یادداشت/ مریم نفیسی‌راد
کارشناس‌ارشد شیمی گرایش فیزیک از دانشگاه علم و صنعت
مولف و مترجم
برنامه نویس و محقق نانو واکسن ها و واکسن‌های علیه ویروس COV-19
استراتژي‌هاي تولید نانو واکسن علیه COVID- 19
مقدمه:
در دسامبر 2019، یک کرونا ویروس جدید متعلق به خانواده بتا کرونا ویروس ظهور یافت. تمامی بتا کرونا ویروس‌ها به گونه‌اي از یکدیگر متمایز بوده و منحصر به فرد هستند. با این حال، آنها داراي درجات معین و مشخصی از شباهت ساختاري و ژنومی هستند، به طوري که ژنوم 2 CoV-SARS با Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 Middle East respiratory MERS-CoV و SARS-CoV از % 50 و % 77 ترتیب به syndrome-related coronavirus لحاظ ساختاري شباهت دارد (3 .(بر خلاف CoV-SARS در سال 2002 و CoV-MERS در سال 2012 که شیوع نسبتا کمی را نشان دادند، 2 CoV-SARS شیوع بی سابقه‌اي از عفونت را نشان داد؛ در نتیجه سازمان بهداشت جهانی 2020 مارس 11 در World Health Organization :WHO بر طبق بیانیه‌اي، عفونت 19-COVID را به عنوان یک همه گیري جهانی اعلام کرد. از 1 ژوئن 2020 سازمان جهانی بهداشت کمتر از 6 میلیون بیمار تایید شده و 371 هزار مرگ و میر جهانی را گزارش کرد. شایان ذکر است در خلال همه گیري آنفلوانزا در 1918 بیشترین مرگ و میر در مرحله دوم شیوع ویروس مشاهده شد (همانند آنفلوانزا، 19-COVID 2019 disease Coronavirus این پتانسیل را دارد که به عنوان یک عفونت فصلی بروز کند. میزان عفونت بالا، دوره انکوباسیون طولانی، در کنار علائم حاد تا معتدل که به وسیله افراد مختلف تجربه شده است، 19-COVID را به عنوان یک بیماري تهدید کننده سلامت جامعه معرفی کرده است (5 ,6 .( بیش از 10 سال قبل، محققین ظهور یک همه گیري ناشی از کرونا ویروس‌ها را پیش بینی کرده بودند و در طی 30 سال گذشته، هر 10 سال یک بار یک کرونا ویروس جدید سیستم بهداشت عمومی را تحت تاثیر قرار داده است، اما این عفونت‌هاي ویروسی خود محدودشونده بودند. اما در باره‌ی SARS 2-CoV تاثیرات بسیار شدیدتر بوده و علیرغم پیش بینی‌هاي صورت گرفته در باره شیوع این ویروس، متاسفانه دنیا آماده این همه گیري نشده بود.
در این رابطه طراحی و تولید یک واکسن کارآمد، با توجه به وجود ناقلین بدون علامت بیماران 19COVID، ضروري و حیاتی است و تنها عاملی است که منجر به برداشت کامل محدودیت‌ها می‌شود. اما در این راه چالش‌هایی وجود دارد که باید مد نظر قرار گرفته شود که در وهله اول شامل طراحی واکسن، ساخت سریع واکسن و توزیع جهانی آن است.
استراتژي‌هاي تولید واکسن در هنگام طراحی یک واکسن، در ابتدا باید اطلاعات کامل در رابطه با خصوصیات آنتی ژن، ادجوانت، سیستم ساخت و تحویل واکسن را داشته باشیم. به دلیل در دسترس بودن بسیار سریع اطلاعات ژنومی و ساختاري ویروس CoV-SARS 2 براي محققین، تولید سریع واکسنهاي مختلف براي این ویروس امکان‌پذیر است. اطلاعات ساختاري ویروس در کنار مطالعات بیوانفورماتیک و نقشه برداري اپی توپی Mapping Epitope امکاناتی را فراهم کرده است که تولید واکسنهاي نوترکیب را سریع‌تر از تولید واکسنهاي زنده ضعیف شده و غیر فعال شده قادر ساخته است (همچنین اطلاعات موجود از تولید واکسن علیه MERS/SARS درتوسعه واکسن علیه -2CoV-SARS کمک کننده بوده است. استفاده از سیستم‌هاي نانوتکنولوژي ابراز بسیار خوبی را در تولید واکسنهاي جدید و کارامد ارائه کرده است و به ساخت واکسنهاي جدید با سرعت بسیار زیاد که به سمت آزمون بالینی خواهند رفت، کمک فراوانی کرده است. در کنار واکسنهاي غیرفعال، ظهور واکسنهاي مبتنی بر نانوتکنولوژي، از قبیل واکسنهاي مبتنی بر mRNA که به وسیله نانوپارتیکل‌ها حمل می‌شوند و واکسنهاي ساخته شده از وکتورهاي ویروسی قبلا به فاز II و III آزمایشات بالینی رسیده‌اند. ویروس 2 CoV-SARS یک ویروس پوششدار، داراي RNA تک رشته‌اي با پلاریته مثبت همراه با گلیکوپروتئین‌هاي اسپایک است که به صورت تاج مانند از سطح بیرونی بیرون زده است. چهار پروتئین ساختاري مهم بتا کروناویروس شامل پروتئین اسپایک (S) ،پروتئین پوششی (E) ،پروتئین غشایی(M) و پروتئین نوکلئوکپسید (N) هستند.