Szczepionka bcg przeciwko gruźlicy
Patofizjologia i mechanizm
Szczepionka BCG, będąca żywą atenuowaną szczepionką z osłabionego Mycobacterium bovis, pozostaje jedyną zatwierdzoną szczepionką przeciwko gruźlicy. Jej skuteczność jest zmienna i wynosi średnio około 50% w zapobieganiu gruźlicy płuc u dorosłych, natomiast w profilaktyce ciężkich postaci gruźlicy u dzieci (zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych i postać prosówkowa) sięga 70-80%. Metaanalizy wskazują na redukcję ryzyka infekcji o 19-27% oraz progresji do aktywnej choroby o 71%. Mechanizm działania BCG opiera się na indukcji odpowiedzi immunologicznej Th1 z dominującą rolą limfocytów T CD4+ wydzielających IFN-γ, aktywujących makrofagi, a także na aktywacji limfocytów T CD8+ oraz innych populacji komórek T (γδ, MAIT, CD1-zależnych). Szczepionka wywołuje również wyszkoloną odporność (trained immunity) poprzez epigenetyczne przeprogramowanie monocytów i makrofagów, co wzmacnia niespecyficzną odpowiedź immunologiczną i zapewnia ochronę przed różnorodnymi patogenami, w tym wirusami układu oddechowego.
Mechanizm działania szczepionki BCG przeciwko gruźlicy
Szczepionka BCG (Bacillus Calmette-Guérin) to jedyna aktualnie dostępna i zatwierdzona szczepionka przeciwko gruźlicy. Jest to żywa atenuowana szczepionka uzyskana z osłabionego szczepu Mycobacterium bovis, blisko spokrewnionego z Mycobacterium tuberculosis – bakterią wywołującą gruźlicę u ludzi.12 Została opracowana przez Alberta Calmette’a i Camille’a Guérina, którzy po 230 pasażach i 13 latach badań uzyskali osłabiony szczep, który był bezpieczny i zapewniał ochronę przed M. tuberculosis.34 Szczepionka BCG została po raz pierwszy podana człowiekowi w 1921 roku i od tego czasu jest najszerzej stosowaną szczepionką na świecie.15
Skuteczność szczepionki BCG
Efektywność szczepionki BCG różni się znacząco w zależności od populacji i regionu geograficznego, wykazując ochronę w zakresie od 0 do 80%. Średnia skuteczność w zapobieganiu gruźlicy płuc u dorosłych wynosi około 50%.67 Metaanaliza przeprowadzona w 2014 roku wykazała, że szczepionka BCG zmniejsza ryzyko infekcji o 19-27% oraz redukuje progresję do aktywnej gruźlicy o 71%.6
Szczepionka BCG wykazuje najwyższą skuteczność w zapobieganiu ciężkim postaciom gruźlicy u dzieci, zapewniając 70-80% ochrony przed zapaleniem opon mózgowo-rdzeniowych na tle gruźliczym i postacią prosówkową gruźlicy.879 Przegląd systematyczny wykazał, że BCG zapewnia również ochronę przed samym zakażeniem M. tuberculosis, a nie tylko przed progresją z zakażenia utajonego do aktywnej choroby.10 Szacowany ogólny współczynnik ryzyka wynosi 0,81, co wskazuje na 19% skuteczność ochronną przed infekcją u dzieci zaszczepionych w porównaniu z niezaszczepionymi.11
Patogeneza i odpowiedź immunologiczna po szczepieniu BCG
Zrozumienie mechanizmu działania szczepionki BCG wymaga analizy złożonych interakcji immunologicznych, które zachodzą po jej podaniu. Szczepionka wywołuje szereg reakcji immunologicznych, które przygotowują organizm do obrony przed M. tuberculosis.12
Indukcja odpowiedzi immunologicznej
Po podaniu szczepionki BCG, zazwyczaj drogą śródskórną, następuje lokalna infekcja i aktywacja układu immunologicznego. Komórki układu odpornościowego, takie jak monocyty, makrofagi i komórki dendrytyczne, wchodzą w interakcję z bakteriami BCG.13 BCG internalizowane przez komórki dendrytyczne może przeżyć do 2 tygodni wewnątrz tych komórek, wywołując zwiększoną ekspresję cząsteczek kostymulujących i produkcję cytokin polaryzujących odpowiedź immunologiczną.14
