De Evolutie van Vaccins: Van Jenner's Ppokken Doorbraak tot Moderne Immunologie

Achtergrond

De ontwikkeling van vaccins om te beschermen tegen virale ziekten is een van de mijlpalen van de moderne geneeskunde. Het eerste vaccin werd geproduceerd door Edward Jenner in 1796 in een poging bescherming te bieden tegen pokken. Jenner merkte dat melkmeisjes die koepokken hadden opgelopen, een redelijk onschuldelijke infectie, weerstandig leken tegen pokken, een ziekte van mensen die regelmatig epidemieën bereikte met extreem hoge sterftecijfers.

Jenner theoriseerde (correct) dat koepokken, een ziekte van dieren, vergelijkbaar was met pokken. Hij concludeerde dat de menselijke reactie op een injectie met koepokkenvirus de menselijke lichaam zou leren om op beide virussen te reageren, zonder grote ziekte of dood te veroorzaken. Vandaag de dag is pokken volledig uitgeroeid. Alleen twee bevroren monsters van dit virulente virus bestaan (één in de VS, de ander in Rusland), en per mid-1995 is er ernstig wetenschappelijk debat of de monsters te vernietigen of te bewaren voor verder laboratoriumonderzoek.

Een virus is een klein beetje RNA (Ribonucleïnezuur) en/of DNA (desoxyribonucleïnezuur), het materiaal in alle levende cellen dat de cel instructeert hoe te groeien en zich te vermenigvuldigen. Virussen kunnen zich niet zelf voortplanten, maar alleen door de kern van een gastheercel over te nemen en de cel te instrueren om extra virussen te maken. Wanneer een virus een organisme met succes binnenvalt, neemt het het celgroeiproces in de gastheer over.

Onder normale omstandigheden reageert het menselijk lichaam op virale invasie op verschillende manieren. Gegeneraliseerde immuniteit tegen een virus kan ontwikkeld worden door cellen in het lichaam die doelen zijn van virale invasie. In deze situatie worden virussen voorkomen toegang te krijgen tot gastheercellen. Een meer voorkomende bescherming is het vermogen van het lichaam om bloed- en lymfecellen te ontwikkelen die de binnendringende virus vernietigen of de effectiviteit beperken. Vaak zal een geïnfecteerd menselijk lichaam 'leren' hoe te reageren op een specifiek virus in de toekomst, zodat een enkele infectie, vooral van een relatief onschadelijk virus, het lichaam meestal leert hoe te reageren op additionele invasies van hetzelfde virus. De verkoudheid, bijvoorbeeld, wordt veroorzaakt door een van diverse honderden virussen. Na herstel van een verkoudheid zijn de meeste mensen resistent tegen het specifieke virus dat die bepaalde verkoudheid veroorzaakte, hoewel vergelijkbare verkoudheidvirussen nog steeds vergelijkbare of identieke symptomen zullen veroorzaken. Voor sommige onschadelijke virussen kan een persoon zelfs immuniteit ontwikkelen zonder zichtbaar ziek te worden.

Virussen Families

Er zijn meestal verschillende variaties of stammen van elk specifiek virus. Afhankelijk van het aantal variëteiten, kan een bioloog virussen groeperen als typen of stammen. Vaccins worden vaak gemaakt van meer dan één groep gerelateerde virussen; een preventieve reactie op de multivalente vaccinatie zal waarschijnlijk immuniteit veroorzaken tegen bijna alle varianten van de groep, of tenminste tegen die varianten die een persoon waarschijnlijk tegenkomt. De keuze van de specifieke leden van de groep voor gebruik in een vaccin wordt met pijnstakinge zorg en overweging gemaakt.

Het Productieproces

Het fabriceren van een antivirusvaccin vandaag is een gecompliceerd proces zelfs na de zware taak van het creëren van een potentiële vaccin in het laboratorium. De verandering van het fabriceren van een potentiële vaccin in kleine hoeveelheden naar het fabriceren van honderden liters veilig vaccin in een productiesituatie is dramatisch, en eenvoudige laboratoriumprocedures zijn misschien niet geschikt voor een 'schaal op' situatie.

De Zaad

• 1 Productie begint met kleine hoeveelheden van een specifiek virus (of zaad). Het virus moet vrij zijn van onzuiverheden, inclusief andere vergelijkbare virussen en zelfs variaties van hetzelfde type virus. Bovendien moet het zaad onder 'ideale' omstandigheden bewaard worden, meestal bevroren, die voorkomen dat het virus sterker of zwakker wordt dan gewenst. Opgeslagen in kleine glas- of plastic containers, hoeveelheden van slechts 5 of 10 kubieke centimeter, maar duizenden zo niet miljoenen virussen bevattend, zullen uiteindelijk leiden tot verschillende honderden liters vaccin. Vriezers worden op gespecificeerde temperaturen gehouden; grafieken en/of wijzers buiten de vriezer houden een continu registratie van de temperatuur. Sensoren zetten hoorbare alarm signalen en/of computeralarmen af als de vriezertemperatuur buiten bereik gaat.

