Vacciner og deres oprindelse

Vacciner er noget, vi alle kender til, og langt de fleste danskere har modtaget flere vacciner gennem deres liv, startende med børnevaccinationsprogrammet. Her modtager mange deres første vaccine, når de er 3 måneder gamle.

Verdens første vaccine blev udviklet af Edward Jenner mod kopper i 1796. I dag er kopper den eneste sygdom, som er blevet udryddet på verdensplan grundet vaccineprogrammer. Siden den første vaccine mod kopper blev udviklet, er vacciner blevet udviklet mod mange forskellige former for sygdomme. Man kan vaccinere ved brug af en mindre virulent (smittefarlig) type af den bakterie/virus, man gerne vil vaccinere mod, som det er tilfældet med vaccinen mod gul feber. Man kan også inaktivere den virus/bakterie, man ønsker at vaccinere mod, og så bruge den direkte, som det er tilfældet for vaccination imod Hepatitis A. Som vi har set over de sidste år, er der også kommet helt nye typer af vacciner på markedet. Johnson & Johnsons COVID-19 vaccine er baseret på DNA, der koder for protein fra COVID-19 virussen. Efter vaccinationen, optager ens celler DNA’et og producerer derefter coronavirusproteinerne selv. Samme princip, dog med brug af mRNA i stedet for DNA, bruges i vaccinerne fra både Moderna og Pfizer. Du kan lære mere om vacciner her og specifikt om mRNA vacciner her.

Koppevaccinen fra 1796 bestod af levende virus, som mindede nok om kopper til at lede til immunitet, men uden at have den samme virulens (smittefarlighed). Edward Jenners idé til vaccinen kom efter at han havde observeret, at malkepiger ikke blev smittet med kopper. Derfor var hans hypotese, at malkepigers tætte omgang med køer, som havde en lignende sygdom, kokopper, gav dem immunitet overfor sygdommen. Han tog derfor betændelse fra køer med kokopper og placerede det i rifter på mennesker og fandt, at dette beskyttede menneskerne fra at blive syge med kopper.

Uanset hvilken type af vaccine man benytter, virker de alle ved at aktivere det menneskelige immunsystem. Når kroppens indre udsættes for noget, som ikke er menneskeligt (en virus, en bakterie, DNA/mRNA der koder for ikke-menneskelige proteiner) genkender den det som fremmed og går i gang med at bekæmpe det. Kroppens immunsystem går i gang med at producere antistoffer, som specifikt kan binde og neutralisere de fremmede proteiner/vira/bakterier, som de støder på. Du kan lære mere om kroppens immunforsvar her.

Modgift mod slangebid – en type af vaccination

Modgift er i dag den eneste specifikke behandling mod slangebid, og selvom mange ikke ved det, har modgift faktisk meget med vacciner at gøre. Modgift blev først opfundet af Albert Calmette tilbage i 1895. Princippet i behandlingen er meget lig princippet bag de vacciner, hvor man immuniserer ved brug af en mindre farlig version af en virus/bakterie. Dog er der også store forskelle mellem traditionelle vacciner og behandling af slangebid. Man vaccinerer nemlig ikke de mennesker, som bliver bidt, eller som er i høj risiko for at blive bidt af slanger i fremtiden. I stedet ’vaccinerer’ man et produktionsdyr (oftest en hest) og bruger dyrets antistoffer til behandling af mennesker (Figur 16), der er blevet bidt.

Der er mange grunde til, hvorfor mennesker ikke vaccineres mod slangebid. Først og fremmest findes der hundredvis af giftige slangearter, som alle sammen har unikke giftsammensætninger. Dette ville gøre det meget svært at udvikle en vaccine, der dækkede nok slangearter. Derudover er slangegift meget svært for immunsystemet at lave antistoffer imod (man siger, at nogle slangetoksiner har lav immunogenicitet). Slangegift er også, som det lidt ligger i ordet, giftigt, hvilket vil sige, at man kun kan injicere meget begrænsede mængder gift, hvis man ikke vil risikere, at toksinerne i giften udøver deres toksiske effekter. Alt i alt er det simpelthen for kompliceret en proces at skulle vaccinere alle mennesker, som har høj risiko for at blive bidt af slanger, mod alle de slangegifte, som de potentielt kunne blive mødt af. Det ville være en årelang proces med mange injektioner, . På trods af alt det ovenstående, så er der stadig få mennesker (prøv fx at søge efter Steve Ludwin eller Tim Friede på Google), der på ugentlig basis injicerer gift for at opbygge tolerance overfor visse slangegifte.

