На слуху зараз все більше вакцини молекулярного дизайну: мРНК, вірусні вектори. Але це тільки проти бактерій і вірусів, а якщо вам загрожують еукаріоти, вибирати поки немає з чого - схвалених вакцин від таких хвороб досі немає. Принцип, на якому будується нова багатообіцяюча вакцина від малярії, придумали і перевірили на мишах ще в 1967 році. Чекати, поки вона заробить, довелося більше 50 років. А для того, щоб вона вийшла в люди, знадобиться ще якийсь час, бочки донорської крові, роботизована гільйотина і, звичайно, трохи генетичного редагування.
Сто років тому людей лікували не тільки від малярії, а й самою малярією - вона вважалася вірним засобом від сифілісу. А оскільки їм страждав кожен п'ятий пацієнт психіатричної лікарні, при деяких діяли навіть спеціальні комарині ферми. Комахи жили в клітинах на вулиці, виношували малярійних плазмодіїв у своїх слинних залозах і «паслися» на кроликах, чекаючи, поки їх допустять до тіла хворого.
Тому, коли в 1940-х роках, після вакцин від туберкульозу, правця і дифтерії, справа дійшла до малярії, було ясно, що з перевіркою нової вакцини проблем не виникне. Заражати людей ми вміємо, лікувати - теж, збудник давно відомий. Залишалося лише підібрати зручний спосіб його знешкодити.
У 1947 році кілька лікарів з Чикаго ввели ослаблених формаліном плазмодіїв групі частково паралізованих пацієнтів (які, ймовірно, вже не могли ні відпротивитися випробуванню, ні погодитися на нього). Експеримент вийшов не тільки неетичним, а й невдалим. Коли «добровольців» заразили малярією повторно, вже «здоровими» плазмодіями, з'ясувалося, що імунітет до хвороби у них не з'явився. Технологія потребувала доопрацювання - і, бажано, без випробувань на людях. Але це виявилося зовсім не просто.
Союз з комаром
Той, кого ми називаємо малярійним плазмодієм - це не вірус, не бактерія, а група близьких видів одноклітинних еукаріот. І всі вони вкрай вибагливі. П'ять видів плазмодіїв, які викликають малярію у людей, відмовляються розмножуватися навіть у багатьох приматах, не кажучи вже про інші загони ссавців. Тому знайти модельний організм для розробки вакцини від малярії відразу не вийшло. Пара десятків років пішли на те, щоб знайти і виділити плазмодія, який інфікує мишей (але не людину), і відпрацювати протокол зараження мишей малярією в лабораторії.
У 1967 році, нарешті, відбулися перші випробування вакцини від мишачої малярії. Американські вчені взяли заражених комарів, вирізали у них слинні залози разом з плазмодіями і підставили під рентгенівські промені. Опромінені паразити зберегли здатність заражати клітини, але вже не могли в них розмножуватися. Більше половини мишей, які отримали дозу ослаблених радіацією плазмодіїв, набули стійкості до малярії. Відтоді ми знаємо, що вакцина від малярії все-таки можлива.
Безпосередньо відтворювати цю технологію на людях небезпечно - ніхто не гарантував, що може начисто відокремити плазмодіїв від залишків слинної залози комара. А якщо частинки комариних тканин опиняться в кровотоку людини - це загрожує як мінімум алергією, а то і закупоркою судин, або навіть зараженням крові.
З вірусами і бактеріями, вакцини від яких вже давно поставили на потік, таких проблем не виникало. Перші можна виростити в клітинній культурі, другі - на живильному середовищі. Але малярійний плазмодій, як істий еукаріот, примхливий і норовливий. Він не росте в культурах - він живе тільки в комарі. Причому тільки в його слинній залозі (та стадія, яка заражає людей). Через півстоліття ми знаємо, що подібна вибагливість властива всім одноклітинним еукаріотичним паразитам, будь то лямблія, бабезія або токсоплазма. Розбиратися з усіма їх особливостями і вміннями складно, довго, незручно. Тому і вакцин від викликаних ними хвороб немає.