Aktywowane komórki dendrytyczne migrują do okolicznych węzłów chłonnych, gdzie następnie wydzielają TNF-α, IL-6 i IL-12, aktywując zarówno limfocyty T CD4+, jak i CD8+.14 Szczepionka BCG indukuje odpowiedzi immunologiczne skierowane przeciwko szerokiemu spektrum antygenów mykobakteryjnych, co stanowi jej zaletę w porównaniu do szczepionek podjednostkowych.12
Rola limfocytów T w ochronie po szczepieniu BCG
Odpowiedź immunologiczna wywołana przez BCG jest zdominowana przez limfocyty T CD4+ o profilu Th1, które wydzielają interferon gamma (IFN-γ). IFN-γ odgrywa kluczową rolę w ochronie przed gruźlicą, aktywując makrofagi do zwalczania infekcji mykobakteryjnej.14 Udowodniono to w badaniach, gdzie osoby z mutacjami genów kodujących IFN-γ wykazywały zwiększoną podatność na zakażenie gruźlicą.14
Oprócz limfocytów T CD4+, coraz więcej dowodów wskazuje na istotną rolę limfocytów T CD8+ w ochronnej odpowiedzi immunologicznej przeciwko M. tuberculosis. Niewystarczająca aktywacja limfocytów T CD8+ może być jednym z powodów ograniczonej skuteczności BCG w zapewnianiu długotrwałej ochrony przed gruźlicą.15
W odpowiedzi na szczepionkę BCG zaangażowane są również inne typy komórek T, w tym limfocyty T γδ, limfocyty T związane z błoną śluzową (MAIT) oraz limfocyty T CD1-zależne, które przyczyniają się do odporności indukowanej przez BCG.16
Wyszkolona odporność (trained immunity)
Wyszkolona odporność (trained immunity) to stosunkowo nowo odkryty mechanizm działania szczepionki BCG, polegający na epigenetycznym przeprogramowaniu komórek odporności wrodzonej, które zapewnia niespecyficzną ochronę przed różnymi patogenami.1718
Mechanizm ten opiera się na reprogramowaniu epigenetycznym monocytów/makrofagów i komórek NK, które nabywają pamięć niespecyficzną i reagują szybciej oraz silniej na wtórne zakażenia różnymi mikroorganizmami.18 Szczepionka BCG indukuje modyfikacje histonów i przeprogramowanie epigenetyczne w ludzkich monocytach w miejscach promotorowych genów kodujących cytokiny prozapalne, takie jak TNF-α i IL-6.19
Udowodniono, że zmiana metylacji histonów H3K4me3 zależna od receptora NOD2 jest mechanizmem, dzięki któremu BCG wzmacnia wrodzone odpowiedzi immunologiczne.17 Przeprogramowanie epigenetyczne jest regulowane przez zmiany w metabolizmie komórek odpornościowych, co dodatkowo wzmacnia efekt ochronny.17
Niespecyficzna ochrona przed innymi patogenami
Jednym z najbardziej interesujących aspektów działania szczepionki BCG jest jej zdolność do zapewniania niespecyficznej ochrony przed innymi patogenami niż M. tuberculosis.13 Badania kliniczne sugerują, że BCG może być skuteczna przeciwko infekcjom wywoływanym przez patogeny wirusowe, takie jak wirus syncytialny układu oddechowego, wirus brodawczaka ludzkiego i wirus opryszczki pospolitej.13
Mechanizmy, dzięki którym BCG zapewnia niespecyficzną ochronę przed infekcjami układu oddechowego, opierają się na dwóch głównych procesach:18
- Heterologiczna odporność limfocytów T, która zapewnia krzyżową ochronę poprzez heterologiczne odpowiedzi pamięci limfocytów T
- Wyszkolona odporność (trained immunity), polegająca na przeprogramowaniu komórek odporności wrodzonej, które zapewniają niespecyficzną pamięć odpowiedzi immunologicznej
Niedawne badanie ujawniło nowy mechanizm krzyżowej ochrony zapewnianej przez BCG przeciwko wirusowi grypy typu A. Odkryto, że redukcja obciążenia wirusowego była zależna od interakcji między limfocytami T pamięci a makrofagami pęcherzykowymi w płucach.20 Jest to wcześniej nieznany mechanizm krzyżowej ochrony, podkreślający komunikację między adaptacyjnym i wrodzonym układem immunologicznym.20
Ograniczenia i wyzwania związane z mechanizmem działania BCG
