THE ROLE OF PROTEINS OF STREPTOCOCCUS PNEUMONIAE IN THE DEVELOPMENT OF SEROTYPE-INDEPENDENT PNEUMOCOCCAL VACCINES

Full Text

Проблема пневмококковых инфекций в последние десятилетия остается ак-
туальной для России и мира. Streptococcus pneumoniae способен вызывать как
локальные формы (отит), так и тяжелые инвазивные формы (пневмония, менин-
гит, сепсис) заболеваний. Группами риска являются дети младше 2 лет, пожилые
людей старше 65 лет, лица с иммунодефицитными состояниями, больные хрони-
ческой обструктивной болезнью легких, пациенты после спленэктомии [1].
Несмотря на успех применения современных вакцин на основе капсульных анти-
генов пневмококка [36], проблема пневмококковых инфекций по-прежнему
стоит остро из-за явления замещения серотипов и появления антибиотикоустой-
чивых штаммов [11].
В настоящее время официально зарегистрированы два принципиально разных
типа вакцин, способных предотвратить развитие инфекций, вызван ных пневмо-
кокком. Это поливалентная полисахаридная вакцин «Пневмо-23» и конъюгиро-
ванные вакцины, в которых капсульные полисахариды связаны с дифтерийным,
столбнячным анатоксинами или D-протеином гемофильной палочки [2]. Несмотря
на иммуногенность и безопасность полисахаридных вакцин, исследователи от-
мечают низкую эффективность в старших возраст ных группах [18], неспособность
обеспечить иммунитет слизистых и нестойкий иммунитет у детей до 2 лет [37].
Конъюгированные вакцины эффективны в группах риска [32], однако количество
серотипов, от которых защищает вакцина, ограничено, и следовательно, усили-
вается колонизация слизистой носоглотки невакцинными серотипами S.
pneumoniae [11]. Также повышается частота колонизации носоглотки другими
патогенами, такими как Staphylo coccus aureus и Haemophilus influenzae, а также
другими стрептококками и анаэробной флорой [5].
Вышеперечисленные ограничения современных пневмококковых вакцин за-
ставляют задуматься о необходимости разработки серотипнезависимой вакцины,
которая обеспечивала бы защиту от подавляющего большинства серотипов S.
pneumoniae. На роль протективного антигена подходят белки S. pneumoniae,
имеющие высокую степень гомологии внутри вида. Разработка нового поколения
экспериментальных пневмококковых вакцин основана на использовании реком-
бинантных белков и рекомбинантных штаммов S.pneumoniae и ведется в несколь-
ких направлениях 1) конъюгация рекомбинантных белков с капсульными поли-
сахаридами; 2) один рекомбинантный белок или сочетание нескольких
рекомбинантных белков; 3)рекомбинантные гибридные белки пневмококка; 4)
цельноклеточная рекомбинантная убитая вакцина со сниженным уровнем экс-
прессии капсулы [11].
Рассмотрим более подробно возможные белки-кандидаты для создания серо-
типнезависимой вакцины от S. pneumoniae.
Пневмолизин (Pneumolysin, Ply). Пневмолизин является внутриклеточным бел-
ком пневмококка. Известно, что все клинические изоляты пневмококка синте-
зируют пневмолизины, мало отличающиеся по аминокислотной последователь-
ности, что делает пневмолизин весьма перспективным кандидатом для создания
серотипнезависимой вакцины [37]. В основном пневмолизин не секретируется
пневмококком во внешнюю среду, а белок покидает клетку после лизиса, но есть
данные о расположении пневмолизина в клеточной стенке, а также о частичной
секреции пневмолизина во внешнюю среду [38]. В высоких концентрациях пнев-
молизин образует поры в клетках млекопитающих, индуцируя гибель клетки [4].
В более низких концентрациях пневмолизин обладает несколькими эффектами:
угнетает сокращение ресничек дыхательного эпителия, снижает бактерицидную
активность и миграцию нейтрофилов, угнетает пролиферацию лимфоцитов и
синтез антител [4]. Хотя нативный пневмолизин не может быть непосредственно
включен в состав новой вакцины из-за своей токсичности, существует возмож-
ность модификации его структуры с целью снижения токсичности путем направ-
ленного мутагенеза [27].
Иммуногенность и протективный эффект пневмолизина и его нетоксич ных
мутантов были оценены на различных животных моделях: нативный белок вы-
зывал задержку гибели мышей после интраперитонеального заражения [28],
тогда как пневмолизоиды защищали мышей от нескольких серотипов пневмо-
кокка (60 — 85% выживаемость) в модели пневмонии и сепсиса [3].
Поверхностный белок А (Pneumococcal surface protein, PspA). Поверхностный
пневмококковый белок А — это холин-связывающий белок, который затрудняет
фиксацию компонента комплемента С3 на поверхности клеточной стенки бакте-
рии, а также защищает бактерию от лактоферрина [8]. В структуре PspA выделяют
