Как выбирают штаммы гриппа для вакцин
Upd: Эта запись была обновлена 8 июля, 2020 года. Текст был частично исправлен или расширен. Картинки были сделаны для презентации на форуме "Ученые против мифов" 2020 года, дизайн организаторов форума.
Почему мне в прошлый раз пришлось писать о том, как производят вакцину от гриппа? Чтобы было понятно, почему выбор штаммов для вакцины происходит за шесть-восемь месяцев до начала сезона вакцинации. Одно прямо следует из другого. Если бы на производство уходило не восемь месяцев, а четыре, то выбор штаммов бы происходил не в феврале, а в мае. А так приходится в феврале.
Часто говорят, что специалисты предсказывают или пытаются угадать штаммы гриппа на следующий сезон. Это не так. Реальность одновременно проще и сложнее. Разберемся.
Под эгидой ВОЗ существует так называемая Global Influenza Surveillance and Response System (GISRS) Глобальная Система по Наблюдению и Ответу на Грипп. В эту систему входят 143 National Influenza Centers (NICs) - Национальных Центров Гриппа - в 113 странах. Они круглый год анализируют двести-триста тысяч образцов от людей с респираторными инфекциями. Из них несколько тысяч образцов идут на более детальный анализ в один из шести WHO Collaborative Centers (CCs) - Центров Сотрудничества ВОЗ, расположенных в США, Китае, Австралии, Англии, Японии.
Расположение центров GISRS.
1. Первичная диагностика
Первым делом NICs делают ПЦР-анализ на присутствие в образце вируса гриппа. Понятно, что далеко не каждая респираторная инфекция является гриппом, см. мой старый пост Думаете у вас грипп?
В среднем вирус гриппа находят в 25% образцов за сезон.
2. Выделение вируса и первичный анализ
Если ПЦР анализ дает положительный результат на вирус гриппа, то центр пытается выделить вирус, либо выращивая его в яйцах, либо в клеточной культуре. Для дальнейшего анализа вируса нужно вырастить его в некотором количестве. Это непростой процесс и из многих образцов выделить вирус не удается.
Для "птичьего гриппа" гриппа делается исключение. Он считается особо-опасным патогеном и поэтому его выделять и выращивать можно только в специальных центрах, NICs его не выращивают.
ВОЗ бесплатно предоставляет каждому центру набор антител, который можно использовать для того, чтобы определить к какому типу относится выделенный вирус (А или B), и если это А, то определяются варианты гемагглютинина (HA) и нейраминидазы (NA).
Протипировав выращенные вирусы, NICs отбирают образцы для того, чтобы послать их в Центры Сотрудничества ВОЗ. Отбирают их по двум критериям - центры стараются, во-первых, выбрать вирусы наиболее "типичные" для их местности, а во-вторых, наиболее "необычные" - которые плохо реагируют с присланными от ВОЗ антителами, что говорит о том, что в ВОЗ этих вирусов скорее всего еще нет.
Следующие стадии проходят в WHO Центрах Сотрудничества ВОЗ.
3. Получение сыворотки в хорьках
Хорьки легко заражаются гриппом и хорошо вырабатывают к нему антитела. Настолько хорошо, что для этого анализа хорьков приходится выращивать в супер-стерильных условиях BSL3 (иначе они подхватывают дикий грипп). Хорьков заражают присланными штаммами гриппа и потом берут из них сыворотку крови. По этой сыворотке мы можем судить насколько "похожи" друг на друга два варианта вируса гриппа. Если антитела из хорька, зараженного вирусом А, хорошо реагируют с вирусом Б, то эти два вируса иммунологически очень похожи друг на друга. Если плохо - то они сильно друг от друга отличаются. Если вирусы антигенно похожи друг на друга, то вакцина против одного из них с большой вероятностью защитит и от другого.
Таким образом можно не только сравнить друг с другом штаммы из свежих образцов, но и посмотреть насколько свежие штаммы похожи на штаммы из прошлых лет и на штаммы из прошлых вакцин.
Получающийся набор попарных сравнений существует в N-мерном пространстве, но для наглядности и с некоторым упрощением его можно показать на двумерном графике, например как на вот этой картинке справа:
Карта антигенности вирусных штаммов вируса гриппа типа H1N1. Каждая точка соответствует отдельному штамму вируса гриппа. Желтым показаны вирусы 2014 года, синим - 2013 года, серым - из предыдущих лет, большая красная точка - "классический" H1N1 штамм для сравнения.