Mimo szerokiego stosowania szczepionki BCG, jej skuteczność jest zmienna, co wynika z kilku czynników związanych z mechanizmem jej działania.21
Delecja systemu sekrecji ESX-1
Jednym z głównych ograniczeń szczepionki BCG jest brak systemu sekrecji ESX-1, który został utracony w wyniku delecji fragmentu chromosomu podczas atenuacji.22 System ESX-1 w M. tuberculosis umożliwia bakterii naruszenie integralności błony fagosomu makrofaga, w którym jest zamknięta. Pęknięcie tej błony powoduje kontakt składników mykobakteryjnych z cytosolem komórki gospodarza, co jest sygnałem do wywołania kaskady odpowiedzi immunologicznej wrodzonej przyczyniającej się do kontroli wzrostu mykobakterii.22
Konwencjonalny BCG pozostaje uwięziony w fagosomie i nie komunikuje się w znaczącym stopniu z cytosolem komórki gospodarza, co ogranicza jego zdolność do wywoływania pełnej odpowiedzi immunologicznej.23 Naukowcy z Instytutu Pasteura opracowali szczep rekombinowany BCG wykazujący system sekrecji ESX-1 z Mycobacterium marinum, który wywołuje wzmocnione odpowiedzi immunologiczne i wykazuje lepszą ochronę przed infekcją M. tuberculosis niż konwencjonalna szczepionka BCG.23
Ekspozycja na niegruźlicze mykobakterie (NTM)
Najważniejszym czynnikiem wpływającym na skuteczność BCG, popartym danymi, jest ekspozycja na niegruźlicze mykobakterie (NTM) występujące powszechnie w środowisku.24 Istnieją dwie hipotezy dotyczące mechanizmu, poprzez który ekspozycja na NTM zmniejsza skuteczność BCG:24
- Mechanizm „maskowania” – wcześniejsza ekspozycja na NTM wywołuje odpowiedź immunologiczną, która chroni przed BCG
- Mechanizm „blokowania” – wcześniejsza ekspozycja na NTM blokuje replikację BCG, co ogranicza jej immunogenność
Badania wykazały, że chroniczna ekspozycja doustna na mykobakterie środowiskowe prowadzi do ogólnoustrojowej tolerancji przeciwko mykobakteriom. Ta tolerancja generuje słabą odpowiedź immunologiczną w scenariuszu następującego później śródskórnego szczepienia BCG, co może prowadzić do zmiennej skuteczności szczepionki.25
Droga podania szczepionki
Standardowa droga podania szczepionki BCG to droga śródskórna, co może być jednym z powodów jej nieskuteczności w wywoływaniu długotrwałej pamięci immunologicznej w płucach i niejednolitego poziomu ochrony przed gruźlicą płuc u dorosłych.26 W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie alternatywnymi drogami podania, takimi jak droga śluzówkowa i dożylna, które wykazały lepszą odpowiedź immunologiczną zarówno w układzie ogólnoustrojowym, jak i śluzówkowym.26
Badania na makakach wykazały, że dożylne podanie BCG zapewnia znacznie lepszą ochronę przed gruźlicą, wywołując silniejszą odpowiedź limfocytów T CD4+ w płucach i może zapewnić jeszcze bardziej skuteczną ochronę niż standardowe BCG.27 Zaobserwowano sterylizującą odporność u 6 z 8 makaków w porównaniu z 2 z 8 makaków immunizowanych standardowym BCG.27
Ponadto, badania na myszach narażonych na mykobakterie środowiskowe wykazały, że immunizacja płucna BCG generuje odporność niezależnie od wcześniejszej ekspozycji na mykobakterie środowiskowe, ponieważ tolerancja ogólnoustrojowa nie występuje w drogach oddechowych gospodarza.25
Nowe kierunki w badaniach nad szczepionkami BCG
Z uwagi na ograniczoną skuteczność BCG, szczególnie przeciwko gruźlicy płuc u dorosłych, prowadzone są intensywne badania nad ulepszeniem tej szczepionki lub opracowaniem nowych szczepionek przeciwgruźliczych.28
Rekombinowane szczepy BCG
Bezpieczeństwo i znajomość kliniczna BCG skłoniły do rozwoju rekombinowanych szczepów BCG (rBCG) w celu poprawy odpowiedzi immunologicznych wywoływanych przez szczepienie.28 Manipulacja genetyczna ułatwia konstrukcję rekombinowanej szczepionki BCG, która może być stosowana jako wysoce immunogenna szczepionka przeciwko gruźlicy z ulepszonym profilem bezpieczeństwa.29
