تاریخچه واکسن به سابقه طولانی بیماری‌های عفونی در انسان‌ها برمی‌گردد و با استفاده‌های اولیه از مواد آبله برای ایجاد ایمنی در برابر این بیماری آغاز می‌شود. شواهدی وجود دارد که چینی‌ها در سال‌های 1000 میلادی، از روش تلقیح آبله برای مقابله با آن استفاده می‌کردند. این روش قبل از اینکه در اروپا و آمریکا گسترش یابد، در آفریقا و ترکیه نیز انجام شده بود.
ادوارد جنر در سال 1796 از مواد گرفته شده از کورک‌های آبله گاوی به منظور حفاظت در برابر آبله استفاده کرد. نوآوری‌های وی، با استفاده موفقیت‌آمیز او از مواد آبله گاوی برای ایجاد ایمنی به سرعت گسترش یافت. روش وی طی 200 سال بعد، دچار تحولات پزشکی و فناوری و سرانجام منجر به ریشه‌کن شدن آبله شد.
واکسن هاری لوئی پاستور در سال 1885 دومین واکسنی بود که روی بیماری‌های انسانی اثر گذاشت و سپس، با ظهور باکتری‌شناسی، پیشرفت‌ها به سرعت دنبال شد. آنتی‌توکسین‌ها و واکسن‌ها علیه دیفتری، کزاز، سیاه‌زخم، وبا، طاعون، حصبه، سل و موارد دیگر تا دهه 1930 توسعه یافتند.
اواسط قرن بیستم از لحاظ تحقیق و توسعه واکسن بسیار پویا بود. روش‌های رشد ویروس‌ها در آزمایشگاه منجر به کشف‌ها و نوآوری‌های سریع، از جمله ایجاد واکسن برای فلج اطفال شد. محققان سایر بیماری‌های رایج در دوران کودکی مانند سرخک، اوریون و سرخچه را نیز هدف قرار دادند و تولید چنین واکسن‌هایی، بار این بیماری‌ها را به شدت کاهش داد.
تکنیک‌های خلاقانه در حال حاضر تحقیقات واکسن را به سوی فناوری DNA نوترکیب و تکنیک‌های جدید تحویل واکسن سوق می‌دهند. اهداف بیماری نیز گسترش یافته است و برخی از تحقیقات واکسن روی شرایط غیر عفونی مانند اعتیاد و آلرژی تمرکز کرده‌اند. ادوارد جنر، لویی پاستور و موریس هیلمن، پیشگامان تولید واکسن هستند که همواره مورد توجه ویژه قرار دارند.
انواع واکسن
انواع مختلفی از واکسن‌ها وجود دارد و هر نوع از آن‌ها به گونه‌ای طراحی شده است که به سیستم ایمنی بدن کمک می‌کند تا چگونه به مقابله با انواع خاصی از میکروب‌ها و بیماری‌های جدیدی که ایجاد می‌شوند، بپردازد. دانشمندان در زمان تولید واکسن مواردی را در نظر می‌گیرند از جمله اینکه سیستم ایمنی بدن چگونه به میکروب پاسخ می‌دهد، چه کسی باید در برابر میکروب واکسینه شود و بهترین فناوری یا رویکرد برای ایجاد واکسن چیست. براساس تعدادی از این عوامل، دانشمندان تصمیم می‌گیرند کدام نوع واکسن را تولید کنند.
به طور کلی 3 نوع واکسن اصلی وجود دارد:
واکسن‌های تمام-پاتوژن
واکسن‌های متداول شامل همه پاتوژن‌هایی است که کشته یا ضعیف شده‌اند به طوری‌که نمی‌توانند باعث بیماری شوند. واکسن‌های تمام پاتوژنی می‌توانند پاسخ‌های ایمنی محافظتی قوی ایجاد کنند. بسیاری از واکسن‌های مورد استفاده بالینی امروزه در این دسته قرار می‌گیرند. با این حال، هر میکروبِ مولدِ بیماری نمی‌تواند به طور مؤثر با یک واکسن تمام-پاتوژن مورد هدف قرار گیرد.