Эту карты антигенности можно использовать для подбора штамма для вакцины. Общий принцип таков, что мы хотим выбрать штаммы, которые находятся как можно ближе к центру распределения, потому что иммунный ответ на них даст защиту против наибольшего количества других штаммов. Но при этом нужно учитывать и другие факторы, о которых сейчас и пойдет речь.
4. Генетический анализ
Схожесть двух штаммов по вызываемому иммунному ответу не обязательно означает близкую родственность штаммов, а большие различия не обязательно означают что штаммы давно имели общего предка. Для того, чтобы лучше понимать, что именно происходит в популяции вирусов гриппа, часть штаммов секвинируют и строят филогенетические деревья. В идеале антигенная карта должна хорошо согласовываться с филогенетическим деревом. Если есть серьезные расхождения, например, если окажется, что какой-то штамм антигенно близок к другим штаммам, но генетически сильно от них отличается, то ему следует уделить особое внимание. Он может повести себя не так, как штаммы окружающие его на антигенной карте и антигенно быстро измениться в сторону от остальных.
Одно из таких филогенетических деревьев для гемагглютинина показано слева на картинке выше. Разными цветами помечены штаммы выделенные в разные месяцы. В названии каждого штамма указано место, где он был выделен. Черным цветом показаны стандартные штаммы. Обратите внимание на то что большинство штаммов друг от друга отличаются, но при этом все выделенные в этом сезоне штаммы имели ген H1 под-геногруппы 6B.
5. Анализ человеческой сыворотки
Принцип антигенного анализа, описанный выше для сывороток хорьков, можно применить и к человеческим образцам сыворотки. Центры Сотрудничества ВОЗ собирают образцы сыворотки крови от взрослых и от детей, привитых прошлыми вакцинами, а также от переболевших гриппом в прошлые года. Сделав анализ на реакцию этой сыворотки с новыми штаммами гриппа, можно определить насколько эти люди будут защищены от новых штаммов. Влияние этой информации на выбор штамма для новой вакцины двоякое. С одной стороны, если мы видим, что вакцина использованная в предыдущем году хорошо защищает от штаммов этого года, то можно опять выбрать этот же штамм. С другой стороны, можно считать, что большая доля популяции уже и так защищена от части циркулирующих штаммов и отдать предпочтение отличающемуся штамму, который даст защиту от штаммов, от которых предыдущая вакцина не защищает. Я не уверен, какой из этих факторов важнее, и думаю, что однозначного ответа тут нет. Все зависит от конкретных обстоятельств и от мнений конкретных экспертов.
Все вышеперечисленные данные собираются круглый год. В феврале эксперты ВОЗ рассматривают все собранные данные и на их основании выбирают штаммы для вакцины. Выбор штамма это не попытка предсказать будущее - на сегодняшний день у нас нет моделей, которые бы даже грубо могли бы предсказать какие штаммы будут ходить в популяции через 8-10 месяцев.
Я бы сравнил выбор штаммов для вакцины в феврале-марте со ставками на скачках, которые сделаны когда лошади уже пробежали пол пути, но до финиша им еще далеко - информация на этот момент дает нам фору в возможности угадать "победителей", но нет никаких гарантий на то, что лидеры в момент ставки действительно придут первыми.
Но при этом, как должно быть ясно из описанного выше, выбор штаммов для вакцины основан не просто на распространенности штаммов (по моей аналогии - на том, какие лошади впереди), но и на анализе антигенной схожести или отличия между штаммами и вакцинами, и этот аспект делает всю процедуру намного сложнее, чем "предсказание" того, какие штаммы будут циркулировать.