(پروتئین S ویروس به دلیل دخالت در ورود ویروس به داخل سلول میزان هدفی کارآمد و موثر براي تولید واکسن است. این پروتئین داراي دو (دامنه) دمین S1 و S2 است که به ترتیب مسئول اتصال به گیرنده 2 (و فیوژن ویروس هستد. دومین S1 در بین کروناویروس‌ها داراي تنوع و گوناگونی است، در حالی که دومین S2 از لحاظ توالی ژنومی بیشتر محافظت شده است. اطلاعات درباره‌ی ترکیبات ساختاري ویروس و تجارب به دست آمده از پروتئین‌هاي کاندید شده جهت تولید واکسن علیه MERS/SARS ،محققین پیش بینی کرده‌اند که کل ساختار پروتئین S و همچنین نواحی مشتق شده از ناحیه S1 ، هدف اپیتوپ‌هاي)، Receptor-binding domain) RBD و S2 اولیه و اصلی براي القا آنتی بادي خنثی کننده علیه -SARS 2-CoV هستند. آنالیز سرم بیماران نقاهت یافته از -SARS 2-CoV حضور آنتی‌بادي‌هاي خنثی کننده علیه دومین S2 ،RBD ،S1 S پروتئین پروتئین S شدیدا" گلیکوزیله است و بررسی‌هاي کامپیوتري نشان داده است که پروتئین‌هاي S گلیکوزیله شده ثبات و ساختار سازماندهی شده‌تري در مقایسه با پروتئین‌هاي S گلیکوزیله نشده دارند. بنابراین بهتر است گلیکوزیلاسیون پروتئین S در طراحی واکسن در نظر گرفته شود. واکسنهاي که بر مبناي RNA/DNA هستند، می‌توانند در بدن بیمار تولید محصول کرده و خاصیت گلیکوزیلاسیون را به صورت ذاتی با خود حمل کنند. براي واکسنهاي نوترکیب روش هاي glycoengineering میتواند جهت گلیکوزیلاسیون سودمند و مفید باشد.
واکسنهاي تولید شده علیه 2 :CoV-SARS واکسنهاي غیرفعال و زنده ضعیف شده. و واکسنهاي زنده ضعیف شده LAVs :attenuated-Live vaccines ویروس زنده تکثیر شونده غیر بیماري زا هستند. هدف از طراحی LAVs ،ایمنی زایی با یک دوز تزریق بدون ایجاد بیماري است. از آنجایی که تکنولوژي تولید LAVs در دسترس و تایید شده است، این واکسنها به عنوان یکی از کاندیداهاي پیشرو در تولید واکسن براي همه گیري -COVID 19 مطرح هستند. در این زمینه شرکت Codagenix واکسن زنده ضعیف شده‌اي به نام 500-CDX را سنتز کرده است که انتظار می‌رود فاز اولیه آزمایشات بالینی آن در پاییز آغاز شود. با این حال، LAVs معایبی همچون انتقال ویروس، تبدیل شدن به شکل بیماري زا، فعالیت مجدد در افراد با سیستم ایمنی تضعیف شده و همچنین نوترکیبی با ویروس‌هاي مرتبطی که در حال چرخش در جامعه هستند به خصوص عفونت‌هاي جدیدي را که هنوز بیماري زایی آنها شناخته نشده است، دارد. همچنین LAVs عموما نیازمند زنجیره انتقال سرد است و نیز از بین رفتن خاصیت اثر بخشی ویروس و پتانسیل تکثیر مجدد ویروس‌ها در هنگام تولید واکسن چالش‌هاي بسیار مهم در این زمینه هستند. مطالعات ابتدایی نشان داده‌اند که یک سري تغییرات کدونی خاموش ( Silent changes codon) ایجاد شده در این گروه از واکسنها داراي تاثیرات مثبت در کاهش خاصیت برگشت پذیري ویروس به حالت وحشی را نشان داده است. امروزه تکنولوژي‌هاي جدید از قبیل expansion code genetic براي تولید ویروس با سرعت تکثیر و پایدار از لحاظ ژنتیکی بالا در حال استفاده است. همچنین، با استفاده از روش‌هاي ژنومی صناعی قادر به تولید و سنتز 2 CoV-SARS نوترکیب، از قطعات DNA ویروسی هستند. این استراتژي‌ها می‌توانند جهت تولید سریع LAVs به کار گرفته شوند واکسنهاي غیر فعال شده (IVs :vaccines Inactivated ) ویروس‌هاي غیرفعال شده از طریق گرما، مواد شیمیایی و یا ترکیبی از هردو هستند. این واکسنها قادر به تکثیر نبوده و ایمن‌تر از LAVs هستند. اما باید توجه داشت که عمل غیرفعال سازي، سبب کاهش ایمنوژنسیتی واکسن شده و در نهایت نیازمند به دوزهاي تکراري جهت افزایش ایمنی‌زایی واکسن در طولانی مدت هستند. با اینکه IVs پایداري بیشتري در مقایسه با LAVs دارند، آنها نیازمند زنجیره انتقال سرد (به مجموعه تجهيزات وامکاناتی که موجب مي‌شود دماي واکسن از زمان توليد تا زمان مصرف حفظ شود ويا به عبارتی ديگربه نظام مرکب ازافراد و تجهيزات که اطمينان مي‌دهد وا کسن موثر به مصرف کننده برسد زنجيره سرماگفته مي‌شود.) هستند. (چندین واکسن IVs علیه 19 COVID در حال تولید هستند که واکسن شرکت Sinavac اولین مرحله آزمایشات بالینی آن تاییده شده است. نخستین پروژه ساخت واکسن کرونا در ایران که توسط شرکت داروسازي شفا آغاز شده بود، در تاریخ 9 دي 1399 با تزریق به سه داوطلب وارد مرحله نخست آزمایش انسانی شد. این واکسن در صورت سپري کردن موفق سه مرحله آزمایش انسانی، اواخر بهار وارد بازار خواهد شد. این واکسن یکی از پنج پروژه ایرانی ساخت واکسن COVID- 19 است که در فهرست سازمان جهانی بهداشت ثبت شده است. روش ساخت این واکسن شبیه به دو واکسن چینی ساخت شرکت‌هاي Sinopharm و Sinavac است. وکتورهاي ویروسی تعدادي از ویروس‌هاي پستانداران به گونه‌هاي مهندسی شده‌اند که براي تولید واکسنهاي مختلف مورد استفاده قرار گرفته‌اند. براي 19 COVID چندین کاندیداي واکسن در حال تولید است که در آن از وکتورهاي آدنوویروسی استفاده شده است. وکتورهاي آدنوویروسی پیشرو در ساخت واکسن علیه وکتور وAd-nCoV 5 تیپ آدنوویروس SARS- CoV-2 آدنوویروس شامپانزه ChAdOx1 به ترتیب به وسیله Biological CanSino از 16 مارس 2020 و دانشگاه آکسفورد از 31 مارچ 2020 مورد استفاده قرار گرفته‌اند. استفاده از وکتورهاي آدنوویروسی مزایایی از قبیل گرایش بافتی وسیع و گسترده، خصوصیت ذاتی ادجوانتی و مقیاس پذیري آن است. یکی از چالش‌ها جهت استفاده از وکتورهاي آدنوویروسی طبق گزارشات متعدد، سطوح بالاي ایمنی موجود از قبل، علیه Ad5 است. با این حال استفاده از این وکتور همچنان ادامه دارد. در ساخت واکسن علیه 19 COVID با توجه به مشکلات وکتور Ad5، از وکتور ChAdOx1 به عنوان جایگزین که داراي ایمنی از قبل ایجاد نشده در انسان هستند، به عنوان زیرساخت تولید واکسن مورد استفاده قرار گرفته است.
اخیرا واکسن آکسفورد-آسترازنکا جهت تزریق مورد تایید قرار گرفته است. میزان اثربخشی این واکسن بین 62 تا 90 درصد متغیر است. دماي نگهداري این واکسن بین 2 تا 8 درجه سانتی گراد و مدت زمان نگهداري آن تا 6 ماه است.یکی از مزایاي اصلی این واکسن ارزان بودن آن نسبت به سایر واکسنهاي تایید شده جهت تزریق است.
واکسنهاي نسل بعد بر پایه پیشرفت‌هاي نانوتکنولوژي: ویروس‌ها اجرامی با مقیاس نانو هستند؛ بنابراین می‌توانند به عنوان نانومواد طبیعی در نظر گرفته شوند. طبق این تعریف LAVs و IVs و وکتورهاي ویروسی به عنوان نانومواد مطرح هستند. ذرات نانو و ویروس‌ها از لحاظ اندازه مشابه هستند و این همان چیزي است که نقش نانوتکنولوژي در تولید واکسن و ایجاد ایمنی را بسیار برجسته‌تر کرده است. ذرات نانو، چه طبیعی و چه سنتتیک، ویژگی‌هاي ساختاري ویروس‌ها را تقلید می‌کنند که این عمل باعث می‌شود در بیوتکنولوژي و نانوشیمی امکان توسعه فناوري‌هاي تولید واکسنهاي نسل بعدي را فراهم کند.
طراحی واکسن بر پایه اسید نوکئیک: استفاده از کدهاي ژنتیکی براي تولید مستقیم پروتئین‌هاي ویروسی یک روش جایگزین امیدوار کننده براي طراحی و تولید واکسن به صورت سنتی است. هر دو ساختار اسیدنوکلئیک DNA و mRAN در تولید واکسن علیه همه گیري 19-COVID استفاده شده‌اند استفاده از این زیرساخت تولید واکسن، سبب شده است که سرعت تولید واکسن، پایداري آن و همچنین ایمنی ایجاد شده توسط این واکسنها مورد توجه قرار گیرد. اما متاسفانه گزارشات متعددي از عدم موفقیت این دسته از واکسنها در آزمایشات بالینی دیده شده است. تا امروز هیچ DNA و RNA واکسنی مجوز تزریق در انسان را نگرفته است. با این حال، یکی از مزایاي کاربردي این واکسنها تولید آنتی بادي بالا و پاسخ‌هاي ایمنی اختصاصی سلولهاي T+ CD4 همچنین تحریک پاسخ‌هاي T سایتوتوکسیک +CD8 است که نقش محوري در ریشه کنی ویروس را دارند.
