научная статья по теме СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ВАКЦИН ВЕТЕРИНАРНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ВАКЦИН ВЕТЕРИНАРНОГО НАЗНАЧЕНИЯ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 1, с. 28-44

= ОБЗОРЫ

УДК 581.1:602.6:615.32:575.28:619

СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ВАКЦИН ВЕТЕРИНАРНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

© 2015 г. Н. В. Пермякова, Е. А. Уварова, Е. В. Дейнеко

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАН Поступила в редакцию 27.06.2014 г.

Трансгенные растения как альтернатива существующим дорогостоящим системам экспрессии ре-комбинантных иммуногенных белков являются источником для получения недорогих и высокоэффективных биопрепаратов нового поколения, в том числе и растительных вакцин. В предлагаемом обзоре рассматриваются возможности использования растений в качестве таких систем для получения рекомбинантных белков ветеринарного назначения; кратко освещается история развития концепции "съедобных вакцин"; обсуждаются преимущества и недостатки различных растительных систем экспрессии рекомбинантных иммуногенных белков. Приведен список рекомбинантных растительных вакцин, предназначенных для нужд ветеринарии, находящихся на различных стадиях клинических испытаний.

Ключевые слова: трансгенные растения — растительные вакцины — биобезопасность — системы экспрессии — рекомбинантные белки — ветеринария

DOI: 10.7868/S0015330315010108

ВВЕДЕНИЕ

В течение многих тысяч лет растения служат человечеству в качестве источника лекарственных субстанций. Однако только на рубеже XXI века с применением ДНК-технологий стало возможным модифицировать растительные геномы и создавать новые типы растений (трансгенные растения), способные синтезировать и накапливать в своих тканях рекомбинантные белки из различных гетерологичных систем. К настоящему времени созданы трансгенные растения, в ядерный и хлоропластный геномы которых перенесены гены, кодирующие гетерологичные белки, важные в терапии различных заболеваний, — антигенов возбудителей инфекционных болезней, антител, иммуномодуляторов и т.д. [1, 2]. Принципиально важным моментом развития этих работ стало формирование концепции "съедобной вакцины" ("plant-edible vaccine"), суть которой состоит в использовании генетически модифицированных растений, содержащих белки-антигены возбудителей инфекционных заболеваний, для пероральной доставки соответству-

Сокращения: ОРБ — общий растворимый белок; ВТМ — вирус табачной мозаики.

Адрес для корреспонденции: Пермякова Наталья Владиславовна. 630090 Новосибирск, пр-т Лаврентьева, 10. Институт цитологии и генетики СО РАН. Электронная почта: puh@bionet.nsc.ru

ющих антигенов к слизистым желудочно-кишечного тракта теплокровных животных.

Вакцинация, в основе которой лежит программирование специфических механизмов иммунитета теплокровных животных для защиты от патогенов, является наиболее эффективным методом борьбы с инфекционными заболеваниями, нередко приводящими к массовому падежу. В сельскохозяйственном животноводстве альтернатив вакцинации не существует, поскольку нет противовирусных препаратов, пригодных для широкого использования в условиях животноводческих хозяйств. Важность вакцинации животных косвенно сказывается и на здоровье человека, поскольку использование вакцин значительно сокращает количество фармацевтиков в пищевой цепочке.

Как правило, активация иммунных механизмов у животных осуществляется путем прямого введения инфекционных агентов или их компонентов. В настоящее время подавляющее большинство используемых вакцин составляют препараты на основе инактивированных возбудителей. Хотя эти вакцины и обладают высокой иммуногенностью, они не лишены серьезных недостатков. Среди таких недостатков следует отметить повышенную чувствительность к ним организма, большую нагрузку на иммунную систему, реактогенность вакцин (побочные эффекты), их токсичность и т.п.

Применение методов молекулярной биологии и генетической инженерии открыло широкие перспективы в разработке вакцин нового поколения, у которых иммуногенными компонентами могут служить изолированные биологические макромолекулы или их фрагменты. В качестве иммуногенных компонентов могут быть использованы фрагменты ДНК или белки оболочек клеток возбудителей инфекционных болезней. Если ген, кодирующий белок оболочки какого-либо возбудителя, перенести в геном другого организма, например в растение, то в клетках тканей такого растения будет синтезироваться белок-антиген, способный формировать устойчивость к данному возбудителю. Таким образом, вакцинирующий эффект будет обеспечиваться введением в организм не целого патогена, а лишь его части, не способной вызвать развитие инфекционного процесса.

Производство лекарственных препаратов для ветеринарии представляет собой важнейшую и динамично развивающуюся часть мировой индустрии. Производство вакцин составляет примерно четвертую часть от общего объема фармацевтического рынка препаратов ветеринарного назначения, и оно постоянно расширяется [3].