Het Virus Kweken

• 2 Na ontdooiing en opwarming van het zaadvirus onder zorgvuldig gespecificeerde condities (d.w.z. bij kamertemperatuur of in een waterbad), wordt de kleine hoeveelheid viruscellen in een 'celfabriek' geplaatst, een kleine machine die, met de toevoeging van een geschikt medium, de viruscellen laat vermenigvuldigen. Elk type virus groeit best in een medium specifiek voor het, vastgelegd in pre-productielaboratoriumprocedures, maar alle bevatten eiwitten van zoogdieren in de een of andere vorm, zoals gezuiverd eiwit van koebloed. Het medium bevat ook andere eiwitten en organische verbindingen die de reproductie van de viruscellen stimuleren. Voor zover het virus betreft, is het medium in een celfabriek een gastheer voor reproductie. Gemengd met het geschikte medium, bij geschikte temperatuur, en met een vooraf bepaalde hoeveelheid tijd, zullen virussen zich vermenigvuldigen.
• 3 Naast temperatuur moeten andere factoren gemonitord worden, inclusief de pH van de mengsel. pH is een maat voor zuurgraad of basiciteit, gemeten op een schaal van 0 tot 14, en de virussen moeten op een gedefinieerde pH in de celfabriek gehouden worden. Gewoon water, dat noch zuur noch basisch is (neutraal) heeft een pH van 7. Hoewel de container waarin de cellen groeien niet erg groot is (misschien de grootte van een 4-8 liter pot), zijn er een indrukwekkend aantal kleppen, buizen en sensoren aan verbonden. Sensoren monitoren pH en temperatuur, en er zijn diverse aansluitingen voor het toevoegen van media of chemicaliën zoals zuurstof om de pH te handhaven, plaatsen om monsters te onttrekken voor microscopische analyse, en steriele arrangementen voor het toevoegen van de celfabriekcomponenten en het onttrekken van het intermediaire product wanneer het klaar is.
• 4 Het virus uit de celfabriek wordt dan gescheiden van het medium, en in een tweede medium geplaatst voor additionele groei. Vroege methoden van 40 of 50 jaar geleden gebruikten een fles om de mengsel te houden, en de resulterende groei was een enkele laag virussen drijvend op het medium. Het werd snel ontdekt dat als de fles gedraaid werd terwijl de virussen groeiden, nog meer virus geproduceerd kon worden omdat een laag virus groeide op alle binnenkantoppervlakken van de fles. Een belangrijke ontdekking in de jaren '40 was dat celdeling sterk gestimuleerd wordt door de toevoeging van enzymen aan een medium, de meest gebruikte is trypsine. Een enzym is een eiwit dat ook fungeert als katalysator in de voeding en groei van cellen.

  In de huidige praktijk worden flessen helemaal niet gebruikt. Het groeiende virus wordt in een container groter dan maar vergelijkbaar met de celfabriek gehouden, en gemengd met 'korrels', nabij microscopische deeltjes waaraan de virussen zich kunnen hechten. Het gebruik van de korrels biedt het virus een veel groter gebied om zich aan te hechten, en consequentieel een veel grotere groei van virus. Net als in de celfabriek worden temperatuur en pH strikt gecontroleerd. Tijd doorgebracht in het kweken van virus varieert volgens het type virus dat geproduceerd wordt, en is in elk geval een nauw bewaard geheim van de fabrikant.

Scheiding

• 5 Wanneer er een voldoende aantal virussen is, worden ze van de korrels gescheiden op een of meer manieren. De bouillon kan gedwongen worden door een filter met openingen groot genoeg om de virussen door te laten, maar klein genoeg om de korrels te blokkeren. De mengsel kan meerdere keren gecentrifugeerd worden om het virus van de korrels te scheiden in een container waaruit ze dan afgetapt kunnen worden. Nog een alternatief zou kunnen zijn om de korrelmengsel te vloeden met een ander medium dat het virus van de korrels afwast.

De Stam Selecteren

Het uiteindelijke vaccin zal ofwel bestaan uit geattenuëerde (verzwakte) virus, of een gedood virus. De keuze voor één of het andere hangt af van een aantal factoren inclusief de effectiviteit van het resulterende vaccin, en zijn bijwerkingen. Griepvaccin, dat bijna elk jaar ontwikkeld wordt in reactie op nieuwe varianten van het veroorzakende virus, is altijd een geattenuëerd vaccin. De virulente van een virus kan de keuze dicteren; hondsdolheidvaccin is bijvoorbeeld altijd een gedood vaccin.

