Як працюють вакцини

Імунна система — це комплекс складних біологічних структур і процесів, що забезпечують захист організму від патогенів — вірусів, бактерій, грибів та інших чужорідних агентів. Щодня людина стикається з тисячами потенційно небезпечних мікроорганізмів, але завдяки злагодженій роботі імунітету більшість цих зустрічей залишаються непоміченими. Однак при зіткненні з новим, агресивним патогеном, організму потрібен час для формування адекватної захисної реакції, що може призвести до розвитку захворювання.

Вакцини є одним з найбільш ефективних засобів підготовки імунної системи до можливої зустрічі з небезпечними збудниками. Вони знайомлять організм з потенційною загрозою, не викликаючи самого захворювання, але дозволяючи імунній системі заздалегідь розробити стратегію захисту. Давайте детальніше розберемося з механізмами роботи імунітету, видами та принципом дії вакцин.

Як влаштований імунний захист

Людський організм має складну систему захисту від патогенних мікроорганізмів. Першу лінію захисту формують фізичні та хімічні бар’єри.

Шкіра, вкрита шаром ороговілих клітин і захисною мікрофлорою, створює непроникний щит для більшості патогенів. Слизові оболонки дихальних шляхів, травного тракту і сечостатевої системи виділяють спеціальні речовини — лізоцим, дефензини та інші антимікробні пептиди, що руйнують клітинні стінки бактерій. У дихальних шляхах особливу роль відіграють війчасті клітини і келихоподібні клітини, що виділяють слиз, який разом з коливаннями мікроворсинок виводить чужорідні частинки назовні.

Коли патогенам вдається подолати ці первинні бар’єри, в дію вступає імунна система, що складається з двох взаємопов’язаних компонентів — вродженого та набутого імунітету. Вроджений імунітет забезпечує негайний, але неспецифічний захист. Ключовими гравцями тут виступають фагоцити (нейтрофіли і макрофаги), натуральні кілери (NK-клітини) і система комплементу. Ці компоненти реагують на загальні молекулярні структури, характерні для багатьох патогенів.

Набутий (адаптивний) імунітет розвивається протягом декількох днів після зустрічі з патогеном, але забезпечує високоспецифічний захист. Центральне місце в цьому процесі займають антигени — унікальні молекулярні структури на поверхні патогенів, які розпізнаються імунною системою як чужорідні. Це можуть бути білки капсиду вірусів, компоненти бактеріальної клітинної стінки або продукти метаболізму мікроорганізмів. Кожен антиген містить кілька епітопів — специфічних ділянок, які безпосередньо зв’язуються з імунними рецепторами.

У відповідь на появу антигенів В-лімфоцити починають виробляти антитіла — Y-подібні білки (імуноглобуліни), здатні з високою точністю зв’язуватися з конкретними епітопами. Процес розпізнавання нагадує взаємодію ключа і замка: варіабельні ділянки антитіла комплементарні за формою певному епітопу антигену. Після зв’язування антитіла нейтралізують патогени декількома способами: блокують їх активні сайти, запускають каскад комплементу або маркують патогени для знищення фагоцитами.

Особливу цінність представляє формування імунологічної пам’яті. Після первинного контакту з антигеном частина В-лімфоцитів диференціюється в довгоживучі клітини пам’яті. При повторному потраплянні того ж патогену ці клітини швидко активуються, забезпечуючи більш інтенсивну та ефективну імунну відповідь. Саме тому повторні інфекції часто протікають у легшій формі або взагалі не розвиваються. Клітини пам’яті можуть зберігатися в організмі роками, а в деяких випадках — все життя, забезпечуючи тривалий захист від перенесених захворювань.

Ефективність імунної відповіді залежить від багатьох факторів, включаючи природу патогену, його вірулентність і кількість, а також стан імунної системи людини. Деякі патогени, такі як вірус грипу або ВІЛ, виробили механізми ухилення від імунної відповіді, що робить боротьбу з ними особливо складною. Розуміння цих механізмів лягло в основу розробки сучасних вакцин, які допомагають імунній системі підготуватися до можливої зустрічі з небезпечними збудниками.

Типи антитіл та їх роль в імунній відповіді

Імунна система виробляє кілька класів антитіл (імуноглобулінів), кожен з яких виконує свою функцію в захисті організму. Білкові структури розрізняються за будовою, часом появи після інфікування і локалізації в організмі, формуючи багаторівневу систему протимікробного захисту.

Імуноглобуліни класу M (IgM) — перші антитіла, що з’являються у відповідь на проникнення патогена. Ці пентамерні структури (що складаються з п’яти мономерних одиниць) починають вироблятися вже через 3-5 днів після інфікування. Їх основна функція полягає в швидкій нейтралізації чужорідних агентів і активації системи комплементу — каскаду ферментативних реакцій, що призводять до лізису мікробних клітин. Висока молекулярна маса IgM обмежує їх дифузію в тканинах, тому вони переважно циркулюють в кровоносному руслі. Поступове зниження рівня IgM через 3-4 тижні після інфікування пов’язане з природною еволюцією імунної відповіді — у міру появи більш специфічних IgG, необхідність в IgM зменшується. Однак при хронічних інфекціях або аутоімунних захворюваннях підвищений рівень IgM може зберігатися тривалий час.

Імуноглобуліни класу A (IgA) захищають слизові оболонки — основні вхідні ворота для більшості патогенів. Ці димерні антитіла секретуються в просвіт дихальних шляхів, шлунково-кишкового та урогенітального трактів, де утворюють захисний шар, що перешкоджає адгезії мікроорганізмів до епітеліальних клітин. Секреторний компонент, що приєднується до молекули IgA при проходженні через епітелій, захищає ці антитіла від руйнування протеолітичними ферментами. Особливе значення IgA мають при респіраторних інфекціях — вони нейтралізують віруси безпосередньо в місці їх проникнення, запобігаючи дисемінації збудника. Рівень IgA швидко знижується після усунення патогену, що пояснює відносну нетривалість місцевого імунітету до збудників ГРВІ.

Імуноглобуліни класу G (IgG) є основними ефекторними молекулами вторинної імунної відповіді. Вони починають вироблятися через 10-14 днів після інфікування і забезпечують довготривалий захист. Завдяки невеликому розміру вони легко проникають в міжклітинний простір і через плацентарний бар’єр, забезпечуючи пасивний імунітет плоду. IgG поділяються на чотири підкласи (IgG1-IgG4), кожен з яких має особливі властивості. IgG1 і IgG3 ефективно активують комплемент, а IgG4 виявляють протизапальну активність. Тривалість циркуляції IgG в організмі варіює залежно від типу інфекції — при кору або вітряній віспі вони можуть зберігатися десятиліттями, тоді як антитіла до вірусу грипу зникають через 6-12 місяців. Ця різниця обумовлена особливостями антигенної мінливості збудників — високому мутаційному потенціалу вірусу грипу відповідає короткий термін життя специфічних до нього IgG.

Як працює вакцина в організмі

Коли вакцина потрапляє в організм, вона запускає складну імунну відповідь. Залежно від типу препарату механізм може трохи відрізнятися, але загальний принцип зберігається.

Будь-яка вакцина містить або ослаблений патоген, його фрагменти, або генетичні інструкції для виробництва антигенів. При першій зустрічі з антигеном імунна система розпізнає його за допомогою макрофагів і дендритних клітин. Останні захоплюють «чужака» і розщеплюють його на частини.

Потім дендритні клітини мігрують в лімфовузли, де представляють антигени Т- і В-лімфоцитам. В-клітини починають виробляти антитіла, специфічні до даного патогену — спочатку IgM, потім IgG. Частина лімфоцитів перетворюється на клітини пам’яті, які зберігають інформацію про антиген. При реальній зустрічі з інфекцією вони забезпечать швидку і потужну імунну відповідь, часто запобігаючи розвитку хвороби.

Векторні вакцини доставляють ген антигену за допомогою нешкідливого вірусу, мРНК-вакцини надають інструкції для виробництва білка-мішені, а класичні препарати містять готові антигени. У будь-якому випадку результат один — тренування імунної системи без ризику справжнього захворювання.

Весь процес займає 1-3 тижні, після чого організм готовий до зустрічі з реальною загрозою.

Види вакцин і як вони створюються

Сучасні вакцини розробляються з використанням різних технологічних платформ. Кожна з них має унікальні характеристики ефективності та безпеки, ґрунтуючись на використанні цільних мікроорганізмів, що пройшли спеціальну обробку.

Живі атенуйовані (ослаблені) вакцини містять патогени, які втратили вірулентність в результаті тривалого пасивування в несприятливих умовах або спрямованих генетичних модифікацій. Прикладом служать вакцини проти кору, краснухи та епідемічного паротиту. Такі препарати викликають стійкий імунітет, максимально наближений до природної інфекції, але вимагають суворого контролю температурного режиму зберігання.

Інактивовані вакцини створюються шляхом обробки патогенів формаліном, теплом або ультрафіолетовим випромінюванням, що повністю позбавляє їх здатності до реплікації при збереженні антигенних властивостей. Вакцина Солка проти поліомієліту демонструє ефективність цього підходу, але вимагає багаторазового введення для формування стійкого імунітету.

Суб’єднані вакцини являють собою очищені антигени мікроорганізмів, такі як поверхневий білок вірусу гепатиту В (HBsAg) або полісахариди пневмокока. Ці препарати відрізняються мінімальною реактогенністю, але можуть вимагати застосування ад’ювантів для посилення імунної відповіді. Їх ефективність досягає 85-95% при правильній схемі введення.

Векторні вакцинні платформи (AstraZeneca) — справжній прорив в імунології. В основі технології лежить використання безпечних вірусних векторів (найчастіше аденовірусів), в геном яких вбудовані гени, що кодують антигени патогена. Безпека забезпечується видаленням генів, відповідальних за розмноження вектора, при збереженні його здатності проникати в клітини. Клінічні дослідження демонструють їх ефективність на рівні 70-92% проти різних штамів SARS-CoV-2, з формуванням як гуморального, так і клітинного імунітету.

мРНК-вакцини (Pfizer/BioNTech, Moderna) також пропонують новий підхід до створення вакцин. Лібосомальні наночастинки доставляють в цитоплазму клітин матричну РНК, що кодує цільовий антиген (наприклад, spike-білок коронавірусу). Рибосоми транслюють цю мРНК в білок, який потім презентується імунній системі. Важливо відзначити, що синтетична мРНК не проникає в ядро клітини і не взаємодіє з геномом, повністю руйнуючись через 24-48 годин після виконання своєї функції. Стабілізація молекули досягається за рахунок модифікації нуклеозидів і оптимізації кодонів. Ці препарати показали виняткову ефективність (94-95%) у профілактиці важких форм COVID-19, а також здатність швидко адаптуватися до нових варіантів вірусу.

Пептидні вакцини (ЕпіВакКорона) містять штучно синтезовані фрагменти вірусних білків, відібрані як найбільш імуногенні епітопи. Ці короткі амінокислотні послідовності (20-30 залишків) відтворюють ключові ділянки антигенів, але позбавлені побічних компонентів цільного вірусу. У разі коронавірусної вакцини використовуються три пептиди, що відповідають консервативним ділянкам S-білка. Для посилення імуногенності пептиди кон’югують з білком-носієм і адсорбують на алюміній-вмісному ад’юванті. Їх ефективність дещо нижча (близько 70-80%), але вони відрізняються вкрай низькою реактогенністю і можуть застосовуватися у пацієнтів з різними супутніми захворюваннями.

Ад’юванти (гідроксид алюмінію, скваленові емульсії, ліпідні комплекси) виконують кілька критичних функцій:

• продовжують вивільнення антигену в місці введення;
• активують вроджений імунітет через Toll-подібні рецептори;
• посилюють презентацію антигену дендритними клітинами;
• сприяють формуванню імунологічної пам’яті.

Стабілізатори (сахароза, поліетиленгліколь, людський альбумін) запобігають деградації активних компонентів під час зберігання. Особливе значення вони набувають для мРНК-вакцин, де навіть незначні температурні коливання можуть призвести до руйнування ліпідних наночастинок. Сучасні технології кріопротекції дозволяють збільшити термін придатності деяких препаратів до 18 місяців при -20°C.

Як перевірити ефективність вакцинації?

Аналіз антитільної відповіді є стандартним методом оцінки поствакцинального імунітету. Після введення вакцини динаміка вироблення антитіл проходить кілька стадій.

Імуноглобуліни класу M (IgM) з’являються першими — їх рівень можна визначити через 7-10 днів після вакцинації, досягаючи піку на 2-3 тижні.

Однак для більшості вакцин більш інформативним показником є імуноглобуліни класу G (IgG), які починають виявлятися через 14-21 день і досягають максимальної концентрації до 4-6 тижня.

Для різних інфекцій встановлені свої захисні рівні антитіл: наприклад, для правця це 0,1 МО/мл, для гепатиту В — 10 мМО/мл, а для кору — 120 мМО/мл. У випадку COVID-19 точні захисні титри поки не визначені, але більшість експертів вважають рівень IgG >50 BAU/ml (Binding Antibody Units) достатнім для захисту.

Що впливає на ефективність вакцинації?

Фактори, що впливають на ефективність вакцинації, включають різні фізіологічні та патологічні стани. З віком розвивається імуносенсценція — природне старіння імунної системи, що призводить до зниження реакції на вакцини. У людей старше 65 років титри поствакцинальних антитіл можуть бути в 5-10 разів нижчими, ніж у молодих. Хронічні захворювання (діабет, ниркова недостатність, аутоімунні патології) та імунодефіцитні стани (ВІЛ, онкогематологічні захворювання) також істотно знижують імуногенність вакцин. Особливу групу ризику становлять пацієнти, які отримують імуносупресивну терапію — у них вироблення захисного імунітету може бути повністю відсутнім.

Генетичні особливості також відіграють роль — поліморфізми генів HLA-системи визначають інтенсивність імунної відповіді. Наприклад, носії HLA-DRB1*01 гірше реагують на вакцину проти гепатиту В. Додатковими факторами є спосіб життя (куріння, зловживання алкоголем), нутритивний статус (дефіцит цинку, вітаміну D) і навіть час доби проведення вакцинації (ранкові години кращі для вироблення антитіл).

Для комплексної оцінки ефективності вакцинації ВООЗ рекомендує враховувати як лабораторні показники (рівень специфічних антитіл), так і клінічні дані (захворюваність у вакцинованій популяції). У разі виявлення недостатньої імунної відповіді розглядається можливість ревакцинації (у тому числі з використанням іншої вакцинної платформи) або пасивної імунізації специфічними імуноглобулінами.

Міфи та факти про вакцини

Міф 1. «Вакцини змінюють ДНК»

Це неможливо. Генетичний матеріал людини зберігається в ядрі клітини у формі ДНК. Сучасні вакцини (включаючи мРНК і векторні) не проникають в ядро і не взаємодіють з ДНК.

Міф 2. «Щеплення викликають аутоімунні захворювання»

Численні дослідження спростовують цей зв’язок. Рідкісні випадки (наприклад, синдром Гієна-Барре після вакцини від грипу) зустрічаються з частотою 1–2 на 1 млн доз, що в 10 разів рідше, ніж після перенесеної інфекції. Вакцини містять тільки специфічні антигени, не здатні запускати системну аутоімунну відповідь. Для розвитку аутоімунітету потрібна генетична схильність + тригер (наприклад, реальна інфекція).

Міф 3. «Вакцини викликають аутизм»

Цей міф з’явився в 1998 році через фальсифіковані дослідження Ендрю Вейкфілда, які пізніше були відкликані. Масштабні дослідження (включаючи аналіз даних понад 1,2 млн дітей) не виявили зв’язку між вакцинацією та аутизмом. Наприклад, данське дослідження 2019 року (Annals of Internal Medicine) підтвердило відсутність такого зв’язку навіть у дітей з групи ризику.

Міф 4. «У вакцинах є ртуть, алюміній та інші отрути»

Тіомерсал (сполука ртуті) раніше використовувався як консервант, але вже 20 років його немає в дитячих вакцинах (крім деяких багатодозових флаконів). Навіть тоді його кількість у вакцині була в 10 разів менше, ніж у банці тунця. Алюміній (ад’ювант) міститься в мікрограмах — за день ми отримуємо його в 10 разів більше з їжею і водою.

Міф 5. «Чи дійсно індійські вакцини небезпечні?»

Індійські вакцини виробляються за міжнародними стандартами GMP і проходять ті ж етапи перевірки, що і західні аналоги.

Джерела

1. Explaining How Vaccines Work, https://www.cdc.gov/vaccines/basics/explaining-how-vaccines-work.html  
2. Vaccine Basics, https://www.cdc.gov/vaccines/basics/index.html  
3. How vaccines work, https://www.who.int/europe/news-room/fact-sheets/item/how-vaccines-work
4. Vaccines and immunization: What is vaccination?, https://www.who.int/news-room/questions-and-answers/item/vaccines-and-immunization-what-is-vaccination  
5. Vaccines Protect You — how vaccines work, https://www.hhs.gov/immunization/basics/work/prevention/index.html
6. Як формується імунітет після вакцинації, https://dn.cdc.gov.ua/article/yak-formuyetsya-imunitet-pislya-vaktsynatsiyi/