براي ساخت DNA واکسن علیه 19 COVID شرکت پیشرو، شرکت Pharmaceuticals Inovio است که آزمایشات بالینی فاز I را در 6 آوریل 2020 انجام داده است و همچنین کمپانی Pharmaceuticals Entos در آلبرتاي کانادا آزمایشات بالینی فاز I را پشت سر گذاشته است.
واکسنهاي مبتنی بر mRNA از طریق مکانیسم رونویسی در آزمایشگاه تولید می‌شوند. در این حالت نیاز به سلول و همچنین موانعی که در هنگام رونویس در سلول رخ خواهد داد، برطرف می‌شود. تکنولوژي تولید mRNA واکسن کمپانی Moderna در 16 مارچ 2020 به فاز I آزمایشات بالینی رسیده است و نتایج امیدوار کننده‌اي در بر داشته است. همچنین کمپاتی آلمانی Pfizer-BioNTech فاز I و II آزمایشات بالینی چهار واکسن بر مبناي mRNA را پشت سر گذاشته است.
دو واکسنی که در کشورهاي غربی از جمله آمریکا و انگلستان مجوز دریافت کرده‌اند مربوط به 2 کمپانی Moderna و Pfizer-BioNTech هستند. واکسنهاي هر دو شرکت نشان داده‌اند که به میزان 94 تا 95 درصد موثر بوده‌اند. با این حال، به مرور زمان و انجام تحقیقات بیشتر اطلاعات جدیدتري در اختیار قرار خواهد گرفت. واکسن شرکت Pfizer در اولین تزریق ایمنی 52 % ایجاد می‌کند و بعد از تزریق دوم این مقدار به 95 % می‌رسد. لازم به ذکر است که واکسن Pfizer باید در دماي منفی 70 درجه سانتیگراد نگهداري شود که نیاز به فریزرهاي مخصوصی دارد. همچنین مدت زمان نگهداري این واکسن 5 روز است. در صورتی که واکسن Moderna را می‌توان در یک فریزر معمولی به مدت 1 ماه نگهداري کرد (دماي منفی 20 درجه سانتیگراد). این تفاوت باعث می‌شود که با توجه به اثربخشی یکسان هر دو واکسن، میزان درخواست براي واکسن Moderna بیشتر باشد.
اگرچه DNA واکسنها پایداري بالاتري نسبت به mRNA واکسنها دارند، اما mRNA در درون ژنوم وارد نمی‌شوند؛ بنابراین مشکلی از لحاظ تولید جهش ایجاد نمی‌کند. علاوه براین نیمه عمر، پایداري و ایمونوژنسیته mRNA ها را می‌توان از طریق تغییرات مختلف براي روي آن، کنترل و تنظیم کرد. به عنوان مثال، محققین در امپریال کالج لندن و Arcturus Therapeutics در حال تکمیل یک نوآوري از طریق RNA خود تقویت کننده براي طولانی شدن نیمه عمر RNA و همچنین افزایش بیان پروتئین S ویروس 2 CoV-SARS هستند.
یکی از موارد اساسی در طراحی واکسن، انتقال و تحویل واکسن به سلولهاي سیستم ایمنی است. در این رابطه، رویکردهاي میتنی بر فناوري نانو، ارائه دهنده راه حل‌هاي کارآمد در چالش تحویل واکسن به جمعیت سلولی مناسب است. در این زمینه، حامل‌هاي نانوسنتتیک شامل لیپوزوم‌هاي کاتیونیک و نانوپارتیکل‌هاي مرکب براي انتقال و تحویل DNA واکسنها از میان غشاي سلولی استفاده شده‌اند. زیر ساخت واکسن کمپانی Moderna بر پایه ذرات نانولیپیدي طراحی شده است که سبب عملکرد بهینه واکسن علیه عفونت شده است. علاوه بر این، زیرساختهاي نانوتکنولوژي از قبیل نانو امولسیون کاتیونیک، لیپوزوم و ذرات پلی ساکارید براي بهبود پایداري و تحویل و انتقال mRNA واکسنها به کار رفته‌اند.