واکسن‌های غیرفعال شده
دانشمندان برای اولین بار در قرن 19 توانایی میکروب‌های غیرفعال یا کشته شده در القای ایمنی را کشف کردند. این امر منجر به ایجاد واکسن‌های غیرفعال شد که با کشته شدن عامل بیماری‌زا توسط مواد شیمیایی، گرما یا اشعه تولید می‌شوند. یک نمونه معاصر، Havrix است، یک واکسن غیرفعال شده علیه ویروس هپاتیت A که توسط NIAID و شرکای آن تولید و در سال 1995 در ایالات متحده مجوز گرفت.
واکسن‌های غیرفعال از نسخه کشته‌شده میکروب که عامل بیماری هستند، استفاده می‌کنند. این واکسن‌ها معمولاً به اندازه واکسن‌های زنده، ایمنی (محافظتی) ایجاد نمی‌کنند. بنابراین ممکن است در طول زمان به چندین دوز (تزریق‌های تقویت کننده) احتیاج داشته باشد تا مصونیت مداوم در برابر بیماری‌ها به دست آید. واکسن‌های غیرفعال برای محافظت در برابر بیماری‌های زیر استفاده می‌شوند:
- هپاتیت A
- آنفولانزا (فقط تزریقی)
- فلج اطفال یا IPV (فقط تزریقی)
- هاری
واکسن‌های زنده ضعیف شده
پیشرفت در تکنیک‌های کشت بافت در دهه 1950 امکان تولید واکسن‌های زنده ضعیف شده را فراهم آورد، که شامل نسخه‌ای از میکروب زنده است که در آزمایشگاه ضعیف شده است. از آنجا که این واکسن‌ها بسیار به عفونت طبیعی شباهت دارند و به جلوگیری از آن‌ها کمک می‌کنند، یک پاسخ ایمنی قوی و طولانی مدت ایجاد می‌کنند. فقط 1 یا 2 دوز از واکسن‌های زنده قادرند یک عمر محافظت در برابر میکروب و بیماری ناشی از آن ایجاد کنند.
پس از واکسینه شدن، ویروس‌های واکسن ضعیف شده یا باکتری‌ها در فرد واکسینه شده تکثیر می‌شوند. این بدان معنی است که برای تحریک یک پاسخ ایمنی، می‌توان دوز نسبتاً کمی از ویروس یا باکتری‌ها را وارد بدن کرد. تولید واکسن‌های زنده ضعیف شده برای ویروس‌های خاص نسبتاً آسان است اما تولید آن برای پاتوژن‌های پیچیده‌تر مانند باکتری‌ها و انگل‌ها دشوار است.
اما واکسن‌های زنده محدودیت‌هایی هم دارند. برای مثال:
- از آنجا که حاوی مقدار کمی از ویروس زنده ضعیف‌شده هستند، وضعیت سلامتی برخی از افراد قبل از دریافت آن‌ها باید بررسی شود، مانند افرادی با سیستم ایمنی ضعیف، مشکلات سلامتی طولانی مدت یا افرادی که عضو پیوندی دارند.
- این واکسن‌ها باید خنک نگه داشته شوند. این بدان معنی است که نمی‌توانند در محل‌هایی با دسترسی محدود به یخچال یا خنک‌کننده، استفاده شوند.
واکسن‌های زنده برای محافظت در برابر بیماری‌های زیر استفاده می‌شوند:
- سرخک، اوریون، سرخچه (واکسن ترکیبی MMR)
- روتاویروس
- آبله
- آبله مرغان
- تب زرد
واکسن‌های کایمریک
روش‌های نوین مهندسی ژنتیک باعث ایجاد ویروس‌های کایمریک شده است که حاوی اطلاعات ژنتیکی هستند و ویژگی‌های بیولوژیکی ویروس‌های مختلف والدی را نشان می‌دهند. واکسن کایمریک زنده ضعیف شده که توسط NIAID تهیه شده و متشکل از چارچوب ویروس دنگو و پروتئین‌های سطحی ویروس زیکا است، در حال انجام آزمایش‌های اولیه روی انسان است.
