واکسن شناسی معکوس: تعریف، اصول، روش‌ها و موارد استفاده

فهرست مطالب نمایش

واکسن شناسی معکوس چیست؟

واکسن شناسی معکوس یک تکنیک جدید در توسعه واکسن است که در آن از فناوری‌های محاسباتی برای یافتن اهداف احتمالی واکسن در ژنوم‌های (Genome) پاتوژن استفاده می‌شود.

این تکنیک، طراحی واکسن را متحول کرده و منجر به کشف واکسیناسیون‌های قوی علیه طیف وسیعی از بیماری‌های عفونی شده است. ما در این گفتار به بررسی واکسن شناسی معکوس از جمله تاریخچه، اصول، روش شناسی و کاربردهای آن خواهیم پرداخت.

اصول واکسن شناسی معکوس

این امر مستلزم شناسایی اهداف احتمالی واکسن از ژنوم‌های پاتوژن با استفاده از روش‌های محاسباتی است. فرض اصلی این است که پروتئین‌هایی را کشف کنیم که برای بقای پاتوژن یا بیماری‌زایی لازم هستند و همچنین در سطح پاتوژن وجود دارند. سپس واکسن‌ها می‌توانند این پروتئین‌ها را هدف قرار دهند تا یک پاسخ ایمنی که در از بدن در برابر بیماری محافظت می‌کند، ایجاد کنند.

تاریخچه واکسن شناسی معکوس

واکسیناسیون یک عمل پزشکی باستانی است که اولین گزارش‌ها در رابطه با استفاده از این روش درمانی از مناطق آسیایی بوده است، جایی که از ضایعات آبله به عنوان ماده تزریقی برای محافظت در برابر عفونت‌ها و بیماری‌های جدی مورد استفاده قرار می‌گرفت.
سپس Edward Jenner در سال 1796، اصطلاح “واکسن” (Vaccine) را برای انتقال مواد تزریقی از گاوها به افراد مبتلا به آبله ابداع کرد.
Louis Pasteur، در کشف عفونت‌های ناشی از میکروارگانیسم‌ها در دهه 1800، پایه‌ای را برای فرآیند توسعه منطقی واکسن و یک قانون اساسی برای واکسن‌شناسی ایجاد کرد که بیان می‌کند برای ساخت واکسن علیه عامل بیماری، «میکروارگانیسم را جدا، غیرفعال و تزریق کنید».
در پایان قرن بیستم، همه واکسن‌ها با پیروی از قانون واکسن ‌شناسی Pasteur ساخته شدند.
اما با توسعه فناوری‌های جدید، مانند کونژوگاسیون (Conjugation) شیمیایی پروتئین‌ها با مولکول‌های زیستی (Biomolecule) دیگر مانند پلی‌ساکاریدها و DNA نوترکیب، توسعه واکسن پیشرفت بیشتری کرد.
و زمانی که Craig Venter «ژنوم» اولین ارگانیسم زنده آزاد را استخراج کرد، تحولی در پیشرفت توسعه واکسن ایجاد شد.
با کمک ابزارهای محاسباتی، دانشمندان توانستند با تجزیه و تحلیل ژنوم یک میکروارگانیسم خاص بدون نیاز به رشد در محیط‌های کشت آزمایشگاهی، واکسن‌هایی را طراحی کنند.
اولین پاتوژنی که برای روش واکسن شناسی معکوس مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت، “Men B” (مننگوکوک (Meningococcus)، یک پاتوژن باکتریایی مسئول 50٪ مننژیت مننگوکوکی (Meningococcal meningitis) در سراسر جهان) بود.
واکسن‌های ضد باکتری استرپتوکوک (Streptococcus) که از طریق واکسینولوژی معکوس ابداع شده‌اند، حاوی چهار پروتئین هستند که می‌توانند در برابر پاتوژن برای همه گروه‌های خونی، ایمن‌سازی کنند.
و همانطور که این رویکرد بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد، واکسن‌های بیشتری علیه پاتوژن‌های مضر ابداع می‌شود. این رویکرد همچنین می‌تواند به مبارزه با ماهیت تکاملی سریع مربوط به مقاومت دارویی پاتوژن کمک کند.