واکسنهاي زیر واحد:
واکسنهاي زیر واحد حاوي قسمت‌هایی از ترکیبات ساختاري در 2CoV-SARS هستند که میتواند به همراه ادجوانت پاسخ ایمنی محافظت کننده‌اي در میزبان ایجاد کند. واکسنهاي زیر واحد 2 CoV-SARS با استفاده ازساختار کامل پروتئین S و یا زیر واحدهاي S2/S1 همراه با ادجوانت طراحی و ساخته شده‌اند. کمپانی Novavax پیشرو در ساخت این دسته از واکسن‌هاست و واکسن تولید شده آن در فاز I و II آزمایشات بالینی است علاوه بر این، واکسنهاي زیر واحد را می‌توان از ذرات نانوپروتئینی یا ذرات شبه ویروس VLP ایجاد کرد. واکسنهاي VLP با سیستم‌هاي بیانی نوترکیب تولید و با استفاده از روش‌هاي مهندسی ژنتیک امکان پیوند لیگاندها و سیستم‌هاي تعدیل کننده ایمنی را در این واکسنها ایجاد کرد. هر دو نانوپارتیکل‌هاي پروتئینی خود تجمع شونده و VLPها ترکیباتی هستند پایدار با انداره مشابه و به علاوه امکان تولید با مقیاس بالا از طریق فرمانتاسیون و یا روش‌هاي مولکولی هستند براي مثال، کمپانیهاي Medicago و iBio از گیاه Nicotiana benthamiana براي تولید VLP از پروتئین S و ExpreS2ion/AdaptVac از سیستم بیانی سلولهاي حشرات جهت تولید VLP از پروتئین S2 استفاده کرده‌اند. علاوه براین از داربست‌هاي پروتئینی از قبیل فريتین، encapsulin ، و VLP باکتریوفاژها براي افزایش ایمونوژنسیته واکسن استفاده شده است.
واکسنهاي پپتیدي:
مهم‌ترین نکته براي طراحی واکسن ایمنی آن است. بسیاري از واکسنها به گونه‌اي طراحی شده‌اند که کل ساختار پروتئین مد نظر، در ساخت واکسن به کار گرفته شده‌اند. به عنوان مثال، استفاده از طول کامل پروتئین S حاوي اپی توپ‌هاي مختلف در ساختار خود است که منجر به تولید طیف وسیعی از پاسخ‌هاي ایمنی سلولی و آنتی بادي در فرد دریافت کننده واکسن می‌شود. با این حال مطالعات اخیر بر کاندیداهاي پروتئینی واکسن SARS و MERS اشاره به خطرات ناشی از عفونت (antibody-dependent enhancement) ADE پدیده داشته‌اند. حضور آنتی بادي‌هاي غیرخنثی کننده می‌توانند در افزایش عفونت زایی شرکت کنند و منجر به التهاب آلرژیک و تهدید زندگی فرد مبتلا شوند. با این حال تاکنون شواهدي در دسترس نیست، اما اطلاعات ایمونولوژیکی از بیماران مبتلا به 2CoV-SARS شواهدي از پدیده ADE در این دسته از بیماران را داشته و امکان دارد که تیتر بالاي IgG علیه ویروس با عواقب بدتري همراه باشد. با این حال، هدف قرار دادن پروتئین S ویروس -CoV-SARS 2 با تنوعی از اپیتوپ هاي متنوع و مختلف که سبب افزایش تحریک سیستم ایمنی می‌شوند، میتواند بسیار کمک کننده باشد. مطالعات اولیه نشان دهنده حضور اپیتوپ‌هاي متنوع در پروتئین S ویروس هستند که میتواند تحریک کننده سلولهاي B و T باشند. در این راستا زمانی که سرم بیماران بهبود یافته از 19COVID را در مجاور با این اپی‌توپها قرار دادند، جایگاه‌هاي بسیار سودمند و کارا جهت طراحی واکسن پپتدي علیه 2- CoV-SARS را معرفی کرده‌اند. در زمینه تولید واکسنهاي پپتیدي، موسسه ملی بهداشت مورد سرمایه (National Institutes of Health :NIH) آمریکا نیاز را براي انستیتو ایمونولوژي Jolla La براي تولید واکسن پپتیدي فراهم کرده است و تحقیق در این زمینه همچنان ادامه دارد. واکسنهاي پپتیدي ساده‌ترین شکل از واکسنها هستند که به سادگی طراحی و تایید شده و بسیار سریع تولید می‌شوند. واکسنهاي پپتیدي می‌توانند به صورت ترکیبی از پپتیدها به همراه ادجوانت و یا یک حامل ساخته شده از نانو باشند و همچنین واکسن اسید نوکلئیک کد کننده پپتیدها باشد. چندین واکسن پپتیدي و نیز نانوپارتیکل‌هاي پپتیدي موفق علیه بیماريهاي ویروسی، مزمن و سرطانی طراحی شده‌اند که این خود هدفی، جهت طراحی این گروه از واکسنها علیه COVID-19 که حاوي اپیتوپ‌هاي تحریک کننده سلولهاي B و T هستند، شده است براي مثال OncoGen و دانشگاه DIOSynVax/Cambridge در ساخت واکسن از توالی‌های پپتیدي پروتئین S استفاده کرده‌اند و جهت افزایش تحریک سلولهاي B , T ، برخی دومین‌هاي تحریک کننده سیستم ایمنی در آنها پیش بینی شده است. با این حال تحقیقات در این زمینه به صورت گسترده در حال انجام است.