3 домена. По различиям в N-концевой последовательности белка выделяют 3
семейства и 6 клэйдов [22]. Согласно данным, полученным при секвенировании,
существует гомология между поверхностным белком А и сердечным миозином
человека, поэтому в целях безопасности в настоящее время ведутся исследования
с участками PspA, негомологичными миозину [13].
В опыте на мышах продемонстрирована защита (до 100%) при иммунизации
PspA и заражении штаммом, содержащим PspA из одного «семейства» [9, 33].
Получены гибридные белки PspA разных клэйдов: PspA3+2, PspA2+4, PspA2+5.
Иммунизация мышей подкожно вариантом PspA3+2 обеспечила высокую вы-
живаемость(60 — 100%) животных при интраназальном инфицировании штам-
мами с вариантами PspA клэйдов 1-5 по сравнению с контрольной группой жи-
вотных и по сравнению с группами, иммунизированными вариантами PspA2+4
и PspA2+5 соответственно [30].
Поверхностный белок С (Pneumococcal surface protein C, PspC). По своей струк-
туре PspC похож на поверхностный белок А и имеет в своей структуре холин-
связывающий домен [8]. Поверхностный белок С связывается с секреторным IgA
и фактором H, регулирующим активность системы комплемента. Cвязывание с
фактором Н предотвращает отложение С3 на бактериальной стенке [10].
Поверхностный белок С отличается вариабельностью, выделяют 11 аллельных
вариантов [17]. Эта особенность может отразиться на спектре защиты при имму-
низации белком PspC.
В структуре PspC, также как и в структуре PspA, есть богатый пролином участок
(proline rich region, PRR). В структуре PRR PspC и PspA есть довольно консерва-
тивный безпролиновый блок (NPB), состоящий из 33 аминокислотных остатков.
Иммунизация рекомбинантными PR-молекулами и молекулами NPB показали
протективный эффект (выживаемость 80%) против пневмококковой инфекции
на модели сепсиса у мышей [7].
Холин-связывающий белок А (Pneumococcal choline-binding protein A, PcpA). По
данным Selva L. et al. [35], более 90% штаммов пневмококка синтезируют поверх-
ностный белок А. Судя по структуре (наличие LRR, lipid rich region), играет роль
в адгезии пневмококка. Экспрессия этого белка регулируется концентрацией
ионов марганца. Уровень экспрессии белка выше во время острого заболевания
и значительно снижается в условиях колонизации слизистой носоглотки, где
концентрация ионов марганца выше [8].
В опытах на мышах подкожная иммунизация PcpA способствовала отсрочен-
ной гибели в модели сепсиса [14]. Также было продемонстрировано, что челове-
ческие антитела к PcpA препятствовали бактериальной адгезии к легочному
эпителию и эпителию носоглотки в культуре клеток [21].
Белки полигистидиновой триады (Polyhistidine triad, Phts). Семейство поверх-
ностных белков, отличающихся высокой консервативностью. Выделяют белки
PhtA, PhtB, PhtD, PhtE. Белки PhtD и PhtE относятся к адгезинам, способствуют
колонизации эпителия дыхательных путей [20]. Ингибируют отложение компле-
мента на клеточной стенке, связывают ионы цинка [31].
Белки полигистидиновой триады при внутримышечной иммунизации защи-
щали мышей от разных серотипов пневмококка в модели пневмонии (выживае-
мость 60%), назофарингеальной и легочной колонизации [15]. Антитела к Phts
способны пассивно защищать мышей (60% выживаемость) при летальном интра-
назальном заражении [15].
Поверхностный антиген А (Pneumococcal surface antigen, PsaA). Липопротеин,
ответственный за адгезию и колонизацию путем связывания с Е-кадгерином.
Относится к поверхностным антигенам, обладает транспортной активностью,
способен связывать ионы металлов (марганца), повышает устойчивость пневмо-
кокка к оксидативному стрессу [8].
Антитела к PsaA нарушают адгезию пневмококка к эпителию носоглотки че-
ловека в культуре клеток [34]. Подкожная иммунизация поверхностным анти -
геном А предотвращала колонизацию S.pneumoniae [19].
Белки пилей (RrgA, RrgB, RrgC). Белок RrgB образует остов структуры пилей, а
RrgA и RrgC являются дополнительными белками, расположенными соответствен-
но снаружи и внутри клетки. RrgA — белок-адгезин, участвующий в образовании
биопленки. RrgB существует в трех различных вариантах. Пили присутствуют не
более чем у одной трети от всех тестированных штаммов пневмококка [8].
Иммунизация белком RrgB защищала мышей при заражении летальными до-
зами. Так как RrgB существует в виде трех структурных вариантов, между которы-
ми не существует перекрестной активности, был создан RrgB321, в структуре
которого содержатся все 3 варианта. При интраперитонеальной иммунизации