Получение лекарственных субстанций для производства ветеринарных препаратов основано на различных подходах, в том числе и биотехнологических с применением генетически модифицированных (трансгенных) организмов. Для этих целей используются такие экспрессионные системы, как бактерии, дрожжи, клетки насекомых и клетки млекопитающих. Использование генетически модифицированных растений, в геном которых интегрированы гены, кодирующие белки медицинского назначения, открывает новые перспективы для получения рекомбинантных белков, в том числе и растительных вакцин [4].

Настоящий обзор посвящен рассмотрению возможностей получения рекомбинантных им-муногенных белков ветеринарного назначения на основе растительных систем экспрессии и истории развития концепции "съедобной вакцины" для иммунизации животных.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЗДАНИЮ РАСТИТЕЛЬНЫХ ВАКЦИН

Впервые идея использования клеток растений для синтеза и накопления рекомбинантных белков-антигенов была успешно реализована в 1992 г. С. АтП^еп и его коллегами [5]. Именно эта группа исследователей не только продемонстрировала возможность накопления поверхностного НВ8А§-антигена вируса гепатита В, но и его способность к самосборке в вирусоподобные части-

цы в трансгенных растениях табака. Выделенные из растительных тканей вирусоподобные частицы были идентичны частицам HBsAg-антигена промышленной рекомбинантной вакцины, полученной в дрожжевой системе экспрессии, а также вирусоподобным частицам из плазмы крови больных вирусом гепатита В. Таким образом, стало очевидным, что генетически модифицированные растения, продуцирующие и накапливающие белки-антигены различных возбудителей инфекционных болезней, могут быть использованы для пероральной доставки соответствующих антигенов к слизистым желудочно-кишечного тракта теплокровных животных, т.е. в качестве "съедобных вакцин".

Следующим принципиальным шагом в разработке концепции "съедобных вакцин" на основе генетически модифицированных растений были работы по созданию трансгенных растений, продуцирующих термолабильный энтеротоксин из Escherichia coli [6, 7] и В-субъединицу холерного токсина [8]. Термолабильный энтеротоксин E. coli состоит из двух частей: LT-A (фермент) и LT-B (пентамер из рецептор-связывающих полипептидов). LT-B связывается с рецепторами на поверхности мембраны эпителиоцитов тонкого кишечника млекопитающих и транспортирует LT-A в клетки кишечника, где вызывает изменение клеточного метаболизма и обезвоживание клеток. Если две части термолабильного энтеротоксина отделить друг от друга, то появление белкового комплекса LT-B на поверхности эпителиоцитов будет стимулировать сильный иммунный ответ слизистой оболочки кишечника без проявления каких-либо признаков заболевания. Именно эта особенность была положена в основу исследований группы C. Arntzen [6] по созданию растительной вакцины, обеспечивающей устойчивость к токсинам энтеротоксигенной E. coli. Авторами было установлено, что LT-B, синтезируемый в трансгенных растениях табака и картофеля, а также LT-B, выделенный из E. coli, доставляемые в организм мыши перорально, вызывают однотипные иммунные реакции.

В дальнейшем LT-B-последовательность была оптимизирована для экспрессии в растительных клетках и перенесена в геном растений картофеля [7]. В клубнях картофеля белок корректно собирался в олигомеры и накапливался в количествах, достаточных для индукции иммунного ответа при пероральной доставке в организм. На основании клинических испытаний "кандидат-ной" растительной LT-B-вакцины было установлено, что употребление добровольцами сырых клубней картофеля, содержащих 0.3—10 мг LT-B, приводило к формированию сывороточного и мукозного иммунного ответов с высокими титрами антител [9].

Первоначально концепция "съедобной вакцины" была подвергнута резкой критике со стороны исследователей, которые полагали, что рекомби-нантный антиген в агрессивной среде желудочно-кишечного тракта должен быть разрушен. Однако впоследствии экспериментально было установлено, что рекомбинантная В-субъединица холерного токсина, слитая с зеленым флюоресцирующим белком (GFP), защищенная целлюлозной оболочкой растительной клетки, при пероральном введении в организм способна проходить через желудочно-кишечный тракт и достигать антиген-содержащих клеток кишечника мыши [10]. Полученные результаты подтвердили возможность использования растений, синтезирующих белки-антигены различных возбудителей инфекционных болезней, для пероральной доставки антигенов к слизистым желудочно-кишечного тракта и экспериментально подтвердили состоятельность концепции "съедобной вакцины". Стало очевидным, что генетически модифицированные растения могут быть использованы для создания растительной вакцины в качестве исходного сырья, а отдельные части растения (плоды, корнеплоды, ягоды, листья и т.д.) — использоваться непосредственно в пищу без предварительной тепловой обработки.

МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ МУКОЗНОГО ИММУННОГО ОТВЕТА

В процессе эволюции у млекопитающих сформировалась вторичная ассоциированная лимфо-идная ткань слизистых оболочек, способная поглощать антигены, обрабатывать их и использовать для индукции мукозного иммунного ответа. Устан

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком