طراحی واکسن با چه مراحلی انجام می شود – به زبان ساده

انواع واکسن

قبل از توضیح مراحل طراحی واکسن بهتر است انواع واکسن‌ها را مرور ‌کنیم. واکسن‌ها به انواع غیرفعال، سلول ضعیف‌شده، اسید نوکلئيک، زیرواحدی (پروتئین‌های نوترکیب، پلی‌ساکاریدی، پروتئین یا پلی‌ساکارید کانجوگه، توکسین) و وکتورها تقسیم می‌شود.

• واکسن‌های غیرفعال: واکسن‌های غیرفعال ترکیبی از پاتوژن‌های کشته شده است. این واکسن‌ها ایمنی زیادی ایجاد نمی‌کنند و معمولا به یادآور نیاز دارند. برای تولید این واکسن‌ها باکتری یا ویروس به‌وسیله گرما یا ترکیبات شیمیایی (ازجمله فرمالدهید بتا-پروبیولاکتون یا پرتوهای فرابنفش) غیرفعال می‌شود. تولید این واکسن‌‌ها از سایر واکسن‌ها ساده‌تر است و تمام آنتی‌ژن‌های میکرواوگانیسم در آن‌ها وجود دارد. از این روش در تولید تعداد بسیار کمی از واکسن‌ها استفاده می‌شود.
• واکسن‌های سلول زنده ضعیف شده: واکسن‌های سلول ضعیف شده از پاتوژن‌های زنده ضعیف شده تشکیل شده‌اند. از این واکسن‌ها نمی‌توان برای افرادی که سیستم ایمنی ضعیفی دارند، استفاده کرد. ایمنی‌زایی این واکسن‌ها از واکسن‌های غیرفعال بیشتر است. بسیاری از واکسن‌هایی که برای پیشگیری از عفونت‌های باکتریایی تولید می‌شوند، از این نوع هستند. این واکسن‌ها را می‌توان با حذف یا غیرفعال کردن ژن کی از آنتی‌ژن‌های بیماری‌زا یا مسیرهای متابولیسمی تولید کرد.
• واکسن‌های نوکلئیک‌اسید: واکسن‌های نوکلئیک‌اسید، DNA دو رشته‌ای یا mRNA ژن آنتی‌ژن‌ها هستند. برای تولید این واکسن‌ها از حامل های مختلف ازجمله پلاسمیدها و نانوذرات برای انتقال ژن آنتی‌ژنی به بدن استفاده می‌شود. ژن پس از ورود اسیدنوکلئیک به سلول‌های ایمنی به آنتی‌ژن ترجمه می‌شود و سیستم ایمنی را فعال می‌کند. از این روش فقط می‌توان برای آنتی‌ژن‌های پروتئینی استفاده کرد و در طراحی واکسن‌های پلی‌ساکاریدی کاربردی ندارند.
• واکسن‌های زیرواحدی: واکسن‌های زیرواحدی (پروتئین‌های نوترکیب، پلی‌ساکاریدهای میکروبی و پروتئین یا پلی‌ساکارید کانجوگه) بخشی از ساختار پاتوژن هستند که سیستم ایمنی را فعال می‌کنند. این واکسن‌ها ایمنی‌زایی زیادی دارند و از آن‌ها می‌توان برای افرادی که سیستم ایمنی ضعیفی دارند هم استفاده می‌شوند اما به یادآور نیاز دارند. واکسن‌های توکسوئیدی یکی از انواع واکسن‌های زیرواحدی است که در برابر بیماری‌های باکتریایی ایمنی ایجاد می‌کنند. این واکسن‌ها توکسین ضعیف شده باکتری‌ها هستند که سیستم ایمنی را تحریک می‌کنند. توکسین‌ها پروتئین‌هایی هستند که تولید آنتی‌بادی از لنفوسیت‌های B را تحریک می‌کنند. واکسن‌های پلی‌ساکاریدی معمولا کربوهیدرات‌های کپسول باکتری‌ها یا کپسید ویروس‌ها هستند. این واکسن‌ها مستقل از سلول‌های T سیستم ایمنی را فعال می‌کنند. به همین دلیل برای افزایش ایمنی این ترکیبات را با پروتئین‌ها کانجوگه می‌شوند.
• واکسن‌های وکتوردار: در واکسن‌های وکتوردار از پوشش ویروسی به عنوان حامل برای انتقال ژن آنتی‌ژن یک ویروس یا باکتری دیگر استفاده می‌شود. ژن در سلول‌های سیستم ایمنی به آنتی‌ژن ترجمه می‌شود و سیستم ایمنی را فعال می‌کند. اما چون تمام ژنوم کامل ویروس وارد بدن نشده فرد به بیماری مبتلا نمی‌شود.

