są ramy czasowe: sporozoity docierają do wątroby mniej niż godzinę po wstrzyknięciu przez komara. W rezultacie układ odpornościowy ma ograniczoną ilość czasu na wyeliminowanie pasożyta. Chociaż większość potencjalnych szczepionek przederytrocytarnych jest nadal w fazie I lub II badań, jedna szczepionka jest obecnie w fazie III badań i wykazuje obiecujące wyniki: szczepionka RTS,S. (Należy pamiętać, że badania I fazy oceniają bezpieczeństwo, badania II fazy oceniają dawkowanie, a badania III fazy oceniają ogólną skuteczność. )
W celu opracowania szczepionki RTS,S, twórcy zidentyfikowali białko, które było najbardziej odpowiedzialne za ochronę w badaniu napromieniowanych sporozoitów z 2002 roku. Antygen ten znany jest jako białko circumsporozoitu, czyli białko CS. Chociaż antygen ten działa ochronnie, sam w sobie nie jest zbyt immunogenny, co oznacza, że nie jest dobry w stymulowaniu odpowiedzi immunologicznej. Dlatego naukowcy połączyli antygen powierzchniowy zapalenia wątroby typu B (antygen odpowiedzialny za zapewnienie ochrony w szczepionce przeciwko zapaleniu wątroby typu B) z antygenem białka CS. Aby jeszcze bardziej pobudzić układ odpornościowy, naukowcy zastosowali związek zwany adiuwantem, który wzmacnia odpowiedź układu odpornościowego na antygen. Celem jest wywołanie wysokiego poziomu przeciwciał, aby zarówno zablokować sporozoity przed przedostaniem się do komórek wątroby, jak i oznaczyć konkretne zainfekowane komórki do zniszczenia.
Szczepionka RTS,S została przetestowana w badaniach III fazy w 11 różnych krajach afrykańskich. Próby te przyniosły pewne sukcesy. Najwcześniejsze wyniki, opublikowane w październiku 2011 r., wykazały, że u dzieci w wieku 5-17 miesięcy szczepienie szczepionką RTS,S zmniejszyło ryzyko wystąpienia malarii klinicznej i ciężkiej malarii odpowiednio o 56% i 47%. Natomiast w wynikach opublikowanych w listopadzie 2012 roku stwierdzono mniejszą skuteczność szczepionki u niemowląt w wieku 6-12 tygodni przy pierwszym szczepieniu. W tej grupie szczepienie szczepionką RTS,S doprowadziło do zmniejszenia o jedną trzecią liczby epizodów zarówno klinicznej, jak i ciężkiej malarii. Ostateczne wyniki badania, w którym obserwowano małe dzieci przez około trzy lata, wykazały zmniejszenie liczby przypadków malarii klinicznej o 26% w przypadku najmłodszych dzieci do 36% w przypadku dzieci w wieku do 17 miesięcy przy pierwszym szczepieniu. W lipcu 2015 roku Europejska Agencja Leków zaleciła, aby szczepionka została dopuszczona do stosowania u małych dzieci w Afryce; Światowa Organizacja Zdrowia rozważa rekomendację w sprawie szczepionki. W międzyczasie grupa doradcza WHO zaleciła pilotażowe wdrożenie szczepionki w 3-5 krajach Afryki Subsaharyjskiej. Główny twórca RTS,S, Malaria Vaccine Initiative, organizacja non-profit z siedzibą w Seattle w stanie Waszyngton, ma nadzieję na opracowanie jeszcze lepszej szczepionki, która będzie w 80% skuteczna do 2025 r.
Kilka innych szczepionek pre-erytrocytarnych jest w próbach, ale żadna nie wykazała obietnicy lub sukcesu RTS,S. Naukowcy pracują nad poprawą skuteczności szczepionki RTS,S, aby uzyskać jej ponad 50% skuteczność poprzez zastosowanie technologii prime boost, adiuwantów i optymalizacji antygenów.
Szczepionki erytrocytarne, czyli szczepionki w stadium krwi, mają na celu powstrzymanie szybkiej inwazji i bezpłciowego rozmnażania się pasożyta w krwinkach czerwonych. Przypomnijmy, że stadium krwi jest czasem, w którym pojawiają się objawy, a także jest najbardziej destrukcyjne dla pacjenta ze względu na rozerwanie czerwonych krwinek. Ze względu na ogromną liczbę merozoitów produkowanych podczas tego stadium – na każdą zakażoną komórkę wątroby przypada 40 000 merozoitów – szczepionka przeciwko stadium krwiopochodnemu może mieć na celu jedynie zmniejszenie liczby merozoitów zakażających krwinki czerwone, a nie całkowite zablokowanie ich replikacji. Obecnie nie ma szczepionek na etapie krwi, które odniosły taki sukces jak szczepionka RTS,S i większość z nich jest nadal w fazie I lub II badań.
Wreszcie, inny rodzaj szczepionki celuje w etap rozmnażania płciowego, który występuje w jelicie komara. To podejście znane jest jako szczepionka blokująca transmisję (TBV), ponieważ jej celem jest zabicie wektora, komara Anopheles, aby powstrzymać dalsze rozprzestrzenianie się pasożyta. Jest to pośrednie podejście do szczepionki, ponieważ nie chroni ona bezpośrednio osoby, która zarazi się pasożytem, ale raczej zatrzyma dalsze rozprzestrzenianie się pasożyta.
Jedną szczepionką kandydującą do TBV jest Pfs25-EPA, która jest opracowywana przez US National Institute of Allergy and Infectious Diseases Laboratory of Malaria Immunology and Virology oraz Johns Hopkins University Center for Vaccine Research. Idea tej szczepionki polega na tym, że jeśli organizm jest w stanie wytworzyć przeciwciała przeciwko antygenowi Pfs25, to komar przyjmujący posiłek z krwi pobierze część tych przeciwciał do swojego żołądka. Tam przeciwciała napotkają antygen, umożliwiając im zakłócenie rozwoju i zabicie pasożyta.
W końcu wielu naukowców uważa, że następnym krokiem jest połączenie wielu podejść w celu opracowania szczepionki przeciwko malarii. Ale te indywidualne szczepionki etapowe muszą wykazać skuteczność same w sobie, zanim naukowcy będą mogli opracować szczepionkę łączącą podejścia. Ponadto głównym wyzwaniem, przed którym staną naukowcy w przyszłości, jest to, że nie istnieją żadne znane korelaty odporności, co oznacza, że nie ma innej metody wykazania skuteczności szczepionki niż kosztowne badania kliniczne na ludziach. Tak więc, chociaż poczyniono wielkie postępy, opracowanie szczepionki przeciwko malarii będzie nadal kosztownym i wielowymiarowym wysiłkiem.
.