Den nuværende behandling af slangebid har dog alligevel lidt med vacciner at gøre – bare ikke som vaccination af de mennesker, som er blevet bidt eller er i risiko for at blive bidt. I stedet vaccinerer man større produktionsdyr, såsom heste og får (Figur 16). Faktisk kaldes denne proces for immunisering i stedet for vaccination. I praksis fungerer det sådan, at man ’malker’ gift fra de slanger, man ønsker at lave en modgift mod, og så injicerer man lave doser af disse gifte i produktionsdyret. Man starter med meget lave doser, som så gradvist øges over en periode på op til 1,5 år. Grunden til at man kan øge dosen gennem processen er, at dyrets immunsystem under processen ’øver’ sig i at bekæmpe giftstofferne. Ved at øge dosen langsomt, kan man faktisk ende med at kunne injicere så høje doser, at de ville have dræbt dyret, hvis man havde startet med den dosis. Måden, hvorpå immunsystemet udvikler denne tolerance, er ved at de hvide blodlegemer, mere specifikt B-cellerne, begynder at producere antistoffer, som kan binde til slangetoksinerne og derved neutralisere effekterne af disse. Når immuniseringen er færdig, tapper man noget af blodet fra produktionsdyret, isolerer de hvide blodlegemer og sender de røde blodlegemer tilbage i dyret. Fra de hvide blodlegemer kan man relativt simpelt isolere antistofferne. Det er disse antistoffer, der udgør den eneste nuværende type af behandling mod slangebid; modgift. På trods af at modgift har reddet tusindvis af liv siden dens opfindelse, er der mange måder, hvorpå modgift kan forbedres. Flere af disse vil blive gennemgået senere.

Figur 16. Traditionel modgiftsproduktion

Antistoffer

Antistoffer er en ret fantastisk type af molekyler. Betegnelsen ’antistoffer’ dækker over en række forskellige molekyler, hvor det umiddelbart mest kendte er IgG molekylet (immunoglobulin G). Antistoffer er en del af det menneskelige immunsystem, mere specifikt, det adaptive immunsystem, altså den del af vores immunsystem, der udvikler sig til at bekæmpe nye trusler (såsom infektioner) gennem hele vores liv. Antistofferne produceres, som tidligere nævnt, af en type af immunceller kaldet B-celler. Antistofferne er helt specifikke for det målmolekyle (fx et toksin), de er lavet til. Et antistof virker altså kun mod én specifik fare. Hvis man inficeres med en virus/bakterie for anden gang, er antistoffer meget vigtige. De er nemlig grunden til, at man som oftest kun bliver syg første gang, man bliver inficeret med en specifik sygdom, såsom influenza eller coronavirus. I langt de fleste tilfælde bliver man kun syg anden gang, man inficeres med en specifik virus/bakterie, i de tilfælde hvor bakterien eller virussen, som inficerer én, har ændret sig så radikalt, at B-cellernes antistoffer ikke længere kan genkende den.

Antistoffer er proteinbaserede molekyler, der kan genkende og binde andre specifikke molekyler. Antistoffer har en Y-form, og målmolekylet (fx et toksin) bindes for enden af de to arme af Y’et (Figur 17).

Figur 17. Immunoglobulin G (IgG) antistof

Hvordan virker antistoffer?