لیپوزوم‌ها:
لیپوزوم‌ها نانوذرات کروی‌شکلی هستند که از یک یا چند دو-لایه‌ی لیپیدی تشکیل شده‌اند شبیه حفره‌های داخل سلولی هستند. لیپیدها یک سر آب دوست و یک دم آب‌گریز دارند که تحت شرایط صحیح در آب خود تجمعی پیدا می‌کنند تا تشکیل لیپوزوم بدهند. مرکز لیپوزوم آبدوست است در حالی‌که داخل بخش دو-لایه آب‌گریز است.لیپوزوم‌ها می‌توانند با قرار دادن پروتئین‌های ویروسی (مثل هماگلوتنین و نورامیدینیداز ویروس آنفولانزا) به طور فعال به سلول‌های هدف می‌چسبند. لیپوزوم‌ها می‌توانند به‌عنوان یاور و حامل‌های رهایش دارو مورد استفاده قرار بگیرند، که عملکرد اصلی آن پایدارسازی آنتی‌ژن با حفاظت از آنها از شرایط زیستی، کاهش زدوده شدن آنتی‌ژن و افزایش سلول‌های بیان‌کننده‌ی رهایشAPCها است.لیپوزوم‌ها قابلیت زیادی در کاربردهای بالینی دارند زیرا آنها زیست‌سازگار و پایدار در بدن هستند. همچنین ساخت آنها و قابلیت تولید انبوه آنها بالاتر است. قابلیت سیستم‌های لیپوزومی برای رهایش آنتی‌ژن و تقویت پاسخ ایمنی حائز اهمیت است.
پاک شدن سریع‌تراز محل تزریق و ماندن در محل خروج گره‌های لنفاوی dLNها میتواند با اتصال لیپوزوم‌های حاوی 1، 2- دی اولئوئیل-3-تری متیل آمونیوم پروپان (DOTAP) انجام شود که منجر به افزایش 10 تا 300 برابری پاسخ IgG2a و IgG2b در مقایسه با واکسیناسیون با آنتی‌ژن حل‌شده می‌شود. نشان داده شده است که همراه کردن لیپوزوم‌های R8 با پلی اینوسینیک: پلی سیتیدیلیک اسید (PolyI: C) ، که یک dsRNA سنتزی است، در مقایسه با آنتی‌ژن فرموله شده با polyI: C محلول یا یاور کامل فروند (CFA) پاسخ‌های CTL را به میزان قابل توجهی تقویت می‌کند و رشد تومور را کاهش می‌دهد.
علاوه‌بر این، ایمن‌سازی با لیپوزوم‌هایی با قطر بیشتر از nm 400 در مقایسه با لیپوزوم‌های 100 نانومتری، منجر به افزایش دو برابری در نسبت IgG2a/IgG1 شد. علاوه‌بر این، مطالعات گذشته نشان داده است که اندازه حداقل برای لیپوزوم کاتیونی CAF01 که از دی متیل- دی اکتادسیل- آمونیوم (DDA) و ترهالوز دی بهنات (TDB) تشکیل شده است، نقشی ایفا نمی‌کند. صرفنظر از اندازه‌ی لیپوزوم (که از nm 300 تا µm 4 متغیر است) ، لیپوزوم CAF01 هیچ‌گونه جذب یا پاسخ IgG1/2 وابسته به اندازه‌ای در مطالعات داخل بدن موجود زنده از خود نشان نداد، در حالی که افزایش وابسته به اندازه در تکثیر سلولی، در اندازه‌ی ذرات بزرگتر ذکر شده است که احتمالا به‌دلیل بازداری بیشتر آنها در گره‌های لنفاوی است.
پلیمر:
انواع مختلفی از پلیمرها به‌دلیل زیست‌سازگاری، شیمی متنوع و سرعت زیست‌تخریب‌پذیری کم برای تهیه‌ی نانوذراتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند که به‌منظور گیراندازی آنتی‌ژن برای رهایش هدفمند به سلول‌های خاص یا رهایش آهسته‌ی آنتی‌ژن استفاده شده‌اند. در این مقاله‌ی مروری، چهار نوع از نانوذرات پلیمری مورد بررسی قرار گرفته‌اند و ما آنها را به دو دسته‌ی پلیمرهای استحصال شده از طبیعت (مثل کیتوسان13 و ɤ-PGA و پلیمرهای سنتزی مثل PLGA و PLA دسته‌بندی کرده‌ایم.
کیتوسان (CS) یک پلی آمینوساکارید مشتق شده از استیل‌زدایی از کیتین است که کوپلیمری متشکل از مونومرهای D-گلوکزآمین و N-استیل-d-گلوکزآمین است که به‌وسیله‌ی پیوندهای β- 1و4 به یکدیگر متصل شده‌اند. این پلی ساکارید عمدتا از اسکلت خارجی سخت پوستان و ماهیان مرکب و سایر منابع مانند قارچ‌ها به‌دست می‌آید. بنابراین، هزینه‌ی استخراج کیتوسان پایین است. نانوذرات کیتوسان خصوصیات منحصربه‌فردی مانند غیرسمی بودن و قابلیت اصلاح آسان به شکل و اندازه‌ی مورد نظر را دارند که در نتیجه آن را برای استفاده در واکسنها و سیستم‌های رهایش داروی مختلف مانند واکسن‌های HBV، واکسن‌های بیماری نیوکاسل و واکسن‌های DNA مناسب می‌کند. نانوذرات کیتوسان متصل شده به rHBs-Ag خصوصیت تقویت پاسخ بالاتری از یاور آلوم پس از تزریق درون عضله‌ای به موش ایجاد می‌کند.