به علاوه، واکسن‌ها به‌شکل مونووالان و پلی‌والان طراحی می‌شوند. واکسن‌های مونووالان نسبت به یک سویه ایمنی‌زایی ایجاد می‌کنند. اما واکسن‌های پلی‌والان نسبت به چند سویه باکتری یا ویروس ایمنی ایجاد می‌کنند.

مراحل طراحی واکسن

طراحی واکسن فرایندی بسیار طولانی است که از تحقیقات اولیه تا عرضه به بازار به ۱۰ تا ۱۵ سال زمان نیاز دارد. در این مطلب قصد داریم طراحی واکسن را مرحله به مرحله با هم بررسی کنیم. اما اگر به اطلاعات بیشتر در رابطه با این مبحث دارید، مشاهده فیلم‌ آموزشی فرادرس به شما پیشنهاد می‌شود.

• فیلم آموزش آشنایی با واکسیناسیون و مراحل طراحی واکسن پروتئینی در محیط Insilico فرادرس

طراحی و ساخت واکسن از چهار مرحله اصلی تشکیل شده است. در مرحله اول آنتی‌ژن انتخاب و واکسن ساخته می‌شود. در مرحله دوم ایمنی‌زایی و سمیت واکسن با تست‌های «in vitro» و «in vivo» بررسی می‌شود. در مرحله سوم ایمنی‌زایی واکسن در نمونه انسانی بررسی می‌شود و در مرحله چهارم واکسن برای تولید انبوه و عرضه به بازار تایید می‌شود.

مرحله اول طراحی واکسن: شناخت آنتی ژن و ساخت واکسن

مرحله دوم طراحی واکسن: مطالعات پیش بالینی

مطالعات پیش‌بالینی مجموعه تست‌هایی است که در شرایط «in vitro» و «in vivo» انجام می‌شود. آزمایش‌های این مرحله حدود ۲ سال زمان نیاز دارد. پس از انتخاب نوع آنتی‌ژن با استفاده از روش «in silico» یا آزمایشگاهی، تست‌های «in vitro» برای واکسن انجام می‌شود. در مطالعات «in vitro» ویژگی‌های ساختاری، سمیت و ایمنی‌زایی واکسن طراحی شده با استفاده از واکنش‌های بیوشیمیایی و برهم‌کنش‌های بین‌مولکولی بررسی می‌شود. یکی از تست‌های این مرحله بررسی عفونت‌زایی واکسن‌ها است.

در تست‌های in vivo واکسن در مدل‌های حیوانی بررسی می‌شود. برای انتخاب نمونه حیوانی باید به این نکته توجه کرد که روند ایجاد بیماری و بیماری‌زایی نهایی پاتوژن شبیه به انسان باشد. برای مثال اگر بیماری در انسان منجر به مرگ می‌شود در حیوان نیز همین شرایط را ایجاد کند. تست‌های in vivo در مرحله اول در حیوانات کوچک‌تر ازجمله موش، خوکچه هندی یا خرگوش و در مراحل بعدی در حیوانات بزرگتر ازجمله سگ و پریمات‌ها انجام می‌شود. برای انتخاب نمونه حیوانی مناسب ابتدا تحقیقات قبلی بررسی می‌شود. اما اگر تحقیقات قبلی در مورد ویروس یا باکتری وجود ندارد، مدل حیوانی از بین نمونه‌هایی انتخاب می‌شود که سیستم ایمنی آن‌ها شباهت بیشتری به انسان دارد.