روش‌ها و کاربرد

واکسن شناسی معکوس یک رویکرد مدرن برای توسعه واکسن است که شامل استفاده از ابزارهای محاسباتی برای شناسایی اهداف بالقوه واکسن در ژنوم‌های پاتوژن است. این تکنیک، شیوه طراحی واکسن‌ها را متحول کرده است و منجر به توسعه واکسن‌های موثر علیه طیف وسیعی از بیماری‌های عفونی شده است. در این‌جا روش‌ها و کاربردهای واکسینولوژی معکوس را بررسی خواهیم کرد.

روش‌های واکسیناسیون معکوس

روش‌های مورد استفاده در واکسن شناسی معکوس معمولاً شامل ترکیبی از بیوانفورماتیک (Bioinformatics)، ژنومیک (Genomics)، پروتئومیکس (Proteomics) و ایمونولوژی (Immunology) است. این فرآیند معمولاً شامل مراحل زیر است:

تعیین توالی ژنوم پاتوژن: اولین مرحله در واکسن شناسی معکوس، تعیین توالی ژنوم پاتوژن است. این امر با روش‌های توالی‌یابی نسل جدید (Next-generation sequencing) امکان‌پذیر است.
آنالیز توالی ژنوم: سپس توالی ژنوم با استفاده از تکنیک‌های بیوانفورماتیک برای یافتن ژن‌های دخیل در واگیری، بیماری‌زایی یا سایر فرآیندهای بیولوژیکی کلیدی مورد مطالعه قرار می‌گیرد. روش‌ها و ابزارهای نرم‌افزاری مختلفی در این مرحله برای پیش‌بینی موضعی‌سازی پروتئین، شناسایی دامنه‌ها و ارزیابی ایمنی‌زایی احتمالی استفاده می‌شود.
آنالیز پروتئومیکس: سپس ژن‌های انتخاب شده با سرعت عمل کرده و پروتئین‌های حاصل با استفاده از تکنیک‌های پروتئومیکس برای شناسایی پروتئین‌های روی سطح پاتوژن مورد بررسی قرار می‌گیرند. در این مرحله از ابزارهایی مانند طیف‌سنجی جرمی (Mass spectrometry)، الکتروفورز دو بعدی (2D electrophoresis) و ریزآرایه‌های پروتئینی (Protein microarray) استفاده می‌شود.
اعتبارسنجی ایمونولوژیک: پروتئین‌های شناسایی شده سپس از نظر توانایی خود برای تحریک پاسخ ایمنی در حیوانات یا انسان‌ها آزمایش می‌شوند. این کار معمولاً شامل استفاده از مدل‌های جانوری یا سنجش‌های آزمایشگاهی مانند الایزا (ELISA)، وسترن بلات (Western blot) و فلوسیتومتری (Flow cytometry) است. هدف این مرحله تایید ایمنی‌زایی و پتانسیل محافظتی اهداف شناسایی شده است.

نمودار شماتیک فرآیند واکسن شناسی معکوس. ساختار سلول لپتوسپیرال (Leptospiral) و پروتئین‌های مرتبط نشان داده شده است. مروری بر فرآیند RV: (1) انتخاب پروتئین از توالی ژنوم. (2) تولید واکسن‌های زیر واحد نوترکیب. و (3) ارزیابی کاندیدهای RV: پاسخ‌های هومورال (Humoral) و سلولی مرتبط با پروتئین و محافظت در برابر چالش کشنده LPS (لیپوپلی‌ساکارید (Lipopolysaccharide))

کاربردهای واکسن شناسی معکوس

واکسن شناسی معکوس برای تولید واکسن علیه طیف وسیعی از بیماری‌های عفونی از جمله عفونت‌های باکتریایی، ویروسی و انگلی استفاده شده است. برخی از نمونه‌ها از واکسن‌هایی که با استفاده از واکسن‌شناسی معکوس ساخته شده‌اند عبارتند از:

Bexsero واکسنی است که از بدن در برابر نایسریا مننژیتیدیس (Neisseria meningitidis) محافظت می‌کند. Bexsero اولین واکسنی بود که با استفاده از واکسن‌شناسی معکوس طراحی شد و این واکسن پروتئین‌های سطح باکتری که در معرض آن قرار می‌گیرند، را هدف قرار می‌دهد.
Prevnar 13 یک واکسن برای استرپتوکوک پنومونی (Streptococcus pneumonia) است. Prevnar 13 پروتئین‌های دخیل در رشد کپسول‌های باکتریایی که یک عامل بیماری‌زایی اصلی است را هدف قرار می‌دهد.
Shingrix یک واکسن برای هرپس زوستر (Herpes zoster) است. Shingrix گلیکوپروتئین‌های (Glycoprotein) روی سطح ویروس را هدف قرار می‌دهد.
Mosquirix یک واکسن برای مالاریا است که در برابر پلاسمودیوم فالسیپاروم (Plasmodium falciparum)، انگلی که باعث مالاریا می‌شود، از بدن محافظت می‌کند. Mosquirix پروتئین‌های سطحی که در معرض آن هستند را در مرحله اسپروزوئیت (Sporozoite) انگل مورد هدف قرار می‌دهد.
واکسن‌هایی در برابر بیماری‌های عفونی نوظهور مانند COVID-19 نیز با استفاده از واکسن شناسی معکوس ساخته شده‌اند. این تکنیک محققان را قادر می‌سازد تا به سرعت اهداف احتمالی واکسن برای ویروس SARS-CoV-2 را کشف کنند که منجر به توسعه واکسن‌های موفق متعددی از جمله واکسن‌های Pfizer-BioNTech و Moderna شد.

نمود‌های آینده واکسن شناسی معکوس

این روش نسبت به روش‌های استاندارد تولید واکسن، مزایای زیادی دارد. شناسایی معقول‌تر و کارآمدتر اهداف واکسیناسیون آینده‌نگر را امکان‌پذیر می‌کند و این پتانسیل را دارد که روند توسعه واکسن را سرعت بخشد.

همچنین می‌تواند اهدافی را کشف کند که در میان سویه‌ها یا سروتیپ‌های پاتوژنی مختلف محفوظ مانده و راه را برای توسعه واکسن‌های طیف وسیع هموار نمایند. علاوه بر این، واکسن شناسی معکوس می‌تواند اهدافی را آشکار کند که ایمنی‌زایی کمتری دارند که امکان توسعه واکسن‌هایی را فراهم می‌کند که کارآمدتر بوده و اثرات جانبی کمتری دارند.

توسعه واکسن شخصی‌سازی شده

واکسن‌شناسی معکوس این پتانسیل را دارد که در توسعه واکسن‌های شخصی‌سازی شده، مورد استفاده قرار گیرد. یعنی واکسیناسیون‌هایی که بر اساس ترکیب ژنتیکی خاص، پاسخ ایمنی و مواجهه‌های محیطی فرد، تنظیم می‌شوند.
واکسن‌شناسی معکوس توانایی ایجاد اهداف واکسن متناسب با عفونتی که شخص در معرض آن قرار گرفته را دارد و ارائه پاسخ ایمنی را فراهم می‌کند.
توسعه واکسن شخصی‌سازی شده می‌تواند منجر به ساخت واکسن‌های موثرتر با عوارض جانبی کمتر شود. واکسن‌های شخصی‌سازی شده می‌توانند به ویژه برای کسانی که در معرض خطر بالای ابتلا به بیماری‌های خاص هستند، مانند کسانی که سیستم ایمنی ضعیفی دارند یا سابقه عفونت‌های مکرر دارند، مفید باشد.
واکسن‌های شخصی‌سازی‌شده همچنین می‌توانند واکسن‌هایی را برای بیماری‌های عفونی نادر یا نوذظهور ارائه دهند، در حالی که روش‌های تولید واکسن معمولی ممکن است غیرعملی باشند.

محدودیت‌های واکسن‌شناسی معکوس

با این حال، موانع قابل توجهی برای توسعه واکسیناسیون با استفاده از واکسن‌شناسی معکوس وجود دارد.