واکسن‌های زیرواحدی (آسلولار)
واکسن‌های زیر واحدی از بخش‌های خاصی از میکروب مانند پروتئین، قند یا کپسید آن (محفظه اطراف میکروب) استفاده می‌کنند. از آنجا که این واکسن‌ها فقط حاوی قسمت‌های خاصی از میکروب هستند، پاسخ ایمنی بسیار قوی ایجاد می‌کنند که بخش‌های اصلی میکروب را هدف قرار می‌دهد. آن‌ها هم‌چنین می‌توانند تقریباً برای همه افراد، از جمله آن‌هایی که سیستم ایمنی ضعیف و یا مشکلات سلامتی طولانی مدت دارند، استفاده شود. یکی از محدودیت‌های این نوع از واکسن‌ها این است که برای محافظت مداوم در برابر بیماری‌ها ممکن است به تزریق‌های تقویت‌کننده احتیاج داشته باشند.
واکسن‌های زیر واحدی به جای همه پاتوژن، تنها شامل اجزا یا آنتی‌ژن‌هایی هستند که به بهترین وجه سیستم ایمنی بدن را تحریک می‌کنند. اگرچه این طرح می‌تواند واکسن‌ها را ایمن‌تر و تولید آن‌ها را آسان‌تر کند، اما اغلب نیاز به ترکیب ادجاونت‌ها (اجزای ضمیمه کمکی برای تقویت اثر واکسن) برای ایجاد یک پاسخ ایمنی محافظتی قوی دارند زیرا آنتی‌ژن‌ها به تنهایی برای تحریک ایمنی طولانی مدت کافی نیستند.
آنتی‌ژن‌های اساسی در یک واکسن می‌توانند عوارض جانبی را به حداقل برسانند، همان‌طور که پیشرفت نسل جدید واکسن‌های سیاه سرفه نشان داده‌اند. اولین واکسن‌های سیاه سرفه، که در دهه 1940 معرفی شدند، شامل باکتری‌های Bordetella pertussis بودند. با وجود اینکه واکسن‌های سیاه سرفه تمام-سلول مؤثر هستند اما به طور متناوب باعث واکنش‌های جانبی جزئی مانند تب و تورم در محل تزریق می‌شدند. این امر باعث شد تا بسیاری از افراد از تزریق واکسن خودداری کنند و تا دهه 1970، کاهش میزان واکسیناسیون باعث افزایش عفونت‌های جدید شد.
تحقیقات اساسی در NIAID و نیز کارآزمایی‌های بالینی با پشتیبانی NIAID، منجر به ایجاد واکسن‌های سیاه سرفه بدون سلول (عدم وجود سلول) شد که مبتنی بر اجزای خالص و واحد B. pertussis بودند. این واکسن‌ها به طور مشابهی مانند واکسن‌های تمام-سلول مؤثر بودند اما عوارض جانبی احتمالی بسیارکم‌تری داشتند.
سایر پیشرفت‌های نسبتاً اخیر در تکنیک‌های آزمایشگاهی، مانند توانایی حل ساختارهای اتمی پروتئین‌ها نیز در پیشرفت واکسن زیرواحدی نقش داشته است. به عنوان مثال، با حل ساختار سه بعدی پروتئین سطحی RSV که به یک آنتی‌بادی متصل است، دانشمندان NIAID یک ناحیه کلیدی از پروتئین را شناسایی کردند که نسبت به آنتی‌بادی‌های خنثی‌کننده بسیار حساس است. آن‌ها سپس قادر به اصلاح پروتئین RSV برای تثبیت فرم ساختاری بودند که محل حساس به خنثی‌کننده را نشان می‌داد.
در حالی‌که بیشتر واکسن‌های زیر واحدی روی یک پاتوژن خاص تمرکز می‌کنند، دانشمندان در حال تولید واکسن‌هایی هستند که بتوانند محافظت گسترده‌ای را در برابر بیماری‌های مختلف ارائه دهند. محققان NIAID در سال 2017 یک آزمایش بالینی در مراحل اولیه واکسن برای جلوگیری از بیماری‌های مولد پشه، مانند مالاریا، زیکا، چیکونگونیا و تب دنگو راه‌اندازی کردند. واکسن آزمایشی، برای ایجاد پاسخ ایمنی به بزاق پشه به جای یک ویروس خاص یا انگل طراحی شد و شامل چهار پروتئین نوترکیب از غدد بزاقی پشه بود.