تست‌های پتنسی بر اساس مکانیسم عمل و نوع واکسن انتخاب می‌شوند. در ابتدای مطلب توضیح دادیم که واکسن‌های زنده میکروب یا ویروس ضعیف شده است. در نتیجه پتنسی واکسن با توانایی تکثیر ویروس یا میکروب (عفونت‌زایی) و تعداد سلول‌های انتقال‌یافته به میزبان (دوز)، تعریف می‌شود. مکانیسم ایمنی‌زایی واکسن‌های پلی‌ساکاریدی ارائه آنتی‌ژن‌ها و اپیتوپ‌ها به لنفوسیت‌های B و تحریک تولید آنتی‌بادی است. در این واکسن‌ها ساختار و ویژگی‌های شیمیایی پلی‌ساکارید شدت ایمنی‌زایی را مشخص می‌کند. تست‌های پتنسی به سه دسته کلی تست‌های عفونت‌زایی، تست‌های پتنسی نسبی و تست‌های جرم آنتی‌ژن تقسیم می‌شوند.

• تست‌های عفونت‌زایی: عفونت‌زایی واکسن‌ها با تعیین LD50 مشخص می‌شود. LD50 دوزی از واکسن‌ است که ۵۰٪ نمونه‌های سلولی یا حیوانی را از بین می‌برد. هر چه LD50 پایین‌تر باشد عفونت‌زایی واکسن بیشتر است.
• تست‌های پتنسی نسبی: در تست‌های پتنسی نسبی، ایمنی‌زایی آنتی‌ژن نسبت به یک نمودار مرجع بررسی می‌شود. در این روش‌ها میزان آنتی‌بادی سرم مدل حیوانی پس از ایمنی‌زایی با دوزهای متفاوت واکسن بررسی می‌شود. در این روش‌ها پتنسی بر اساس مقایسه EC50 نمونه با منحنی استاندارد تعیین می‌شود. بیشتر روش‌های سنجش پتنسی نسبی in vitro است.
• تست‌های جرم آنتی‌ژن: جرم آنتی‌ژن با روش‌های بیوشیمیایی ازجمله کروماتوگرافی و رزونانس مغناطیسی هسته (NMR) تعیین می‌شود. در این روش‌ها پتنسی از مقایسه منحنی نمونه با منحنی استاندارد محاسبه می‌شود.

برای پتنسی سنجی iv vivo واکسن یک مدل حیوانی انتخاب و با دوزهای مختلف واکسن ایمن می‌شوند. بعد از گذشت زمان مشخص تیتر آنتی‌بادی، فاکتورهای التهابی یا فعالیت سلول‌های T در سرم نمونه‌ها بررسی می‌شود یا سویه بیماری‌زا به نمونه‌ها تزریق و ایمنی‌زایی واکسن بررسی می‌شود.

مرحله سوم طراحی واکسن: کارآزمایی بالینی

اگر واکسن در مطالعات پیش‌بالینی ایمن‌زایی کافی داشته باشد برای انجام آنالیزهای بعدی وارد مرحله کارآزمایی بالینی می‌شود. در این مرحله ایمنی‌زایی واکسن روی انسان بررسی می‌شود. این مرحله در سه فاز انجام می‌شود.