Але навіщо, здавалося б, виділяти плазмодіїв з комара, якщо комар і без сторонньої допомоги відмінно вміє доставляти паразитів всередину людини? Чому б не опромінювати комара цілком, разом з плазмодіями в його слинній залозі? У 1970-му році з'ясувалося, що такий метод опромінення теж працює - а в 1973-му вдалося з його допомогою викликати імунітет до малярії в одного добровольця (цього разу справжнього, який дав згоду на процедуру).
Цей результат, однак, рішуче неможливо масштабувати. Одна справа - тримати кілька клітин з комарами при лікарні, а інша - возити за собою по містах і вагах фургони, забиті клітинами з тисячами опромінених комах. В експерименті 1973 року добровольцю потрібно було витримати 379 укусів, щоб знайти імунітет до малярії. Складно уявити, скільки довелося б запасти комарів, щоб їх апетиту вистачило на все населення Африки.
Триголовий ворог
Можна було б, звичайно, спробувати підкрастися до плазмодію з іншого боку - і атакувати його на іншій стадії життєвого циклу. Їх у нього кілька. Той плазмодій, що потрапляє в кров людини з укусом комара, виглядає як довге тонке каное з ядром посередині і зветься спорозоїтом. Він ховається в клітини печінки, розмножується там і виходить назовні тисячами дрібних шароподібних або грушевидних клітин - мерозоїтів. Мерозоїти проникають в еритроцити, розмножуються там і знову виходять назовні, руйнуючи їх (з цього моменту у людини, власне, починаються напади малярійної лихоманки). Якась частина плазмодіїв після цього продовжує заражати нові еритроцити, а деякі набувають форму банану. Це гаметоцити, їхнє завдання - повернутися в тіло комара для статевого розмноження.
Вакцина, яка спрацювала на мишах і укушеному 379 разів пацієнті, знайомила імунітет зі спорозоїтами - щоб не дати плазмодію пробратися в печінку. Але ціна промаху у такої вакцини висока. Плазмодій проводить у формі спорозоїта зовсім небагато часу, і якщо хоча б кілька з них вислизнуть від імунного нагляду і доберуться до печінки, то вийдуть звідти вже мерозоїтами - невидимими для імунітету (тому що щеплення вчило його полювати на попередню форму плазмодія) і руйнівними для еритроцитів.
Атакувати плазмодія на виході з печінки здається більш обережною ідеєю: імунітет щепленого не захищав би його від зараження, але заважав би мерозоїтам проникати в еритроцити і гальмував би розвиток хвороби. Але тут проблема з вирощуванням плазмодія стоїть ще гостріше. Якщо комарів, які «виношують» спорозоїтів, ще можна розвести в лабораторії, то розмножувати еритроцити для напрацювання мерозоїтів ми просто не вміємо: у них немає ядра, вони не здатні ділитися. Однак до вирішення цієї проблеми справа навіть не дійшла - всі мерозоїтні вакцини, які досі відчували, виявилися неефективними.
Нарешті, можна наздогнати плазмодія на останній стадії - коли він вже приготувався мігрувати назад у тіло комара. Така вакцина не буде ні захищати людей від інфекції, ні полегшувати перебіг хвороби, - лише загальмує поширення малярії. І якщо виявиться досить ефективною, то може і зовсім позбавити людство від цієї хвороби. Але таку вакцину буде неймовірно складно випробувати. Навіть якби вдалося вакцинувати хворих на малярію в якому-небудь селі - незрозуміло, що робити далі: відловлювати всіх комарів в окрузі і перевіряти їх на наявність плазмодія? Або вважати кількість нових заражених малярією? З урахуванням того, що окремі популяції комарів то ростуть, то скорочуються, то мігрують, ці дані вийшли б сильно спотвореними.
Тому в пошуках малярійної вакцини вчені знову і знову поверталися до того, що простіше: вакцинам на спорозоїтах. Залишалося тільки навчитися їх добувати.
Розділяй і синтезуй
До початку 80-х ситуація виглядала безнадійною. Хорошого джерела спорозоїтів так і не знайшли, нових вакцин на ринку не з'явилося. Не було й великого бажання їх шукати - в багатьох розвинених країнах малярії не бачили вже кілька десятків років. Трохи дослідникам, що продовжували їй займатися, доводилося відправляти своїх підлеглих «у поле» - подивитися, як насправді виглядає далека африканська хвороба.