گاما پلی-گلوتامیک: (PGA-ɤ) نانوذراتی محلول در آب هستند که به عنوان سیستم‌های رهایش آنتی‌ژن و یاور در واکسن مورد استفاده قرار گرفته‌اند تا پاسخ‌های ایمنی سلولی و هومورال را القاء نمایند. آنتی‌ژن‌هایی مانند HIV-1 p24، HIV-1 gp120 و پروتئین بیماری ورم مغز ژاپنی می‌توانند به‌وسیله‌ی PGA-ɤ پوشش داده شوند و از طریق آن رهایش پیدا کنند. نانوذرات PGA-ɤ خصوصیات ذاتی تحریک پاسخ ایمنی را به این دلیل بروز می‌دهند که مشخص شده است که آنها پاسخ‌های ایمنی ذاتی و تطابقی را از طریق مسیرهای اعلام پیام TLR4 و MyD88 بدون نیاز به هر گونه مولکول یاور القاء می‌کنند. علاوه‌بر این، اندازه‌ی نانوذرات PGA-ɤ در جذب آنتی ژن به‌وسیله‌ی APCها و رشد و مهاجرت آنها به گره‌های لنفاوی به اثبات رسیده است. استفاده از نانوذرات PGA-ɤ با قطر nm 40 فعال‌سازی بیشتر DCها و مهاجرت آنها به گره‌های لنفاوی را نسبت به نانوذرات 100 یا 200 نانومتری در پی دارد. نانوذرات PGA-ɤ همچنین برای طراحی واکسن برای درمان سرطان مورد استفاده قرار گرفته است.
کوپلیمر پلی (لاکتیک-کو-گلیکولیک اسید) (PLGA) همچنین میتواند آنتی‌ژن را برای رهایش به سلول‌های خاص در خود نگه دارد یا انتشار آنتی‌ژن یا مولکول‌های یاور را برای چندین هفته تا چندین ماه به تأخیر بیندازد که مشخص شده است این کار موجب افزایش تحریک سیستم ایمنی می‌شود. ذرات PLGA برای رهایش آنتی‌ژن‌های ناشی از پاتوژن‌های مختلفی مانند ویروس هپاتیت B (HBV) ، پروتئین مالاریای VMP001، باسیلوس آنتراسیس، آنتی‌ژن‌های HIV و آنتی‌ژن‌های همراه با تومور مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
قابلیت تنظیم دقیق ترکیب مولکولی و وزن آنها به‌‌راحتی میتواند موجب کنترل سرعت انتشار آنتی‌ژن‌ها و یاورها در چندین مرحله پس از یک نوبت واکسیناسیون شود. هنگامی که آنتی‌ژن اوالبومین (OVA) و یاور مونوفسفوریل لیپید A (MPLA) در نانوذرات PLGA بارگذاری شود، مصرف خوراکی آن به‌میزان قابل توجهی مقدار آنتی‌بادی IgG و IgA بیشتری نسبت به محلول OVA یا نانوذرات PLGA که تنها با OVA بارگذاری شده‌اند، ایجاد می‌کند. PLGA همانند سایر پلیمرها مانند پلی (L-لاکتیک اسید) (PLA) ، پلی (اتیلن گلیکول) (PEG) ، و پلیمرهای طبیعی مانند پلی ساکاریدها میتواند به شکل نانوذرات هیدروژلی سنتز شوند که نوعی از شبکه‌ی پلیمری سه‌بعدی آبدوست است.
پلی L-لاکتیک اسید) (PLA) پلیمر سنتزی دیگری است که نانوذراتی با وزن 85000 تا 160000 دالتون حاصل می‌کند که به دلیل خصوصیات مشخص و در دسترس بودن از نظر تجاری برای سیستم‌های رهایش دارو دارای مزیت است. کامپوزیت‌های گرافن اکسید/PLA-PEG ظرفیت قابل قبولی برای بارگذاری پاکلی‌تاکسل14 و رهایش آرام دارو در مطالعات خارج از بدن موجود زنده نشان داده است.
به‌طور خلاصه، پلیمرهای طبیعی به‌دلیل فراوانی بالای آنها در طبیعت، آب‌گریزی، زیست تخریب‌پذیری و برهم‌کنش‌های ویژه با بافت‌ها موادی جالب توجه برای کاربردهای رهایش واکسن هستند.
مطالعات اخیر بر بهبود پایداری فیزیکی نانوذرات مبتنی بر پلیمرهای طبیعی، منجر به فرمولاسیون‌های جدید واکسن با کارآیی بهبود یافته برای رهایش آنتی‌ژن، خصوصا برای واکسیناسیون از مسیر مخاطی شده است. مطالعات آینده باید بر بکارگیری خصوصیات هدف‌گیری بافت به‌وسیله‌ی این زیست-پلیمرها و مشخص کردن جزئیات و پیچیدگی‌های سازوکار عملکرد، شامل خصوصیات ذاتی ایمنی‌زایی این زیست-پلیمرها متمرکز شود.