Как я уже писал выше, FDA обсуждает выбор штаммов для американской вакцины в феврале-марте. Они всегда проводят свою консультацию при открытых дверях и если вам влом ехать в Washington DC, то вы можете вживую понаблюдать этот процесс (все презентации и обсуждения) на сайте FDA: https://www.fda.gov/advisory-committees/advisory-committee-calendar
Полезные ссылки:
Antigenic Characterization (CDC)
A Description of the Process of Seasonal and H5N1 Influenza Vaccine Virus Selection and Development (pdf)
Почему мне в прошлый раз пришлось писать о том, как производят вакцину от гриппа? Чтобы было понятно, почему выбор штаммов для вакцины происходит за шесть-восемь месяцев до начала сезона вакцинации. Одно прямо следует из другого. Если бы на производство уходило не восемь месяцев, а четыре, то выбор штаммов бы происходил не в феврале, а в мае. А так приходится в феврале.
Часто говорят, что специалисты предсказывают или пытаются угадать штаммы гриппа на следующий сезон. Это не так. Реальность одновременно проще и сложнее. Разберемся.
Под эгидой ВОЗ существует так называемая Global Influenza Surveillance and Response System (GISRS) Глобальная Система по Наблюдению и Ответу на Грипп. В эту систему входят 143 National Influenza Centers (NICs) - Национальных Центров Гриппа - в 113 странах. Они круглый год анализируют двести-триста тысяч образцов от людей с респираторными инфекциями. Из них несколько тысяч образцов идут на более детальный анализ в один из шести WHO Collaborative Centers (CCs) - Центров Сотрудничества ВОЗ, расположенных в США, Китае, Австралии, Англии, Японии.
Расположение центров GISRS.
1. Первичная диагностика
Первым делом NICs делают ПЦР-анализ на присутствие в образце вируса гриппа. Понятно, что далеко не каждая респираторная инфекция является гриппом, см. мой старый пост Думаете у вас грипп?
В среднем вирус гриппа находят в 25% образцов за сезон.
2. Выделение вируса и первичный анализ
Если ПЦР анализ дает положительный результат на вирус гриппа, то центр пытается выделить вирус, либо выращивая его в яйцах, либо в клеточной культуре. Для дальнейшего анализа вируса нужно вырастить его в некотором количестве. Это непростой процесс и из многих образцов выделить вирус не удается.
Для "птичьего гриппа" гриппа делается исключение. Он считается особо-опасным патогеном и поэтому его выделять и выращивать можно только в специальных центрах, NICs его не выращивают.
ВОЗ бесплатно предоставляет каждому центру набор антител, который можно использовать для того, чтобы определить к какому типу относится выделенный вирус (А или B), и если это А, то определяются варианты гемагглютинина (HA) и нейраминидазы (NA).
Протипировав выращенные вирусы, NICs отбирают образцы для того, чтобы послать их в Центры Сотрудничества ВОЗ. Отбирают их по двум критериям - центры стараются, во-первых, выбрать вирусы наиболее "типичные" для их местности, а во-вторых, наиболее "необычные" - которые плохо реагируют с присланными от ВОЗ антителами, что говорит о том, что в ВОЗ этих вирусов скорее всего еще нет.
Следующие стадии проходят в WHO Центрах Сотрудничества ВОЗ.
3. Получение сыворотки в хорьках
Хорьки легко заражаются гриппом и хорошо вырабатывают к нему антитела. Настолько хорошо, что для этого анализа хорьков приходится выращивать в супер-стерильных условиях BSL3 (иначе они подхватывают дикий грипп). Хорьков заражают присланными штаммами гриппа и потом берут из них сыворотку крови. По этой сыворотке мы можем судить насколько "похожи" друг на друга два варианта вируса гриппа. Если антитела из хорька, зараженного вирусом А, хорошо реагируют с вирусом Б, то эти два вируса иммунологически очень похожи друг на друга. Если плохо - то они сильно друг от друга отличаются. Если вирусы антигенно похожи друг на друга, то вакцина против одного из них с большой вероятностью защитит и от другого.
Таким образом можно не только сравнить друг с другом штаммы из свежих образцов, но и посмотреть насколько свежие штаммы похожи на штаммы из прошлых лет и на штаммы из прошлых вакцин.
Получающийся набор попарных сравнений существует в N-мерном пространстве, но для наглядности и с некоторым упрощением его можно показать на двумерном графике, например как на вот этой картинке справа:
Карта антигенности вирусных штаммов вируса гриппа типа H1N1. Каждая точка соответствует отдельному штамму вируса гриппа. Желтым показаны вирусы 2014 года, синим - 2013 года, серым - из предыдущих лет, большая красная точка - "классический" H1N1 штамм для сравнения.
Эту карты антигенности можно использовать для подбора штамма для вакцины. Общий принцип таков, что мы хотим выбрать штаммы, которые находятся как можно ближе к центру распределения, потому что иммунный ответ на них даст защиту против наибольшего количества других штаммов. Но при этом нужно учитывать и другие факторы, о которых сейчас и пойдет речь.
4. Генетический анализ
Схожесть двух штаммов по вызываемому иммунному ответу не обязательно означает близкую родственность штаммов, а большие различия не обязательно означают что штаммы давно имели общего предка. Для того, чтобы лучше понимать, что именно происходит в популяции вирусов гриппа, часть штаммов секвинируют и строят филогенетические деревья. В идеале антигенная карта должна хорошо согласовываться с филогенетическим деревом. Если есть серьезные расхождения, например, если окажется, что какой-то штамм антигенно близок к другим штаммам, но генетически сильно от них отличается, то ему следует уделить особое внимание. Он может повести себя не так, как штаммы окружающие его на антигенной карте и антигенно быстро измениться в сторону от остальных.
Одно из таких филогенетических деревьев для гемагглютинина показано слева на картинке выше. Разными цветами помечены штаммы выделенные в разные месяцы. В названии каждого штамма указано место, где он был выделен. Черным цветом показаны стандартные штаммы. Обратите внимание на то что большинство штаммов друг от друга отличаются, но при этом все выделенные в этом сезоне штаммы имели ген H1 под-геногруппы 6B.
5. Анализ человеческой сыворотки
Принцип антигенного анализа, описанный выше для сывороток хорьков, можно применить и к человеческим образцам сыворотки. Центры Сотрудничества ВОЗ собирают образцы сыворотки крови от взрослых и от детей, привитых прошлыми вакцинами, а также от переболевших гриппом в прошлые года. Сделав анализ на реакцию этой сыворотки с новыми штаммами гриппа, можно определить насколько эти люди будут защищены от новых штаммов. Влияние этой информации на выбор штамма для новой вакцины двоякое. С одной стороны, если мы видим, что вакцина использованная в предыдущем году хорошо защищает от штаммов этого года, то можно опять выбрать этот же штамм. С другой стороны, можно считать, что большая доля популяции уже и так защищена от части циркулирующих штаммов и отдать предпочтение отличающемуся штамму, который даст защиту от штаммов, от которых предыдущая вакцина не защищает. Я не уверен, какой из этих факторов важнее, и думаю, что однозначного ответа тут нет. Все зависит от конкретных обстоятельств и от мнений конкретных экспертов.
Все вышеперечисленные данные собираются круглый год. В феврале эксперты ВОЗ рассматривают все собранные данные и на их основании выбирают штаммы для вакцины. Выбор штамма это не попытка предсказать будущее - на сегодняшний день у нас нет моделей, которые бы даже грубо могли бы предсказать какие штаммы будут ходить в популяции через 8-10 месяцев.
Я бы сравнил выбор штаммов для вакцины в феврале-марте со ставками на скачках, которые сделаны когда лошади уже пробежали пол пути, но до финиша им еще далеко - информация на этот момент дает нам фору в возможности угадать "победителей", но нет никаких гарантий на то, что лидеры в момент ставки действительно придут первыми.
Но при этом, как должно быть ясно из описанного выше, выбор штаммов для вакцины основан не просто на распространенности штаммов (по моей аналогии - на том, какие лошади впереди), но и на анализе антигенной схожести или отличия между штаммами и вакцинами, и этот аспект делает всю процедуру намного сложнее, чем "предсказание" того, какие штаммы будут циркулировать.
Как я уже писал выше, FDA обсуждает выбор штаммов для американской вакцины в феврале-марте. Они всегда проводят свою консультацию при открытых дверях и если вам влом ехать в Washington DC, то вы можете вживую понаблюдать этот процесс (все презентации и обсуждения) на сайте FDA: https://www.fda.gov/advisory-committees/advisory-committee-calendar
Полезные ссылки:
Antigenic Characterization (CDC)
A Description of the Process of Seasonal and H5N1 Influenza Vaccine Virus Selection and Development (pdf)