• فاز اول کارآزمایی بالینی: در فاز اول گروه ۲۰ تا ۸۰ نفره‌ از افراد بزرگسال واکسینه می‌شوند. اگر واکسن برای کودکان باشد، مطالعه با افراد بزرگسال شروع می‌شود و به تدریج سن گروه نمونه کاهش می‌یابد تا به افرادی با سن موردنظر برید. در این مرحله مطالعه باز است و همه افراد می‌داتنند چه کسی واکسن و چه کسی دارونما دریافت کرده است. هدف فاز اول کارآزمایی بالینی پاسخ به این پرسش‌ها است که آیا واکسن برای انسان بی‌خطر است و آیا ایمنی‌زایی کافی دارد؟ این فاز حدود ۲ سال زمان می‌برد.
• فاز دوم کارآزمایی بالینی: در فاز دوم گروه چند صد نفراز افراد بزرگسال واکسینه می‌شوند که بین ان‌ها افرادی که به بیماری حساس‌تر هستند نیز وجود دارند. در این مرحله افراد به‌طور تصادفی واکسن یا دارونما دریافت می‌کنند. هدف این مرحله پاسخ به این پرسش‌ها است که چه دوز و روشی برای واکسینه کردن افراد بهتر است؟ بهترین زمان‌بندی برای واکسیناسیون و یادآورها چیست؟ آیا ایمنی‌زایی واکسن کافی است؟ این فاز ۲ تا ۳ سال زمان می‌برد.
• فاز سوم کارآزمایی بالینی: اگر واکسن در فاز دوم کارایی کافی را داست، وارد مرحله سوم کارآزمایی بالینی می‌شود. در این مرحله هزار تا ده‌ها هزار نفر از افراد بزرگسال واکسینه می‌شوند. این مرحله از فاز بالینی را می‌تواند با نمونه‌های انسانی کشورهای مختلف بررسی کرد. در این مرحله افراد به‌طور تصادفی واکسن یا دارونما دریافت می‌کنند و محققان و شرکت‌کنندگان نمی‌دانند چه کسی دارونما و چه کسی واکسن دریافت می‌کند. هدف مرحله سوم کارآزمایی بالینی علاوه بر بررسی کارایی واکسن، بررسی اثرات جانبی احتمالی آن است. این فاز ۵ تا ۱۰ سال زمان می‌برد.

مرحله چهارم طراحی واکسن: دریافت مجوز عرضه در بازار

پس از انجام آزمایش‌های بالینی نتایج آزمایش‌ها در اختیار سازمان کنترل کنترل کیفی هر گشور قرار می‌یگرد. این سازمان‌ها ایمنی‌زایی، خلوص و بی‌خطر بودن ترکیب طراحی شده را در آزمایش‌های مرجع خود بررسی و مجوز تولید انبوه آن را صادر می‌کنند.

چالش های طراحی واکسن

فیلم آموزش ویروس‌ شناسی پزشکی در فرادرس

کلیک کنید

راه‌حل این مشکل استفاده از نمونه‌های حیوانی و انسانی در مراحل پیش‌بالینی و بالینی برای بررسی دقیق‌تر مکانیسم عمل آنتی‌ژن است. هزینه‌های تجهیزات، مواد و دریافت مجور تولید انبوه واکسن‌ها یکی دیگر از چالش‌ها در مسیر تولید واکسن‌ها است.

طراحی واکسن های پروتئینی با بیوانفورماتیک

در ابتدای این مطلب از مجله فرادرس توضیح دادیم که اولین مراحل طراحی واکسن شناخت ویژگی‌های میکرواورگانیسم و مولکول آنتی‌ژنی آن است. برای شناخت ساختار و ویژگی‌های بیوشیمایی آنتی‌ژن‌ها به آزمایش‌های متعددی نیاز است که ممکن است منجر به آلودگی محققان شود. برای کاهش خطر کار با آنتی‌ژن‌ها، کاهش زمان مطالعات بعدی و کاهش هزینه آزمایش‌های مراحل بعدی، مدلسازی‌های کامپیوتری به کمک محققان آمده است. با استفاده از مدل‌های کامپیوتری و شرایط in silico می‌توان ساختار واکسن‌های پروتئينی و برهم‌کنش آن‌ها با سلول‌های ایمنی را قبل از انجام آزمایش‌های پیش‌بالینی بررسی کرد. در ادامه این مطلب از مجله فرادرس مراحل طراحی واکسن در شرایط in silico را بررسی می‌کنیم.