У цей час придумали полімеразну ланцюгову реакцію, ПЛР - спосіб копіювати гени, не розмножуючи організм цілком. За нього одразу ж вхопилися дослідники малярії, відмовившись від ослаблених паразитів і проголосивши еру нових вакцин, синтетичних. Можна було більше не пасти комарів на кроликах, не ламати очі над бінокуляром у пошуках слинних залоз і обійтися однією ін'єкцією замість чотирьох сотень. Досить було забрати у плазмодія який-небудь ген, «згодувати» його бактеріям і змусити виробляти спорозоїтні білки - і знайомство людини з малярією стане набагато менш болючим і трудомістким.
Відтоді так вчинили з гепатитом В, папіломавірусом і грипом - але не змогли вчинити з малярією. Можливо, справа в тому, що одиночні білки плазмодія не здатні самі по собі викликати досить сильну імунну відповідь. Крім того, плазмодій виявився не тільки примхливим, але і змінним. Сотні мільйонів людей, які хворіють на них щорічно - це величезний полігон для еволюції. Кожен з п'яти видів плазмодія, небезпечний для людини, ділиться на сотні ліній - і всі вони продовжують змінюватися, набуваючи стійкість до ліків, інсектицидів і вакцин.
Тому навіть ті ідеї, що здавалися ефективними в лабораторії, одна за одною провалювалися. Тільки одна дійшла до широкого застосування серед африканських дітей, хоча запобігає лише третині випадків важкої малярії: ВООЗ розсудила, що краще такий захист, ніж ніякий. Знайти універсальний антиген, який створював би в імунітету образ усіх плазмодіїв на світі, нікому за півстоліття так і не вдалося.
Повернення на ферму
І ось на початку 2000-х років, розчарувавшись у синтетичних методах, група американських дослідників заснувала компанію Sanaria, щоб розібратися з малярією старим, складним - але зрозумілим шляхом.
Час для цього був, втім, куди більш сприятливий, ніж у 1970-х. Але і з сучасною технологічною базою малярійному стартапу знадобився десяток років на те, щоб навчитися повністю очищати спорозоїтів від тканин комара і заморожувати їх в рідкому азоті для транспортування. Компанія зробила ставку на важку ручну працю - і тільки до 2010-х років відзвітувала про те, що поставила виробництво плазмодіїв на потік.
У хорошій вакцині, за їхніми розрахунками, має бути від півтора до трьох з половиною мільйонів ослаблених спорозоїтів. Якби їх доставляли в організм комарі, знадобилося б близько десятка тисяч укусів. Але якщо виділяти спорозоїтів зі слинних залоз безпосередньо, то однієї комахи виявляється достатньо, щоб набрати потрібну дозу. Зараз команда з шести співробітників компанії за годину встигає обробити близько 500 комарів - тобто отримує щонайменше 500 доз вакцини.
Ще десяток років пішов на те, щоб відточити методику вакцинації: підібрати потрібну концентрацію плазмодіїв для вакцини і спосіб введення в організм. У фінальній версії з процедури прибрали опромінення: тепер людина отримує повністю життєздатних спорозоїтів - а слідом за ними, через пару днів, протималярійні препарати. Таким чином, плазмодії потрапляють в організм цілими і неушкодженими, а «ослабленість» вакцини виражається в тому, що через кілька днів паразити гинуть від ліків. Це дозволило знизити дозу плазмодіїв: тепер для однієї ін'єкції потрібні не мільйони ослаблених, а всього пара сотень тисяч спорозоїтів.
І ось, через 54 роки після історичного експерименту на мишах, «жива» вакцина від малярії PfSPZ домоглася успіху. Від хвороби виявилися захищені 7 з 8 (87,5 відсотка) добровольців, які отримали спорозоїтів і піриметамін (він вбиває плазмодія в клітинах печінки), а також 6 з 6, яким дісталися спорозоїти і хлорохін (він діє пізніше, коли плазмодій доходить до еритроцитів). Більш того, їх імунітет виявився стерилізуючим - тобто вакцина захистила їх не тільки від симптомів хвороби, але і від зараження взагалі. Захист спрацював не тільки проти того самого варіанту плазмодія, яким їх прищеплювали, але і проти іншої лінії паразитів, і протримався щонайменше три місяці. Це замало для африканських дітей, але в самий раз для іноземних туристів.