Rekombinowany szczep BCG ekspresjonujący ESX-1 (BCG::ESX-1) wykazuje większą ochronę niż BCG typu dzikiego w modelach mysich i świnkach morskich, chociaż ten rekombinowany szczep jest bardziej zjadliwy.24 Innym przykładem jest BCG zmp1, który wykazuje zwiększone dojrzewanie fagosomu i fuzję fagolizosomów, wspomagając prezentację antygenu, co prowadzi do poprawy ochrony.24
Niedawno opracowano samodestrukcyjną, dożylną szczepionkę BCG z wbudowanym mechanizmem bezpieczeństwa – „wyłącznikiem” BCG – który eliminuje możliwość przypadkowej samoinfekcji osłabionymi mykobakteriami, oferując bezpieczny i skuteczny sposób zwalczania gruźlicy.30
Szczepionki wielostadiowe
Patogeneza M. tuberculosis postępuje kolejno przez pierwotną infekcję, latencję i reaktywację. Podczas tych stadiów infekcji metabolizm i profile transkrypcji genów M. tuberculosis wykazują znaczące różnice i cechy specyficzne dla danego stadium in vivo.31 Dlatego opracowywane są szczepionki wielostadiowe, które zawierają antygeny wyrażane podczas różnych stadiów infekcji M. tuberculosis.
Przykładem takiej szczepionki jest H56, która zawiera Ag85B i ESAT-6, dwa antygeny M. tuberculosis wydzielane w ostrej fazie infekcji, oraz antygen Rv2660c indukowany stresem odżywczym.32 Badania na makaków wykazały, że wzmocnienie BCG szczepionką H56 opóźnia i zmniejsza chorobę kliniczną u makaków zakażonych M. tuberculosis oraz zapobiega reaktywacji latentnej infekcji.32
Innym przykładem jest podjednostkowa szczepionka A1D4, składająca się z czterech antygenów związanych z fazą latencji i jednego antygenu wydzielanego związanego z fazą pierwotnej infekcji. Badania na myszach wykazały, że szczepionka ta zapewnia skuteczną ochronę przed infekcją M. tuberculosis.33
Podsumowanie mechanizmu działania BCG
Szczepionka BCG przeciwko gruźlicy działa poprzez złożone mechanizmy immunologiczne, które obejmują zarówno odporność wrodzoną, jak i adaptacyjną. Główne elementy jej działania to:
- Indukcja odpowiedzi limfocytów T CD4+ typu Th1, wydzielających IFN-γ, który aktywuje makrofagi do zwalczania infekcji mykobakteryjnej14
- Aktywacja limfocytów T CD8+, które przyczyniają się do ochrony przeciwko M. tuberculosis15
- Indukcja wyszkolonej odporności (trained immunity) poprzez epigenetyczne przeprogramowanie komórek odporności wrodzonej17
- Zapewnienie niespecyficznej ochrony przed innymi patogenami poprzez heterologiczną odporność limfocytów T i wyszkoloną odporność18
Szczepionka BCG jest najskuteczniejsza w zapobieganiu ciężkim postaciom gruźlicy u dzieci, takim jak zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych na tle gruźliczym i postać prosówkowa gruźlicy.7 Jej skuteczność w zapobieganiu gruźlicy płuc u dorosłych jest zmienna, co wynika z ograniczeń mechanizmu jej działania, takich jak brak systemu sekrecji ESX-122, ekspozycja na niegruźlicze mykobakterie24 oraz standardowa droga podania.26
Nowe kierunki badań nad szczepionkami BCG, takie jak rekombinowane szczepy BCG i szczepionki wielostadiowe, mają na celu przezwyciężenie tych ograniczeń i zapewnienie lepszej ochrony przeciwko gruźlicy.28 Głębsze zrozumienie mechanizmu działania szczepionki BCG jest kluczowe dla opracowania skuteczniejszych strategii zapobiegania gruźlicy w przyszłości.
Kolejne rozdziały
Zapraszamy do dalszego czytania naszego leksykonu.
Wybierz kolejny rozdział z menu poniżej, aby otworzyć nową podstronę kompedium wiedzy i uzyskać szczegółowe informację o leku, substancji lub chorobie.