واکسن‌های پلی‌ساکاریدی
برخی از واکسن‌ها برای جلوگیری از عفونت‌های باکتریایی مبتنی بر پلی‌ساکاریدها یا قندها هستند که پوشش بیرونی بسیاری از باکتری‌ها را تشکیل می‌دهد. اولین واکسن مجاز علیه هموفیلوس آنفلوانزا نوع B (Hib)، یک واکسن پلی‌ساکاریدی بود. با این حال، فواید محدودی داشت، زیرا پاسخ‌های ایمنی شدیدی را در نوزادان ایجاد نمی‌کرد، که یک گروه سنی با بالاترین میزان بروز بیماری Hib هستند.
واکسن‌های کونژوگه
پس از آن، محققان NIH یک واکسن به اصطلاح کونژوگه تهیه کردند که در آن برای ارائه محافظت بهتر، پلی‌ساکارید Hib به آنتی‌ژن پروتئین متصل یا “کونژوگه” می‌شد. این فرمولاسیون به میزان قابل توجهی توانایی سیستم ایمنی کودکان خردسال را در شناسایی پلی‌ساکارید و ایجاد ایمنی افزایش داد. امروزه، واکسن‌های کونژوگه برای محافظت در برابر عفونت‌های Hib، پنوموکوکی و مننژوکوکی در دسترس هستند.
واکسن‌های کونژوگه از مولکول‌های پلی‌ساکارید (قند) استفاده می‌کنند و از لایه خارجی باکتری‌های محصور شده گرفته شده و به مولکول‌ها می‌پیوندند تا پروتئین‌های حامل را در خود جای دهند. در روزهای اولیه استفاده از واکسن‌های پلی‌ساکاریدی مشخص شد که در نوزادان و کودکان خردسال عملکرد خوبی ندارند.
محققان دریافتند که اگر پلی‌ساکارید به چیز دیگری وصل شود که می‌دانستند یک پاسخ ایمنی قوی ایجاد می‌کند، بسیار بهتر عمل خواهد کرد. در اکثر واکسن‌های کونژوگه، پلی‌ساکارید به پروتئین توکسوئید دیفتری یا کزاز متصل است. سیستم ایمنی بدن این پروتئین‌ها را به راحتی تشخیص می‌دهد و این خود به تولید پاسخ ایمنی قوی‌تر به پلی‌ساکارید کمک می‌کند. واکسن‌های زیر نمونه‌هایی از واکسن‌های کونژوگه هستند:
- واکسن Hib که شامل یک پلی‌ساکارید است که به توکسوئید کزاز متصل است.
- واکسن MenC که شامل یک پلی‌ساکارید است که به توکسوئید کزاز متصل است.
- PCV (واکسن پنوموکوکی کودکان) که شامل پلی‌ساکاریدهای سطح 13 نوع باکتری است که باعث بیماری پنوموکوکی می‌شوند و به توکسوئید دیفتری متصل است.
- MenACWY، شامل پلی‌ساکارید سطحی چهار نوع باکتری است که باعث بیماری مننژوکوکی می‌شوند و به توکسوئید دیفتری یا کزاز وصل می‌شود.
واکسن‌های توکسوئیدی
هدف واکسن‌های دیگر که علیه بیماری‌های باکتریایی ساخته می‌شوند، مانند واکسن‌های دیفتری و کزاز، تحریک پاسخ‌های ایمنی در برابر پروتئین‌های ایجادکننده بیماری یا سموم است که توسط باکتری‌ها ترشح می‌شوند. آنتی‌ژن‌های موجود در این واکسن‌های به اصطلاح توکسوئیدی، سموم غیرفعال شده به طریق شیمیایی هستند که به توکسوئید شناخته می‌شوند.