تلاش‌ها جهت ساخت واکسن همچنان در حال انجام است. به گونه‌اي که، محققین حدود 64 واکسن را به مرحله کارآزمایی بالینی در انسان رسانده‌اند، 19 واکسن به مرحله نهایی تست رسیده است و حدود 85 واکسن هم در دست بررسی اثر بخشی آنها در حیوانات است. برخی از کشورها هم به مرحله ساخت و تولید واکسن رسیده‌اند و برخی از واکسن ها در ماه دسامبر 2020 به مرحله تزریق انسانی رسیده است.
ظهور سریع همه گیري 19 COVID نگرانی‌ها را با توجه به پیچیدگی ویروس و نواقص اساسی در ساخت و توزیع واکسن، افزایش داده است. حتی اگر زمانی که یک واکسن موثر تولید شود، تمهیداتی همچون هزینه، فرمولاسیون مناسب و تولید در مقیاس بالا، باید در نظر گرفته شود. توزیع جهانی یک واکسن توانمند علیه 19 COVID میتواند یکی دیگر از مشکلات اساسی در پیشگیري از ویروس باشد. هنگامی که تقاضا بیش از عرضه باشد، کشورهاي در حال توسعه ممکن است مدت زمان طولانی‌تري در انتظار دریافت واکسن باشند. بنابراین، فراهم کردن زیرساختهاي مناسب و فن آوري ساخت واکسن براي کشورهاي در حال توسعه امري ضروري و حیاتی است. علیرغم تلاش‌ها در تولید سریع واکسن، تاریخ تکمیل آزمایشات بالینی از اواخر سال 2020 تا اواسط سال 2021 تخمین زده می‌شود و ممکن است مجوز استفاده از واکسن براي استفاده در سطح جهانی بیشتر به طول انجامد. با این حال این بیماري همه گیر ممکن است در شرایط کنونی باعث تجدید نظر در رویکردهاي معمول در باره‌ی ارزیابی‌هاي نظارتی و صدور مجوز براي تولید واکسن شود. اما باید توجه داشت که راهکارهاي اثبات شده بهداشت عمومی، از قبیل فاصله گیري اجتماعی، غربالگري بیماران و تشخیص سریع عفونت و همچنین قرنطینه خانگی قبل از ساخت و تولید یک واکسن کارآمد براي کاهش عفونت را باید در نظر داشت.
منابع:
Wang C, Horby PW, Hayden FG, Gao GF. A novel coronavirus outbreak of global health concern. Lancet 2020;395:470-3.
Gorbalenya A, Baker S, Baric R, de Groot R, Drosten C, Gulyaeva A, et al. The species severe acute respiratory syndrome related coronavirus: classifying 2019-nCoV and naming it SARS-CoV-2. Nat Microbiol 2020;5: 536–44.
Kim J-M, Chung Y-S, Jo HJ, Lee N-J, Kim MS, Woo SH, et al. Identification of Coronavirus Isolated from a Patient in Korea with COVID-19. Osong Public Health Res Perspec. 2020;11:3-7
Shin MD, Shukla S, Chung YH, Beiss V, Chan SK, Ortega-Rivera OA, et al. COVID-19 vaccine development and a potential nanomaterial path forward. Nat. Nanotechnol. 2020: 646-655.
Day M. Covid-19: four fifths of cases are asymptomatic, China figures indicate. BMJ 2020;369:m1375
Sutton D, Fuchs K, D’alton M, Goffman D. Universal screening for SARS-CoV-2 in women admitted for delivery. N Eng J Med 2020;382: 2163-2164.
Chen W-H, Chag SM, Poongavanam MV, Biter AB, Ewere EA, Rezende W, et al. Optimization of the production process and characterization of the yeast-expressed SARS-CoV recombinant receptor-binding domain (RBD219-N1), a SARS vaccine candidate. J Pharm Sci 2017;106:1961-1970
Wrapp D, Wang N, Corbett KS, Goldsmith JA, Hsieh C-L, Abiona O, et al. Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science 2020;367:1260-63.
Yuan M, Wu NC, Zhu X, Lee C-CD, So RT, Lv H, et al. A highly conserved cryptic epitope in the receptor binding domains of SARS-CoV-2 and SARS-CoV. Science 2020;368:630-33.
Yan R, Zhang Y, Li Y, Xia L, Guo Y, Zhou Q. Structural basis for the recognition of SARS-CoV-2 by full-length human ACE2. Science 2020;367:1444-1448
Lucchese G. Epitopes for a 2019-nCoV vaccine. Cell Mol Immunol 2020;17:539-540
Bull J. Evolutionary reversion of live viral vaccines: Can genetic engineering subdue it? Virus Evol 2015;1:005.
Zimmer C, Corum J, Wee DL. Coronavirus Vaccine Tracker. Available from: https://www.nytimes.com/interactive/2020/science/coronavirus-vaccine-tracker.html. [Updated March 1, 2021]