فاز اول شناخت آنتی ژن و اپیتوپ in silico

برای انتخاب سویه مورد نظر و نوع آنتی‌ژن می‌توانیم از پایگاه‌های داده آنلاین و مطالعه مقالات قبلی استفاده کنیم. آنتی‌ژن‌ها از بین پروتئین‌هایی انتخاب می‌شوند که در ایجاد بیماری نقش دارند، پروتئین‌هایی که به فرار پاتوژن از سیستم ایمنی یا سرکوبی این سیستم کمک می‌کنند، فاکتورهایی که به ورود و خروج پاتوژن از سلول کمک می‌کنند، فاکتورهایی که به تکثیر پاتوژن کمک می‌کنند یا فاکتورهایی که در مصرف غذا نقش دارند. در طراحی واکسن برای RNA ویروس‌ها، آنتی‌ژن پروتئین‌های غیرساختاری که در تکثیر و سنتز پروتئین نقش دارند، پروتئین‌های کپسید یا گلیکوپروتئین‌های سطحی به عنوان آنتی‌ژن در نظر گرفته می‌شود.

پس از انتخاب آنتی‌ژن، توالی آمینواسیدی ژن‌ها از بانک داده‌های پروتئینی (PDB) انتخاب می‌شود. در مرحله بعد توالی آمینواسیدی پروتئین‌ها را بر اساس فرمت FASTA انتخاب می‌شود. این فرمت بر اساس متن (Text) طراحی شده است و توالی آمینواسیدی را با نمادهای تک‌حرفی در اختیار کاربر قرار می‌دهد. پایگاه داده‌هایی که برای شناسای ایپتوپ‌ها طراحی شده‌اند از این فرمت برای بررسی ویژگی‌های اپیتوپ استفاده می‌کنند. توالی پروتئین‌های مختلف را می‌توان با فرمت زیر در یک فایل text. ذخیره کرد.

1_seq<
KQFVK
seq_2<
PHNVL

در مرحله بعدی از نرم‌افزارهای داکینگ مولکولی برای بررسی اتصال اپیتوپ‌ها به مولکول‌های MHC استفاده می‌کنیم. نرم‌افزارهای رایگان زیادی برای داکینگ مولکولی وجود دارد که در این بخش انجام داکینگ مولکولی با نرم‌افزار «اوتوداک» (AutoDock) را با هم بررسی می‌کنیم. لازم به ذکر است برای آشناسی بیشتر با داکینگ مولکولی می‌توانید از فیلم‌های آموزشی فرادرس که در رابطه با این مبحث تهیه شده و لینک آن در ادامه آورده شده است، استفاده کنید.

• فیلم آموزش داکینگ مولکولی با اتوداک برقراری اتصال لیگاندها و کمپلکس های سنتز شده به DNA با AutoDock فرادرس
• فیلم آموزش داکینگ مولکولی Molecular Docking با اتوداک AutoDock فرادرس
• فیلم آموزش داکینگ مولکولی با نرم افزار Molegro Virtual Docker با فرادرس

برای کار با این نرم‌افزار در مرحله اول فایل متنی در «Notpad» با لیست زیر بسازید.

• "receptor": در این بخش نام فایل PDB مولکول MHC در سیستم خود را وارد کنید.
• "ligand": در این بخش نام فایل PDB اپیتوپ در سیستم خود را وارد کنید.
• "out": در این بخش نامی که می‌خواهید نرم‌افزار خروجی را با آن ذخیره کند، وارد کنید.
• موقعیت‌های فضایی: در انتهای فایل عبارت‌های "center_x" و "center_y" و "center_z" و "size_x" و "size_y" و "size_z" را وارد کنید.