واکسن‌های توکسوئیدی از یک سم (محصول مضر) ساخته شده توسط میکروب که ایجاد بیماری می‌کند، استفاده می‌کنند. آن‌ها در برابر قسمت‌هایی از میکروب که به جای خود میکروب، بیماری‌زا هستند، ایمنی ایجاد می‌کنند. این بدان معناست که پاسخ ایمنی به جای کل میکروب، سم حاصل از آن را هدف قرار می‌دهد. سیستم ایمنی بدن این سموم را به همان روشی که پلی‌ساکاریدها یا پروتئین‌های موجود در سطح باکتری‌ها را شناسایی می‌کند، تشخیص می‌دهد. مانند سایر انواع واکسن‌ها، برای محافظت مستمر در برابر این بیماری‌ها، ممکن است نیاز به تزریق‌های تقویت کننده احساس شود.
واکسن‌های نوترکیب
در دهه 1970 پیشرفت در تکنیک‌های آزمایشگاهی در دوره مهندسی ژنتیک به وجود آمد. یک دهه بعد، فناوری DNA نوترکیب، که DNA را از دو یا چند منبع با هم ترکیب می‌کند، برای تهیه اولین واکسن پروتئین نوترکیب، یعنی واکسن هپاتیت B، مورد استفاده قرار گرفت.
واکسن‌های نوترکیب با استفاده از سلول‌های باکتریایی یا مخمر برای تولید واکسن ساخته می‌شوند. یک قطعه کوچک از DNA از ویروس یا باکتری گرفته می‌شود که می‌خواهیم در برابر آن محافظت ایجاد کنیم. این ماده وارد سلول‌های دیگر می‌شود تا باعث تولید مقادیر زیادی ماده مؤثر برای واکسن شود. (معمولاً فقط یک پروتئین یا یک قند)
به عنوان مثال، برای ساخت واکسن هپاتیت B، بخشی از DNA ویروس هپاتیت B وارد DNA سلول‌های مخمر می‌شود. پس از آن این سلول‌های مخمر قادر به تولید یکی از پروتئین‌های سطحی ویروس هپاتیت B هستند و به عنوان ماده فعال و خالص شده واکسن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
واکسن‌های VLP
در اوایل دهه 1990، دانشمندان مؤسسه ملی سرطان NIH دریافتند که پروتئین‌های موجود در پوسته بیرونی HPV می‌توانند ذراتی شبیه ویروس تشکیل دهند. این ذرات شبه ویروس (VLPs) پاسخ ایمنی شبیه به پاسخی که یک ویروس طبیعی ایجاد می‌کند را تسریع می‌کنند، اما VLPها غیر عفونی هستند زیرا حاوی ماده ژنتیکی مورد نیاز ویروس برای تکثیر درون سلول‌ها، نیستند. دانشمندان NIAID یک واکسن آزمایشی VLP را برای جلوگیری از بیماری شیکونگونی طراحی کردند که پاسخ‌های ایمنی قوی را در یک کارآزمایی بالینی در مراحل اولیه ایجاد می‌کند.
واکسن‌های نانوذره
دانشمندان NIAID و مؤسسات دیگر نیز در حال توسعه استراتژی‌های جدید برای ارائه آنتی‌ژن‌های زیر واحد پروتئین به سیستم ایمنی هستند. این دانشمندان به عنوان بخشی از تلاش خود برای ایجاد واکسن جهانی آنفولانزا، یک واکسن آزمایشی طراحی کردند که شامل پروتئین فریتین است و می‌تواند خود را درون قطعات میکروسکوپی به نام نانوذرات که نماد یک آنتی‌ژن پروتئینی هستند، محصور کند.
یک واکسن آنفلوانزای مبتنی بر نانوذره‌ی آزمایشی در یک کارآزمایی بالینی در مراحل اولیه روی انسان در حال ارزیابی است. این فناوری مبتنی بر نانوذرات هم‌چنین به عنوان بستری برای تولید واکسن‌هایی علیه کروناویروس مرس، ویروس سینسیشیال تنفسی (RSV) و ویروس Epstein Barr مورد ارزیابی قرار گرفته است.