Antistoffer har flere forskellige effekter i kroppen, og der er derfor flere måder, hvorpå antistoffer kan virke. Den mest simple metode er, at antistoffer kan binde molekyler eller organismer i kroppen og derved forhindre dem i at udøve deres effekter. Hvis der er tale om en infektionssygdom, kan et antistof fx specifikt binde til et protein på en virus’ overflade, som forhindrer virussen i at inficere værten. Et andet eksempel kommer fra slangebid, hvor antistofferne i modgiften virker ved at binde toksinerne i slangegiften og på den måde forhindrer dem i at udøve deres effekter. For enzymatiske toksiner sker dette ved, at antistoffet binder toksinet så det ødelægger dets aktive site, så det forhindrer toksinet i at binde til sit substrat og derved udføre den enzymatiske proces, som enzymet katalyserer. For toksiner uden enzymatisk aktivitet, fx neurotoksiner, kan antistoffer neutralisere toksinernes effekt ved at binde toksinet omkring det site, hvor toksinet ellers ville interagere med den receptor, det binder for at udøve sine toksiske effekter. Det betyder også, at ikke alle antistoffer, der kan binde til et toksin, nødvendigvis neutraliserer effekten af toksinet. Man kan nemt forestille sig antistoffer, der binder til toksiner uden at forhindre toksinet i at udføre sin toksiske virkning. Denne type af antistoffer kaldes ikke-neutraliserende antistoffer, hvorimod antistoffer, der, når de binder deres målmolekyle, forhindrer det i at udøve sin effekt, kaldes neutraliserende antistoffer (Figur 18).

Figur 18. Neutraliserende og ikke neutraliserende binding af IgG til et enzymatisk toksin.

Antistoffer kan også virke på andre måder end ved at forhindre molekyler i at udøve deres effekter. Antistoffer er en naturlig del af det menneskelige immunsystem, og der er derfor også et samspil mellem cellerne i immunsystemet og antistofferne. Fx kan antistoffer bruges til at ’rekruttere’ immunsystemets celler. Når mange antistoffer binder til fx en bakterie, signalerer det til immunsystemets celler, at de skal komme og ’spise’ bakterien. På den måde hjælper antistofferne immunsystemet med at være opmærksom på trusler i kroppen.

Opdagelse af antistoffer – Hybridomateknologi og fag display

Antistoffer er som beskrevet en vigtig gruppe af proteiner, som produceres af immunsystemet. Udover de antistoffer vi naturligt udvikler i kroppen, kan antistoffer også bruges som medicin til behandling af en række sygdomme såsom kræft og autoimmune sygdomme. Det totale marked for antistof-baseret medicin var i 2020 125.000.000.000 USD på verdensplan – det er VIRKELIG mange penge! Udviklingen af sådanne behandlinger kræver standardiserede metoder til opdagelse af disse terapeutiske antistoffer. Disse antistoffer udvikles som monoklonale antistoffer, hvilket vil sige de stammer fra den samme B-celle og derved kun genkender ét specifikt antigen, eller en defineret gruppe af antigener I det følgende afsnit vil vi beskrive to metoder, som benyttes til opdagelse af antistoffer; hybridomateknologi og fag display. Disse to teknologier er meget forskellige og har hver deres fordele og ulemper.

Hybridomateknologi

Hybridomateknologi (Figur 19) blev opfundet i 1975 og var den første metode, der blev udviklet til opdagelse af monoklonale antistoffer. Metoden består i, at man immuniserer et dyr (oftest en mus) med det molekyle/den organisme (også kaldet et antigen), man gerne vil finde antistoffer imod. Efter at man har immuniseret musen med sit antigen (lidt på samme måde, som immunisering af heste og får til produktion af modgift), isolerer man B-cellerne fra musen. Hver enkelt B-celle producerer et unikt antistof. Ud af alle disse B-celler, der hver producerer et unikt antistof, vil en andel genkende det antigen, man har immuniseret musen med, mens de resterende vil genkende andre antigener, som musen har udviklet antistoffer mod gennem sit liv. Når man har isoleret disse antistof-producerende B-celler, kan man gro dem i et laboratorie og på den måde undersøge, hvilke antistoffer, der bedst genkender ens antigen. Dog har disse B-celler en begrænset levetid, som de fleste andre celler i mennesker og mus. For derfor at kunne arbejde med og analysere de antistoffer, som B-cellerne producerer i en ubegrænset periode, smelter man B-cellerne sammen med specielle kræftceller (også kaldet myelomaceller), som kan leve evigt. Sammensmeltningsprocessen kaldes cellefusion. Når en myelomacelle og en B-celle fusioneres, kaldes de fusionerede celler for hybridomaceller, og de har karakteristika fra både B-cellen og myelomacellen. Hybridomaceller bibeholder herved den antistof-producerende funktion fra B-celler og udødeligheden fra myelomacellerne. Ved hjælp af disse celler kan man uden tidsbegrænsning undersøge de forskellige antistoffer produceret af de forskellige celler for til sidst at udvælge et antistof med præcis de egenskaber, man ønsker for sit terapeutiske antistof.

Figur 19. Overblik over hybridomateknologi

Fag display

Fag display teknologien blev opfundet efter hybridomateknologien i 1985 og opfinderne modtog i 2018 nobelprisen i kemi for denne opdagelse. Teknologien er meget anderledes end hybridomateknologi, blandt andet kræver den ikke brug af dyr. Teknologien baserer sig på en kobling mellem antistoffer og bakteriofager (også kaldet fager), som er en type virus, der kun kan inficere bakterier.

Antistoffer og fager kobles sammen ved, at et gen, der koder for et antistof, klones ind i fagens DNA i forlængelse af et af de gener, der koder for fagens overfladeproteiner (Figur 20). Denne metode hvorved DNA fra to forskellige organismer sammenkobles kaldes rekombinant DNA teknologi. På den måde opnår man at lave en fag, som bærer et gen, der koder for et antistof og samtidig fremviser dette antistof på sin yderside. I stedet for kun at gøre dette med ét antistof, laver man det vi kalder et bibliotek, altså en samling af milliarder af fager, der hver især bærer et unikt antistof på deres overflade. Antistof-generne, som bruges til at lave disse biblioteker, stammer ofte fra mennesker, der donerer en blodprøve, hvorfra man kan isolere de antistof-kodende gener fra B-cellerne.

 

Figur 20. Fremvisning af en fag, som er blevet modificeret til at vise et antistof i forlængelse af en type af overfladeproteiner

Når man har lavet et af disse fag display biblioteker kan man påbegynde arbejdet med at finde relevante antistoffer. Processen kaldes fag display selektion og bruges til at identificere de antistoffer, der genkender det antigen, man gerne vil finde antistoffer mod (Figur 21). Dette kan gøres ved at sætte antigenet fast i bunden af et specialdesignet plastikrør og så tilsætte sit fag display bibliotek. Når antistofferne har haft tid til at binde sig fast til antigenet, vasker man de antistoffer, som ikke genkendte antigenet væk. Denne proces gentages 2-3 gange indtil man har ophobet en pulje af antistoffer, som alle kan binde til ens antigen. Kombinationen af antistoffet på fagens overflade (fænotypen) og det gen, der koder for antistoffer i fagens DNA (genotype), gør at man nemt kan finde ’opskriften’ på de bedste antistoffer efterfølgende (ved hjælp af DNA sekventering). Denne ’opskrift’ kan man så klone ind i celler (bakterier, gær eller mammale celler), som derfra kan producere antistofferne.

 

Figur 21. Overblik over fag display teknologi

Arbejdsspørgsmål

1. Hvorfor er det oftest heste og får, der bruges til at producere modgift? Hvorfor ikke større dyr, elefanter eller giraffer? Hvorfor ikke lignende dyr såsom grise eller køer?

2. Forklar hvorfor blod opdeles i røde blodlegemer og plasma efter centrifugering

3. Hvilke celler smeltes sammen i hybridomateknologi og med hvilket formål?

4. Hvilken antistofopdagelses metode ville du vælge, hvis du fik til opgave at opdage et antistof mod et toksin som var utroligt farligt for mus selv ved meget lav koncentration. Begrund.

 

Svar

1. Heste og får er nogle af de største landbrugsdyr der holdes af mennesker. Alternative store dyr er grise og køer, men af religiøse grunde er det ikke hele verdens befolkning der ville bruge modgift produceret i disse dyr.

2. Blodceller er tungere end blodplasma og vil derved lande nederst i røret.

3. Myelomaceller og B-celler. For at kunne arbejde med og analysere de antistoffer, som B-cellerne producerer i en ubegrænset periode, smelter man B-cellerne sammen med kaldet myelomaceller, som kan leve evigt.

4. Fag display. Hvis man bruger hybridomateknologi skal musen immuniseres med toksinet, hvilket kan forårsage at musen dør, eller at toksinet kun kan bruges i så små mængder at musens immunforsvar ikke laver en immunreaktion mod antistoffet. Ved brug af fag display er det levende dyr taget ud af ligningen, og giftigheden af toksinet er derved ikke relevant for succesfuld antistofopdagelse.