Консервирование вирусных вакцин без охлаждения
Вирусы в вакцинах, которые обучают наши клетки выявлять и побеждать вирусных захватчиков, должны храниться в холоде, чтобы они не распались. Типичная температура транспортировки вакцин составляет от 2 до 8 градусов по Цельсию (от 35 до 47 градусов по Фаренгейту).
Вирусы хранятся в холоде по той же причине, по которой мы охлаждаем продукты. «Вы бы не взяли стейк и не оставили его на столе на какое-то время, а затем съели его», – сказала Кэрин Хелдт, директор Научно-исследовательского института здравоохранения Мичиганского технологического университета и профессор химической инженерии. «Стейк имеет те же проблемы со стабильностью – в нем есть белки, жиры и другие молекулы, которые, чтобы поддерживать их стабильность, нам нужно держать их в холоде.»
Как и белки, вирусы разворачиваются, когда жарко или есть место для перемещения. Тепло дает вирусам энергию, чтобы развалиться на части, а отсутствие тесноты дает им возможность развалиться. Стабильные вакцины требуют холода или тесноты.
Но что, если холодное хранилище недоступно? Что делать, если кто-то случайно оставит посылку на прилавке?
Что, если отключится электричество?
Хелдт вместе с Сарой Перри, профессором химической инженерии Массачусетского университета в Амхерсте, разработали способ имитации окружающей среды в вакцинах, используя процесс, называемый комплексной коацервацией. Вместо того, чтобы полагаться на охлаждение, Перри и Хелдт используют другой метод сохранения устойчивости вирусов – скопление вирусов.
Морозильный лагерь
Чтобы вирусы в вакцинах оставались стабильными, все участники цепочки поставок, от производственного предприятия до транспортной компании и кабинета врача, должны поддерживать низкую температуру. Эти совместные усилия известны как холодовая цепь. Если вакцина хранится при температуре выше этого диапазона даже в течение часа, она может испортиться и стать непригодной для использования.
По оценкам Всемирной организации здравоохранения, до 50% вакцин выбрасываются ежегодно, потому что невозможно поддерживать холодовую цепь и идеальную температуру для хранения.
Человеческое тело – людное место. Клетки разных форм и размеров стремятся к положению. Сюда входят вирусы, которые делают свою гнусную работу путем враждебного захвата.
Вирусы вторгаются в наши клетки, заставляя их воспроизводиться. Если флажок не установлен, копии вирусов вылетают из клеток, как дротики через воздушный шар. Затем все эти реплики идут и делают то же самое с другими клетками – и, прежде чем вы это заметите, вы заболеете.
Heldt изучает технологии производства вакцин, и пандемия COVID-19 послужила мастер-классом. Но SARS-CoV-2 – не единственный вирус в мире – все еще нужны другие вакцины и методы хранения, которые не зависят от охлаждения.
«Условия для вакцины, которые позволяют вводить ее в чей-то организм, почти противоположны тем, которые делают вирус стабильным», – сказал Хелдт. «Существует действительно сложный компромисс между поддержанием стабильности вируса для получения хорошего иммунного ответа при наличии в вакцине правильных компонентов, которые можно безопасно вводить.»
Вирусные буррито
Хелдт и Перри используют полипептиды – синтетические белки, которые имеют положительный или отрицательный заряд. Когда эти заряженные пептиды помещаются в раствор, они слипаются и образуют отдельную жидкую фазу, процесс, называемый комплексной коацервацией.
Жидкость обволакивает вирусные капсиды, удерживая вирусный материал вместе, как лепешку буррито.
«Коацерватные материалы – это то, что мы действительно постоянно видим в нашей повседневной жизни», – сказал Перри. «Многие шампуни подвергаются коацервации. Когда вы наносите шампунь на влажные волосы, вода, которая присутствует, разбавляет шампунь, заставляя его разделиться по фазе и облегчая удаление грязи и жира с ваших волос.»
Комплексная коацервация работает для вирусов без оболочки, которые не имеют вокруг себя липидного или жирового слоя.
Вирусы без оболочки включают полиомиелит, риновирус (вызывающий простуду) и гепатит А.
Следующие шаги
В марте 2020 года Хелдт и Перри получили грант на исследования в области развития в размере 400000 долларов от Национального института здравоохранения (NIH) для продолжения своих исследований до начала 2022 года, которые включают изучение способов снижения концентрации соли (используемой в вакцине для разрушения фазы коацервата, когда она вводится путем изменения пептидных последовательностей). Кроме того, инженеры-химики работают над способами применения сложной коацервации к вирусам с оболочкой, таким как SARS-CoV-2, которые требуют баланса плотности и компартментализации в липидном слое в отличие от вирусов без оболочки.
«Заглядывая вперед, мы хотим больше думать о конкретных материалах, которые мы используем в наших коацерватах», – сказал Перри. «Само по себе краудинг не является универсальной стратегией повышения стабильности вирусов. Нам нужно понять, как различные полимеры взаимодействуют с нашими вирусами и как мы можем использовать это для создания набора инструментов, который можно применять для решения будущих задач.»
По мере того, как шкала тако при хранении вакцин расширяется, исследования показывают, что природные белки улучшают наши вакцины и делают их более доступными во всем мире, в охлажденном виде или без него.
«Самое замечательное в этих аминокислотах то, что они являются теми же строительными блоками, что и в нашем организме», – сказал Хельдт. «Мы не добавляем к вакцинам ничего, что еще не известно о безопасности.»
Решение загадки холодного хранения обещает улучшить доступ к вакцинации против вирусов. Обход холодовой цепи с помощью полипептидов и инновационной химической инженерии способствует улучшению здравоохранения и сокращению количества случаев неотложной медицинской помощи во всем мире.