Комарині жнива
Вибірка в кілька десятків добровольців - це, звичайно, тільки перший етап клінічних випробувань. Вакцину чекає безліч інших перевірок на ефективність. Але набагато важче буде пройти перевірку ринком - на масштабування виробництва.
За живою вакциною по п'ятах крокує антигенна вакцина R21. У квітні 2021-го року вона показала 77-відсоткову ефективність. І навіть якщо Sanaria гідно проведе свою вакцину через клінічні випробування, компанії доведеться навчитися виробляти її дешевше і ефективніше, ніж у конкурентів, які справляються і без комарів.
Вирощувати спорозоїтів вчені досі не вміють (хоча вже неодноразово робили такі спроби). Якщо команда з 6 осіб продовжить виробляти 500 доз на годину, то на всіх дітей Африки їй потрібно 114 років з хвостиком - так що непогано було б знайти спосіб прискоритися. Тому компанія перейнялася створенням робота, який займався б виділенням спорозоїтів з комарів.
Добути слинну залозу відносно просто: досить відсікти комару голову і натиснути на груди, з цим можуть впоратися автоматизовані гільйотина і прес. Набагато більше часу, навіть у тренованих лаборантів, займає педантичне викладання комарів на гільйотину - щоб всі вони дивилися головами в один бік, а край голови опинявся на лезі.
Щоб прискорити цей етап, інженери компанії розробили схему, яка покликана замінити ручну працю: водна зважка з комарів подається на розділовий конус, з якого невеликі краплі (в яку поміщається строго один комар) розподіляються по лунках. Там система комп'ютерного зору визначає, чи потрапив комар лунку, і подає сигнал на обертальний механізм, який орієнтує їх так, щоб комарі «дивилися» в один бік. Після цього маніпулятор по черзі укладає комах під лезо гільйотини.
Але навіть якщо ця конструкція запрацює, вона не вирішить всі проблеми з виробництвом живих малярійних вакцин. Сотні мільйонів комарів перед забоєм потрібно буде чимось годувати. Тримати їх на дієті з кроликів, як у старі добрі часи, з одного боку, неекономно, а з іншого небезпечно: хто знає, якими ще патогенами вони можуть забезпечити комарів. Тому єдиним прийнятним джерелом їжі сьогодні залишається людська кров. А значить, необхідно буде налагодити конвеєр її донорів і системи скринінгу - оскільки люди, як і кролики, можуть виявитися носіями небажаних вірусів або бактерій.
Але і на цьому вдосконалення технології навряд чи зупиниться. За той час, що в Sanaria шукали спосіб познайомити імунну систему людини з живим плазмодієм, молекулярна біологія просунулася сильно далі. І зараз вже не здається розумним опромінювати комарів у рентгенівському апараті або добивати мерозоїтів у крові хлорохіном. Набагато надійніше було б знешкоджувати плазмодії генетично - CRISPR/Cas працює не гірше рентгенівських променів.
Про генетичне редагування замислюються і самі творці вакцини - навіть почали перевіряти модифікованих плазмодіїв на добровольцях. І, хоча буде непросто перейти на нову технологію, після того як стільки років відпрацьовував стару, можна уявити собі, як будуть виглядати вакцинні ферми нового покоління. Мільйони комарів у величезних ангарах будуть виношувати в собі генетично модифікованих плазмодіїв, час від час пікіруючи на басейн зі стерилізованою донорською кров'ю. Шеренги роботів обертатимуть роторами під стрункий лязг гільйотин, а ті - вивергатимуть мільярди плазмодіїв у чани з рідким азотом. Штабелі заморожених пробірок відправляться прямо в спекотну Африку, і ось тоді ми зможемо, нарешті, оцінити, на що здатна «жива» вакцина.