RrgB321 вызывал выработку антител против всех трех вариантов RrgB и защищал
(до 70% в зависимости от штамма) мышей в модели пневмококкового сепсиса,
вызванного серотипами, имеющими пили (PI-1) [16].
Сериновая/треониновая протеинкиназа (Serin/threonine proteinkinase, StrkP)и
белок, необходимый для репарации клеточной стенки (Sell wall separation protein of
group B, PcsB). Сериновая/треониновая протеинкиназа является высококонсер-
вативным белком, участвующим в регуляции многих процессов бактериальной
клетки: экспрессия генов, захват ионов железа, репарация ДНК, биосинтез пи-
римидинов, метаболизм клеточной стенки [8].
Белок PcsB функционально представляет собой гидралазу, участвует в репара-
ции клеточной стенки. Расположен поверхностно и соответственно доступен для
действия протективных антител [26].
В серии исследований на животных StrkP и PcsB показали перекрестную за-
щиту в модели сепсиса (60% выживаемость) и пневмонии. Вышеназванные белки
защищали мышей от пневмококковой инфекции при интраперито неальном и
интраназальном заражении летальными дозами различных серотипов S. pneumoniae
[12].
Нейраминидазы (Neuraminidase, Nan). Пневмококк синтезирует два типа ней-
раминидаз: NanA и NanB. NanA необходима для успешной колонизации слизи-
стых, тогда как NanB вносит свой вклад в выживание пневмококка в крови [25].
Функциональное действие: отщепление остатка сиаловой кислоты от глико-
конъюгатов, экспозиция «рецепторов» для пневмококка [23]. Протективный
эффект NanА показан в модели колонизации и отита у шиншил [24].
ABC-транспортеры (Pneumococcal iron uptake PiuA, Pia). PiuA, PiaA являются
компонентами системы захвата ионов железа. По структуре они относятся к ли-
попротеинам, расположены в клеточной стенке. По данным анализа с помощью
ПЦР, эти липопротеины присутствуют у всех штаммов пневмококка, а также
имеют значительное структурное сходство с поверхностными рецепторами за-
хвата железа других организмов [8].
Интраперитонеальная иммунизация мышей PiuA и PiаA как совместно, так и
по отдельности обеспечивала защиту от системной инфекции S. pneumoniae (вы-
живаемость 80, 52 и 39% соответственно) [6]. Антитела к этим белкам обладают
перекрестной активностью между собой, а также взаимодействуют с PiuA и PiаA
разных штаммов пневмококка [6].
Аутолизины (Autolysine, LytA, LytC). У пневмококка открыто два типа аутоли-
зинов: LytA (амидаза) и LytC (мурамидаза) [29]. Аутолизин LytA отвечает за кле-
точный аутолиз, благодаря которому осуществляется высвобождение токсичных
веществ, таких как пневмолизин или продукты деградации клеточной стенки, что
способствует нарушению эпителиального и эндотелиального барьера и позволя-
ет пневмококку выйти в кровеносное русло. Пневмококк защищен от литической
активности LytA во время экспоненциальной фазы роста и становится восприим-
чив во время стационарной фазы, однако механизмы, регулирующие аутолиз, до
конца не ясны [29].
Полученные рекомбинантные образцы LytA в опыте на мышах продемон-
стрировали при интраназальном заражении мышей выработку сывороточных
IgG и IgA, а также выработку секреторных IgA. Мыши, иммунизированные
интраназально рекомбинантным LytA штамма SH137 (серотип 23F), показали
высокую выживаемость (75, 65, 62,5 и 60 %) при интраперитонеальном зараже-
нии штаммами серотипов 19F, 14, 6A и 6B соответственно [39].
В настоящее время многие вакцины против пневмококка на основе рекомби-
нантных белков находятся уже на разных стадиях клинических испытаний. «Sanofi-
Pasteur» успешно провел I фазу клинических испытаний сразу нескольких
вариантов потенциальных вакцин: моновалентной PlyD1; ком бинированной
PcpA+PhtD; комбинированной PcpA+PhtD+dPly [11]. «GlaxoSmithKline
Biologicals» сообщили о завершении I фазы для своей вакцины, содержащей про-
теин D, dPly и PhtD. Моновалентная вакцина «GlaxoSmithKline Vaccines» на
основе PhtD прошла I и II фазы клинических испытаний. Все указанные выше
вакцины характеризуются как препараты с широкой защитой от многих серотипов
пневмококка. Однако на данный момент не выработано четких критериев, по
которым можно оценить эффективность этого типа вакцин [32].

About the authors

E. S. Petukhova

Mechnikov Research Institute of Vaccines and Sera

Author for correspondence.
Email: fake@neicon.ru
Moscow Russian Federation

D. S. Vorobyev

Sechenov First Moscow State Medical University

Email: fake@neicon.ru
Moscow Russian Federation

I. B. Semenova

Mechnikov Research Institute of Vaccines and Sera

Email: fake@neicon.ru
Moscow Russian Federation

References

Supplementary files