• 6 Als het vaccin geattenuëerd is, wordt het virus meestal geattenuëerd voordat het door het productieproces gaat. Zorgvuldig geselecteerde stammen worden gekweekt (gegroeid) herhaaldelijk in diverse media. Er zijn stammen van virussen die eigenlijk sterker worden naarmate ze groeien. Deze stammen zijn duidelijk onbruikbaar voor een geattenuëerd vaccin. Andere stammen worden te zwak naarmate ze herhaaldelijk gekweekt worden, en deze zijn ook onacceptabel voor vaccin gebruik. Als het papje, stoel, en bed dat Goudenhaarje mooi vond, alleen sommige virussen zijn 'juist goed', bereikend een mate van attenuatie die ze acceptabel maakt voor vaccin gebruik, en niet veranderend in kracht. Recente moleculaire technologie heeft attenuatie van levend virus door moleculaire manipulatie mogelijk gemaakt, maar deze methode is nog zeldzaam.
• 7 Het virus wordt dan gescheiden van het medium waarin het is gegroeid. Vaccins die van verschillende typen zijn (zoals de meeste) worden gecombineerd voor verpakking. De daadwerkelijke hoeveelheid vaccin die aan een patiënt gegeven wordt, zal relatief klein zijn vergeleken met het medium waarin het gegeven wordt. Beslissingen over of water, alcohol, of een andere oplossing te gebruiken voor een injecteerbaar vaccin, worden gemaakt na herhaalde tests voor veiligheid, sterilliteit en stabiliteit.

Kwaliteitscontrole

Om zowel de zuiverheid van het vaccin als de veiligheid van de werknemers die het vaccin maken en verpakken te beschermen, worden laboratoriumhygiënecondities door het hele proces gehandhaafd. Alle overdrachten van virus en media worden onder steriele omstandigheden uitgevoerd, en alle gebruikte instrumenten worden gesteriliseerd in een autoklaaf (een machine die organismen doodt door hitte, en die zo klein kan zijn als een juweeldoosje of zo groot als een lift ) voor en na gebruik. Werknemers die de procedures uitvoeren, dragen beschermende kleding wat disposable tyvek jassen, handschoenen, laarzen, haarnetten en mondmaskers omvat. De productieruimtes zelf zijn speciaal geairconditioneerd zodat er een minimaal aantal deeltjes in de lucht is.

De Goedkeuringsprocedure

Om receptuurmedicijnen in de Verenigde Staten te verkopen, moet een farmaceutische fabrikant strikte licentievereisten halen vastgesteld bij wet en gehandhaafd door de Food and Drug Administration (FDA).

Alle receptuurmedicijnen moeten drie fasen van testen ondergaan, hoewel data uit de tweede fase soms gebruikt kan worden om derde fase vereisten te halen. Fase 1 testen moeten bewijzen dat een medicijn veilig is, of tenminste dat geen onverwachte of ongewilde effecten zullen optreden uit de toediening. Als een medicijn Fase I testen haalt, moet het daarna getest worden op effectiviteit – het moet doen wat het moet doen; medicijn kan niet verkocht worden dat nutteloos is, of dat claims maakt voor een effect dat het niet heeft. Ten slotte is Fase III testen ontworpen om de effectiviteit van een medicijn of drug te kwantificeren. Hoewel vaccins verwacht worden effectiviteit dicht bij 100% te hebben, kunnen bepaalde medicijnen wel acceptabel zijn zelfs als ze beperkte effectiviteit hebben, zolang de voorschrijvende arts de odds kent.

Het gehele productieproces wordt zorgvuldig beoordeeld door de FDA die records van procedures onderzoekt alsook de productielocatie zelf bezoekt. Elke stap in het productieproces moet gedocumenteerd zijn, en de fabrikant moet een 'staat van controle' demonstreren voor het productieproces. Dit betekent dat scherpe records moeten worden bijgehouden voor elke stap in het proces, en er moeten geschreven instructies zijn voor elke stap van het proces. Behalve in gevallen van zware fouten, bepaalt de FDA niet of elke stap in een proces correct is, maar alleen dat het veilig is en voldoende gedocumenteerd om uitgevoerd te worden zoals de fabrikant stipuleert.

De Toekomst

Het produceren van een bruikbaar, veilig antivirale vaccin omvat een groot aantal stappen die, helaas, niet altijd voor elke en elke virus gedaan kunnen worden. Er is nog veel te doen en te leren. De nieuwe methoden van moleculaire manipulatie hebben meer dan één wetenschapper ertoe gebracht te geloven dat de vaccinetechnologie pas nu een 'gouden eeuw' binnen gaat. Verfijningen van bestaande vaccins zijn in de toekomst mogelijk. Hondsdolheidvaccin produceert bijvoorbeeld bijwerkingen die het vaccin onvoldoende maken voor massa-immunisatie; in de VS wordt hondsdolheidvaccin nu alleen gebruikt op patiënten die het virus van een geïnfecteerd dier hebben opgelopen en waarschijnlijk, zonder immunisatie, de fatale ziekte zullen ontwikkelen.

Het HIV-virus, dat biologen geloven AIDS veroorzaakt, is momenteel niet aan traditionele vaccinproductiemethoden te onderwerpen. Het AIDS-virus muteert snel van de ene stam naar de andere, en elk gegeven stam lijkt geen immuniteit te verlenen tegen andere stammen. Bovendien kan een beperkt, immuniserend effect van zowel geattenuëerde als gedood virus niet gedemonstreerd worden in het laboratorium of in proefdieren. Er is nog geen HIV-vaccin ontwikkeld.