در مرحله بعد فایل PDB مولکول MHCI و در ادامه فایل PDB اپیتوپ را از بخش «File» در نرم‌افزار باز کنید. سپس از نوار بالایی «Grid» را انتخاب و مختصات فایلی که در مرحله اول ساخته‌اید را وارد کنید. سپس با انتخاب گزینه «Run» شبیه‌سازی را شروع کنید. در پایان نرم‌افزار اطلاعات مربوط به تمایل اپیتوپ و MHCI را به‌شکل متنی در اختیار شما قرار می‌دهد. اپیتوپ‌هایی که انرژی پیوند کمتری دارند را برای مراحل بعدی طراحی واکسن انتخاب می‌کنیم. هر چه انرژی پیوند کمتر باشد، اتصال محکم‌تر است.

فاز دوم ساخت واکسن in silico

فاز سوم آنالیز واکسن in silico

برای ویرایش و بهبود ساختار سوم طراحی شده در RaptorX، فایل PDB واکسن از سرور RaptorX دانلود و در وب‌سایت «Ramachandran Plot Server» بارگذاری می‌شود. به کمک نمودار این سرور ساختار سه‌بعدی احتمالی واکسن را با هم مقایسه کرد. برای بررسی اتصال واکسن به گیرنده‌ها می‌توان از سرورهای داکینک آنلاین یا اتوداک استفاده کرد. مزیت بعضی از سیستم‌های آنلاین این است که به جای فایل PDB، با توالی آمینواسیدها برهم‌کنش بین پروتئین‌ها را بررسی می‌کند. در پایان این مرحله پایدارترین ساختار پروتئین برای شبیه‌سازی مولکولی انتخاب می‌شود.

نرم‌افزارهای زیادی برای شبیه‌سازی مولکولی وجود دارد. در این بخش از مطلب بررسی واکسن طراحی شده با نرم‌افزار گرومکس (GROMACS) را به‌طور مختصر توضیح می‌دهیم. اگر به یادگیری شبیه‌سازی مولکولی با نرم‌افزارهای متفاوت علاقه‌مند هستند، مشاهده فیلم‌های آموزشی فرادرس که این لینک‌ها آن‌ها در ادامه آورده شده است به شما پیشنهاد می‌شود.

• فیلم آموزش شبیه سازی دینامیک مولکولی با نرم افزار لمپس فرادرس
• فیلم آموزش شبیه سازی دینامیک مولکولی و پروتئین با گرومکس مقدماتی فرادرس
• فیلم آموزش شبیه سازی دینامیک مولکولی و پروتئین با گرومکس تکمیلی فرادرس
• فیلم آموزش نرم افزار VMD برای شبیه سازی دینامیک مولکولی فرادرس
• فیلم آموزش مقدماتی شبیه سازی دینامیک مولکولی با متریال استودیو فرادرس

به کمک گرومکس می‌توان تغییرات دما، فشار، انحراف جذر میانگین مربعات (RMSD) و نوسان جذر میانگین مربعات (RMS) را محاسبه کرد. RMSD و RMS پایداری واکسن را نشان می‌دهد و برهم‌کنش واکسن با TLR را ثبت می‌کند. این پارامتر با دستور «g_rms» در گرومکس اجرا می‌شود.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس توضیح دادیم که واکسن‌ها ترکیباتی هستند که برای پیشگیری یا درمان بیماری‌های عفونی استفاده می‌شوند. واکسن‌ها از میکروب‌های کشته شده، میکروب ضعیف‌شده و مولکول‌های آنتی‌ژنی میکروب‌ها تهیه می‌شوند. در ادامه توضیح دادیم که واکسن در چهار مرحله اصلی تولید می‌شود. در مرحله اول عامل بیماری‌زای پاتوژن مشخص می‌شود. در مرحله دوم ساختار مولکولی و ایمنی‌زایی آنتی‌ژن به‌وسیله آزمایش‌های بیوشیمیایی، سلولی و حیوانی مشخص می‌شود. در مرحله بعد روی نمونه انسانی آزمایش می‌شود و در نهایت پس از دریافت مجوز به بازار عرضه می‌شود. در بخش بعدی توضیح دادیم که مراحل اولیه تولید واکسن را می‌توان به کمک مدلسازی‌های کامپیوتری انجام داد و مراحل طراحی واکسن به کمک داده‌های بیوانفورماتیک را مرور کردیم.