واکسن‌های اسید نوکلئیک
یکی دیگر از روش‌های تحقیقاتی در مورد واکسیناسیون، استفاده از مواد ژنتیکی کدکننده آنتی‌ژن یا آنتی‌ژن‌هایی است که پاسخ ایمنی ایجاد می‌کنند. سلول‌های بدن از این ماده ژنتیکی برای تولید آنتی‌ژن‌ها استفاده می‌کنند. مزایای بالقوه این رویکرد، تحریک پاسخ‌های ایمنی طولانی مدت، پایداری عالی واکسن و سهولت نسبی تولید واکسن در مقیاس بزرگ است. بسیاری از این واکسن‌ها در مسیر تحقیقاتی قرار گرفته‌اند، اگرچه در حال حاضر هیچ‌کدام برای استفاده‌های انسانی مجوز ندارند.
DNA پلاسمید
واکسن‌های پلاسمید DNA شامل یک قطعه دایره‌ای کوچک از DNA به نام پلاسمید هستند که حامل ژن‌های کدکننده پروتئین‌ها از پاتوژن موردنظر است. فرآیند ساخت واکسن‌های پلاسمید DNA به خوبی تثبیت شده است و امکان توسعه سریع واکسن‌های آزمایشی در برابر بیماری‌های عفونی در حال ظهور یا ظهور مجدد را فراهم می‌کنند.
مرکز تحقیقات واکسن NIAID، واکسن‌های DNA منتخب را برای مقابله با تهدیدات چندین بیماری ویروسی در حال شیوع، از جمله کروناویروس سارس (SARS-CoV) در سال 2003، آنفولانزای مرغی H5N1 در 2005، آنفولانزای همه‌گیر H1N1 در سال 2009 و ویروس Zika در سال 2016 ایجاد کرده است.
mRNA
واکسن‌های مبتنی بر RNA پیامبر (mRNA)، که واسطه‌ی بین DNA و پروتئین است، نیز در حال تولید هستند. پیشرفت‌های اخیر فناوری تا حد زیادی بر مشکلاتی از قبیل عدم ثبات mRNA و دشواری رساندن آن به سلول‌ها، غلبه کرده است و برخی از واکسن‌های mRNA نتایج دلگرم کننده‌ای را نشان داده‌اند. به عنوان مثال، محققان با حمایت NIAID، یک واکسن mRNA آزمایشگاهی تهیه کردند که از موش‌ها و میمون‌ها در برابر عفونت ویروس Zika پس از یک دوز واحد محافظت می‌کند.
وکتور نوترکیب
برخی واکسن‌ها به جای انتقال مستقیم DNA یا mRNA به سلول‌ها، از ویروس یا باکتری بی ضرر به عنوان وکتور یا حامل برای رساندن مواد ژنتیکی به سلول استفاده می‌کنند. چندین واکسن وکتور نوترکیب برای محافظت از حیوانات در برابر بیماری‌های عفونی، از جمله هاری و distemper تأیید شده است.
بسیاری از این واکسن‌های دامپزشکی مبتنی بر فناوری‌ای هستند که در دهه 1980 توسط محققان NIAID ساخته شده است و از نسخه‌های ضعیف شده یک ویروس آبله برای تحویل مواد ژنتیکی پاتوژن استفاده می‌کند. امروزه، دانشمندان در حال تهیه و ارزیابی واکسن‌های وکتور نوترکیب برای محافظت از انسان در برابر ویروس‌هایی مانند HIV، زیکا و ابولا هستند.
آینده واکسن‌ها
تحقیقات علمی منجر به ایجاد انواع بی‌شماری از واکسن‌ها شده است که با اطمینان سبب بروز پاسخ‌های ایمنی می‌شوند که از بدن در برابر عفونت محافظت می‌کنند و تحقیقات در مورد استراتژی‌های جدید واکسن برای جلوگیری از بیماری‌های عفونی موجود و در حال ظهور هم‌چنان ادامه دارد. دهه‌های اخیر پیشرفت‌های اساسی را در درک تعاملات پیچیده بین میکروب‌های ایجادکننده بیماری و میزبان انسانی آن‌ها به وجود آورده است. این بینش‌ها و پیشرفت در تکنیک‌ها و فناوری‌های آزمایشگاهی، به توسعه انواع جدیدی از واکسن‌ها کمک کرده است.