نیاز به مقادیر عظیمی از داده‌های ژنتیکی و پروتئومی (Proteomic) از افراد برای یافتن اهداف واکسیناسیون شخصی‌سازی شده، یکی از این موانع است.
مانع دیگر هزینه و تدارکات بالای تولید انبوه واکسیناسیون شخصی‌سازی شده است. علی‌رغم این موانع، مزایای بالقوه واکسن‌های شخصی‌سازی شده، این موضوع را به یک حوزه حیاتی برای تحقیقات در حوزه واکسن شناسی معکوس تبدیل می‌کند.
با افزایش درک ما از سیستم ایمنی و برهم‌کنش‌های پاتوژن- میزبان، احتمالاً واکسیناسیون شخصی‌سازی شده به ابزار مهمی برای پیشگیری و درمان بیماری‌های عفونی تبدیل می‌شود.

واکسن شناسی سنتی در مقابل واکسن شناسی معکوس

خصوصیات	واکسن شناسی سنتی	واکسن شناسی معکوس
آنتی‌ژن‌های موجود	با استفاده از ابزارهای بیوشیمیایی و ژنتیکی، تنها می‌توان از تعداد محدودی آنتی‌ژن استفاده کرد.	همه آنتی‌ژن‌ها را می‌توان با استفاده از ابزارهای ژنتیکی شناسایی کرد.
ویژگی‌های آنتی‌ژن‌ها	فراوان‌ترین و ایمنی‌زاترین آنتی‌ژن‌های میکروب‌های قابل کشت را می‌توان شناسایی کرد.	همه آنتی‌ژن‌های مربوط به انواع میکروب‌ها را می‌توان شناسایی کرد.
ایمونولوژی آنتی‌ژن‌ها	آنتی‌ژن‌های متغیر، که باعث ایجاد پاسخ ایمنی بیشتری می‌شوند. از آنجایی که برخی از آنتی‌ژن‌های خودی را تقلید می‌کنند، بنابراین باعث خودایمنی می‌شوند.	آنتی‌ژن‌های حفاظت شده که خیلی ایمنی‌زا نیستند را می‌توان شناسایی کرد. آنتی‌ژن‌های خودی را می‌توان به صورت منفی انتخاب کرد.
آنتی‌ژن‌های پلی‌ساکارید	نامزد مهم واکسن	نمی‌توان از آن در واکسن شناسی معکوس استفاده کرد. برای کشف آنتی‌ژن‌های کربوهیدراتی، اپرون‌های (Operon) کد کننده پلی‌ساکاریدها را می‌توان شناسایی کرد.
اپی‌توپ‎های (Epitope) سلول T	اپی‌توپ‎های شناخته شده به آنتی‌ژن‌های شناخته شده محدود می‌شوند.	تقریباً هر اپی‌توپ سلول T مفردی در دسترس است. غربال‌گری کل ایمنی سلول T را می‌توان با هم‌پوشانی پپتیدها (Peptide) انجام داد.

نتیجه‌گیری

به طور خلاصه، واکسن شناسی معکوس یک استراتژی توسعه واکسن موثر است که از تکنیک‌های محاسباتی، ژنوم، پروتئومیکس و ایمونولوژی برای یافتن اهداف احتمالی واکسن استفاده می‌کند. این تکنیک، طراحی واکسن را متحول کرده و منجر به کشف واکسیناسیون‌های قوی علیه طیف وسیعی از بیماری‌های عفونی شده است.

واکسن شناسی معکوس دارای مزایای مختلفی نسبت به روش‌های سنتی تولید واکسن است، از جمله ظرفیت یافتن اهدافی که در میان سویه‌ها یا سروتیپ‌های پاتوژن مختلف، حفظ شده‌اند و امکان تولید واکسن‌های طیف وسیع را فراهم می‌کنند.

به علاوه، این پتانسیل را دارد که برای ساخت واکسن‌های مناسب افراد استفاده شود که ممکن است به ویژه برای افرادی که در معرض خطر بالای ابتلا به عفونت‌های خاص هستند، مفید باشد. در حالی که هنوز چالش‌هایی در رابطه با توسعه واکسن‌های شخصی‌سازی شده با استفاده از واکسن‌شناسی معکوس وجود دارد، مزایای بالقوه این روش، آن را به یک حوزه مهم تحقیقاتی در زمینه واکسن ‌شناسی تبدیل می‌کند.

همچنین بخوانید: