Wyobraź sobie pomidora, którego wystarczy zjeść, aby przyjąć szczepionkę przeciwko wściekliźnie, czy też szczepionkę przeciwko grypie w całości wyprodukowaną w roślinach… Brzmi dość nieprawdopodobnie, ale sprawdź sam - czy roślinne szczepionki to tylko bujna wyobraźnia na temat przyszłości czy realne możliwości współczesnej nauki?
Spis treści
Alternatywna metoda otrzymywania szczepionek przy pomocy roślin
Dlaczego rośliny? - zalety roślin w produkcji szczepionek
Szczepionka wyprodukowana w roślinach
Jakie rośliny są wykorzystywane do produkcji farmaceutyków?
Czy na pewno roślinne szczepionki mają same zalety?
Roślinna szczepionka przeciw COVID-19
Czy szczepionki roślinne są wegańskie?
Polski wkład w roślinne szczepionki
Czy można kupić roślinną szczepionkę w aptece?
Inne leki otrzymywane w roślinach
Alternatywna metoda otrzymywania szczepionek przy pomocy roślin
Pomyślmy, jak wiele dziś zawdzięczamy odkryciom i sukcesom dokonanym przez rozwój nauk medycznych i farmaceutycznych. Jednym z nich było odkrycie szczepień ochronnych, dzięki którym zostało wyeliminowanych wiele epidemii chorób zakaźnych, np. ospy czy polio. Pomimo, iż szczepienia zapewniają profilaktykę i należą do jednej z najbardziej skutecznych metod ochrony zdrowia, to wciąż budzą wśród wielu osób niepewność i kontrowersje. Do tego dotychczasowe metody otrzymywania szczepionek i ich powszechne wykorzystanie jest obarczone wysokimi kosztami. Okazuje się, że istnieje możliwość nowoczesnej i taniej metody otrzymywania szczepionek, a mianowicie przy pomocy… roślin!
Dlaczego rośliny? - zalety roślin w produkcji szczepionek
Odpowiadając na to pytanie, wystarczy pomyśleć, jak niewiele potrzeba roślinom do wzrostu oraz ile zalet posiadają - możemy wyróżnić kilka z nich:
obniżenie kosztów produkcji,
otrzymane produkty są bezpieczne, mają podobne właściwości i podlegają podobnym procesom, jak białka uzyskane w innych komórkach,
możliwość otrzymania "jadalnej szczepionki”, np. w postaci owocu lub warzywa. Kto nie chciałby przyjąć szczepionki bez zastrzyku, a tylko poprzez zjedzenie chociażby smacznego banana?
możliwość przechowywania roślinnych szczepionek w temperaturze otoczenia, podczas gdy szczepionki otrzymane tradycyjnymi metodami muszą być przechowywane w temperaturze do ok. 4⁰C.
Szczepionka wyprodukowana w roślinach
Szczepionki roślinne zaliczamy do biofarmaceutyków, czyli białek rekombinowanych otrzymanych za pomocą narzędzi biotechnologicznych. Ale co trzeba zrobić, żeby uzyskać konkretne białko o pożądanych właściwościach w roślinie? Trzeba wprowadzić geny kodujące białko do komórek roślinnych. Jak tego dokonać? Najczęściej stosuje się rośliny modyfikowane genetycznie (transgeniczne), będące „fabryką” do nadprodukcji konkretnego białka. Niezbędne są w tym procesie trzy elementy: gospodarz (roślina), odpowiedni wektor ekspresyjny i namnożony gen lub jego fragment kodujący dane białko.
Komórki roślinne trzeba odpowiednio "zaprogramować” poprzez transformację genetyczną, czyli wprowadzenie DNA kodującego białko do materiału genetycznego wybranej rośliny. Wykorzystuje się tu bakterię Agrobacterium tumefaciens, która potrafi wprowadzić geny do komórek roślinnych. Innym sposobem jest wykorzystanie zmodyfikowanych wirusów roślinnych, które infekują tylko roślinne komórki i służą jako nośniki obcego materiału genetycznego. Nie są one chorobotwórcze dla człowieka ani zwierząt. Wektory wirusowe rozprzestrzeniają się w roślinie i potrafią podporządkować procesy zachodzące w komórkach w taki sposób, aby wydajnie produkować pożądane białka. Metoda ta rzeczywiście zapewnia wysoką wydajność otrzymanego białka i jest wykorzystywana do produkcji szczepionek w postaci wstrzyknięcia lub podawanych donosowo.
Jakie rośliny są wykorzystywane do produkcji farmaceutyków?
Podczas wyboru rośliny, decydującą rolę ma: ilość produkowanego białka, jego trwałość oraz lokalizacja. Przy produkcji roślinnych biofarmaceutyków wykorzystywane są różne gatunki roślin, jak np.: soja, lucerna, ziemniak, ryż, pszenica czy pomidory. Jednak najczęściej stosowany jest tytoń.
Dlaczego tytoń? Mimo, że uzyskane białka wymagają oczyszczenia ze związków toksycznych obecnych w tej roślinie, ma ona kilka istotnych zalet:
dobrze opracowaną metodę transformacji,
dobrą wydajność przy produkcji białek,
wytwarzanie dużej ilości nasion oraz w przypadku produkcji biofarmaceutyków - możliwość zastosowania odmian o niższej zawartości nikotyny i innych toksycznych alkaloidów.
"Jadalne szczepionki"
Przy produkcji "jadalnych szczepionek" istotną rolę odgrywa lokalizacja otrzymanego białka w wybranej roślinie. W tym wypadku szczególne zastosowanie mają rośliny jadalne lub ich fragmenty. Najlepiej wybrać roślinę możliwą do zjedzenia na surowo. Gotowanie czy smażenie roślin produkujących antygeny szczepionki może doprowadzić do zniszczenia antygenu.
Pierwsze badania skuteczności “jadalnych szczepionek” w odniesieniu do ludzi miały miejsce w 1998 r. i były to bulwy ziemniaka podane ochotnikom, u których uzyskano pozytywny efekt odpowiedzi ze strony układu immunologicznego. Otrzymano także “jadalną szczepionkę” przeciwko wściekliźnie w zmodyfikowanych pomidorach. Co ciekawe, uzyskano również szczepionkę w bananach, w krajach, gdzie naturalnie ten owoc występuje, a zarazem gdzie istnieje największe zapotrzebowanie na szczepienia. Z pewnością do głowy może przyjść pytanie, czy podane doustnie antygeny szczepionkowe nie zostaną strawione w układzie pokarmowym?. Okazuje się, że po 4 godzinach od spożycia szczepionki, antygeny są obecne we krwi i skutecznie angażują układ immunologiczny.
Natomiast otrzymanie biofarmaceutyków w nasionach, przedłuża ich czas przechowywania nawet do trzech lat i można je bezpośrednio spożywać. Na przykład w ryżu otrzymano m.in. białko otoczki wirusa powodującego zapalenie mózgu. Podanie takiej szczepionki spowodowało wytworzenie dużo większej puli przeciwciał, niż w przypadku podania tradycyjnego białka rekombinowanego otrzymanego przy użyciu bakterii Escherichia coli.
Czy na pewno roślinne szczepionki mają same zalety?
Stosowanie roślin modyfikowanych genetycznie to obiecująca metoda, ale nie pozbawiona wad. Badania nad roślinnymi szczepionkami trwają, a zwłaszcza nad ich doustną formą. Głównymi wadami uzyskania “jadalnych szczepionek” jest jak dotąd niewystarczające scharakteryzowanie stabilności antygenu w roślinie, biodostępności i odtwarzalności. Uzyskanie stabilnego produktu w ściśle określonej ilości jest niezbędne, aby pacjent mógł przyjąć odpowiednią dawkę szczepionki. Dodatkowo, można się zastanowić nad ewentualnym wpływem roślin transgenicznych i ich koegzystencją ze środowiskiem naturalnym. Porównując wady i zalety roślinnych szczepionek, te drugie zdecydowanie przeważają, a fakt, że istnieją już zarejestrowane biofarmaceutyki wytwarzane w roślinach i są z powodzeniem stosowane u ludzi sprawia, że produkty farmaceutyczne pochodzenia roślinnego są rzeczywistością.
Roślinna szczepionka przeciw COVID-19
Okazuje się, że roślinne szczepionki mogą już niebawem znaleźć się na liście dostępnych szczepionek przeciwko COVID-19. 25 lutego 2022 roku została dopuszczona do obrotu na terenie Kanady pierwsza na świecie szczepionka roślinna przeciwko COVID-19, o nazwie Covifenz. Jej stosowanie zatwierdzono u osób od 18 do 64 roku życia. Schemat dawkowania szczepionki to 2 dawki w postaci zastrzyku domięśniowego, z zachowaniem 21 dni odstępu. Covifenz zawiera adiuwant, wzmacniający odpowiedź immunologiczną na podany antygen. Antygenem jest natomiast rekombinowane białko kolca (S) wirusa SARS-CoV-2, wyprodukowane jako roślinne cząstki wirusopodobne (VLP). Podany antygen powoduje pobudzenie układu odpornościowego i wytworzenie przeciwciał, co przyczynia się do ochrony przed wirusem COVID-19.
Badania kliniczne nad szczepionką zapewniają jej skuteczność i bezpieczeństwo, a możliwe działania niepożądane są zwykle niewielkie i ustępują samoistnie. Najczęściej są to naturalne reakcje układu immunologicznego, jak: zaczerwienienie, ból i obrzęk w miejscu wkłucia oraz ogólne objawy, jak gorączka, dreszcze, zmęczenie. W składzie szczepionki nie ma wirusa wywołującego COVID-19, białek jaj ani żadnych materiałów pochodzenia ludzkiego. Do jej produkcji wykorzystano natomiast roślinę Nicotiana benthamiana (blisko spokrewnioną z tytoniem).
Czy szczepionki roślinne są wegańskie?
Z pewnością niejedna osoba będąca weganinem (lub nie) czeka na szczepionkę która nie zawiera produktów pochodzenia zwierzęcego oraz jest w 100% wyprodukowana w roślinach. Nasuwa się jednak pytanie, czy roślinne szczepionki są wegańskie? Okazuje się, że odpowiedź brzmi: nie, nie ma obecnie w pełni wegańskiej szczepionki. Można się zastanowić dlaczego, skoro szczepionki są wytwarzane przy pomocy roślin? Szczepionki roślinne, tak jak wszystkie szczepionki i produkty lecznicze, przed wejściem na rynek muszą przejść konkretne i powszechnie obowiązujące procedury. Taki kandydat na roślinną szczepionkę, która jest bezpieczna, skuteczna i można ją z powodzeniem stosować u ludzi, w początkowych etapach musi być poddany testom na zwierzętach. Natomiast, jak podaje brytyjskie The Vegan Society, testowanie na zwierzętach jest sprzeczne z definicją weganizmu. Natomiast, podjęcie decyzji co do szczepień przeciwko COVID-19 przez wegan, brytyjskie Towarzystwo Wegańskie pozostawia w świadomej i indywidualnej kwestii każdego weganina.
Polski wkład w roślinne szczepionki
Początki badań nad roślinnymi szczepionkami odbywały się w Polsce. Pierwszym naukowcem pracującym nad wykorzystaniem roślin do produkcji antygenu powierzchniowego HBs wirusa zapalenia wątroby typu B, był prof. Andrzej Płucienniczak. Kolejne badania polskich naukowców dotyczyły otrzymania szczepionki przeciwko WZW typu B w roślinie jadalnej. Poskutkowały opatentowaniem prototypu doustnej szczepionki uzyskanej z wykorzystaniem sałaty. Szczepionkę stanowił liofilizat zawierający ściśle określoną ilość antygenu, z którego można uzyskać: zawiesinę, syrop, granulki, tabletki lub kapsułki. Szczepionka może być przechowywana w temperaturze otoczenia i może posłużyć pacjentom jako dawka przypominająca, po otrzymaniu szczepionki przeciwko WZW typu B w tradycyjnej postaci.
Czy można kupić roślinną szczepionkę w aptece?
Według przeglądu literatury, jak dotąd nie ma powszechnie dostępnej roślinnej szczepionki, a opracowany przez polskich naukowców patent nie został jeszcze wykupiony. Pierwszą na świecie roślinną szczepionką jest wspomniany Covifenz. Może to świadczyć o dalszej potrzebie udoskonalenia roślinnych szczepionek, ich immunogenności oraz szczegółowego dopracowania schematu dawkowania i harmonogramu szczepień. Wyzwaniem mogą być też badania kliniczne potwierdzające bezpieczeństwo i jednoczesne spełnienie wszelkich regulacji prawnych, którym te preparaty muszą podlegać przed wejściem na rynek. Niemniej jednak, powszechna dostępność roślinnych szczepionek w najbliższej przyszłości może się zmienić. Aktualnie na etapie badań klinicznych jest kilka preparatów które mogą stać się roślinnymi szczepionkami: przeciwko wściekliźnie, WZW typu B, świńskiej grypie. Najlepiej zapowiada się preparat, który może stać się roślinną szczepionką przeciwko grypie, podawany w postaci wstrzyknięcia i otrzymany w Nicotiana benthamiana.
Inne leki otrzymywane w roślinach
Oprócz szczepionek, w roślinach z powodzeniem można otrzymywać także inne białka terapeutyczne. Lista takich preparatów jest obecnie dość długa, jednakże można przytoczyć kilka interesujących przykładów.
Nimotuzumab, przeciwciało monoklonalne, będące rodzajem białka, które działa na zasadzie rozpoznawania antygenu, występującego w komórkach organizmu i łączenia się z nim. Lek ten wiąże się z białkiem na powierzchni komórek guza, które jest antygenem nabłonkowego czynnika wzrostu (EGFR). W ten sposób nimotuzumab blokuje receptor EGFR i powoduje opóźnienie rozwoju glejaka. Nimotuzumab został otrzymany w liściach tytoniu szlachetnego - Nicotiana tabacum i zaakceptowany do stosowania na Kubie, w terapii złośliwego glejaka oraz raka płaskonabłonkowego głowy i szyi.
Innymi przykładami roślinnych biofarmaceutyków mogą być: erytropoetyna mająca zastosowanie w leczeniu anemii, hemoglobina stosowana jako substytut krwi, obie otrzymane w transgenicznym tytoniu, czy też interferon alfa otrzymany w ryżu i stosowany w leczeniu zapalenia wątroby typu B i C.
Źródła
Pyrski M.; Mieloch A.A.; Plewiński A.; Basińska-Barczak A.; Gryciuk A.; Bociąg P.; Murias M.; Rybka J.D.; Pniewski T.(2019) Parenteral–Oral Immunization with Plant-Derived HBcAg as a Potential Therapeutic Vaccine against Chronic Hepatitis B. Vaccines, 7, 211.
Rosales-Mendoza S.; Márquez-Escobar V.A.; González-Ortega O.; Nieto-Gómez R.; Arévalo-Villalobos, J.I.(2020). What Does Plant-Based Vaccine Technology Offer to the Fight against COVID-19? Vaccines, 8, 183.
Kapusta J., (1999). Nowe podejścia w dziedzinie otrzymywania i stosowania szczepionek. Biotechnologia - Przegląd Informacyjny 3, 94-105.
Stęplewski Z., Stęplewska K. (2008). Genetyczne modyfikacje roślin dla medycyny. I. Bioreaktory szczepionek. Probl. High Epidemiol., 89 (1): 1-3
Rodriguez M., Pujol M., Perez L., Gavilondo J.V., Garrido G., Ayala M., Perez M., Bequet-Romero M. i wsp. (2013). Transgenic plants of Nicotiana tabacum L. Express aglycosylates monoclonal antibody with antitumor activity. Biotechnol. Apl., :30: 157-161
Nowicki M., Zimmer-Nowicka J. (2007). Biofarmaceutyki oryginalne i leki biopodobne-co należy o nich wiedzieć, aby zapewnić bezpieczeństwo leczenia?. Onkologia w praktyce klinicznej, 3 (3), 120-127.
Łucka M., Kowalczyk T., Szemraj J.,Sakowicz T. (2015). Rośliny jako alternatywne źródło białek terapeutycznych. Advances in Hygiene & Experimental Medicine/Postepy Higieny i Medycyny Doświadczalnej, 69.
Jasiński M., Banasik J., Frankowska M., Figlarowicz M. (2006). Rośliny jako reaktory do produkcji biofarmaceutyków. Biotechnologia, 3, 53-66.
Masirek K., Olas B. (2015). Plants as the source of therapeutic compounds. Postępy Fitoterapii.
https://www.mp.pl/szczepienia/wywiady/161924,o-pracach-nad-uzyskaniem-doustnej-szczepionki-przeciwko-wzw-typu-b
https://szczepienia.pzh.gov.pl/w-kanadzie-dopuszczono-do-obrotu-pierwsza-na-swiecie-roslinna-szczepionke-przeciw-covid-19/
https://www.canada.ca/en/health-canada/services/drugs-health-products/covid19-industry/drugs-vaccines-treatments/vaccines/medicago.html