SZ nr 12–13/2000z 10 lutego 2000 r.
Krztusiec - doskonalenie szczepionek
Eugeniusz Małafiej
Poznanie reguł warunkujących współistnienie ludzi i drobnoustrojów, jak również niwelowanie aktywności tych ostatnich, zawdzięczamy pionierskim pracom takich badaczy jak Jenner i Pasteur. Efektem ich obserwacji było pojawienie się szczepionek.
Czysta woda i szczepionki to w opinii ekspertów WHO dwa podstawowe czynniki kształtowania poziomu zdrowia publicznego. Zastosowanie szczepień ochronnych umożliwia uratowanie od śmierci tysięcy ludzi. Natomiast brak możliwości z podania szczepionek, zwłaszcza w krajach, gdzie zabieg ten okazuje się zbyt kosztowny, to według danych WHO 2 miliony dzieci umierających każdego roku na świecie.
Szczepionkom, podobnie jak wielu innym środkom leczniczym, towarzyszą działania niepożądane. Stąd konieczność nieustannej kontroli nad stosowanymi środkami medycznymi oraz potrzeba właściwej strategii reagowania w sytuacjach, kiedy pojawiają się niekorzystne dla leku informacje. Ilustracją tego sposobu myślenia mogą być prace nad ulepszaniem szczepionek przeciw krztuścowi.
Epidemie krztuśca
Krztusiec, niezależnie od poziomu wiedzy na temat choroby oraz stopnia rozwoju nauk medycznych, definiowany był w różnych okresach bardzo podobnie.
Krztusiec jest chorobą zakaźną, wywołaną przez zarazek swoisty, charakteryzującą się klinicznie niejednokrotnie długotrwałym przebiegiem oraz znamiennym, napadowym kaszlem (W. Lipiński, 1948).
Krztusiec jest ostrą chorobą zakaźną i zaraźliwą, wywołaną przez swoisty zarazek, charakteryzującą się cyklicznym, nieraz długotrwałym przebiegiem oraz znamiennym napadowym kaszlem, od którego pochodzi nazwa (H. Hirszfeldowa, 1952).
Krztusiec jest ostrym zakażeniem układu oddechowego spowodowanym przez Bordetella pertussis lub rzadziej przez Bordetella parapertussis. Choroba występuje na całym świecie, dotyczy wszystkich grup wiekowych, głównie dzieci; jest to bardzo poważna choroba, kiedy występuje wśród młodzieży, a zwłaszcza u nie posiadających odporności noworodków. Krztusiec jest bardzo zaraźliwą chorobą zdolną zakazić ponad 90% osobników reprezentujących nieuodpornioną populację (J.D. Cherry i U. Heiningen, 1997).
Krztusiec jest wysoce zakaźną ostrą chorobą układu oddechowego spowodowaną przez Bordetella pertussis (WHO, 1999).
Omawiana jednostka chorobowa była już znana w XVI wieku, na co wskazują pochodzące z 1640 roku dokumenty zawierające kliniczne opisy krztuśca poczynione przez Guillaume’a de Baillou, który bardzo wnikliwie opisywał przypadki choroby obserwowanej podczas epidemii, jaka miała miejsce w 1578 roku w Paryżu. W XVII wieku przypadki krztuśca w Anglii opisali Willis i Sydenham. W XVIII i XIX wieku podobne przypadki w Niemczech opisał Ettmüller. Wkrótce okazało się, że choroba występuje nie tylko w krajach Europy, ale jest rozpowszechniona na całym świecie.
Choroba dotyczy ludzi, a jest przenoszona bezpośrednio z wydzieliną znajdującą się na błonach śluzowych układu oddechowego osób zakażonych. Szerzy się drogą kropelkową; zakażenie pośrednie przez przedmioty zakażone wydzielinami zawierającymi żywe zarazki zdarza się wprawdzie, ale znacznie rzadziej niż zakażenie bezpośrednie.
Dość wcześnie zauważono, że krztusiec należy do chorób zakaźnych pochłaniających najwięcej ofiar w pierwszych latach życia. Dane statystyczne nie odzwierciedlają całej grozy tego schorzenia, bowiem powikłania krztuśca, jak odoskrzelowe zapalenie płuc, zapalenie oskrzeli, zaburzenia ze strony ośrodkowego układu nerwowego często nie są uwzględniane w rejestrach jako krztusiec. Jest to choroba przeważnie wieku dziecięcego, wrażliwość na nią bywa jednak prawie powszechna. Najczęściej zakażeniu ulegają dzieci od pierwszego do czwartego roku życia. Zależnie od analizowanych danych ocenia się, że około 50% przypadków dotyczy wieku poniżej 4 lat życia, około 10% przypada na wiek niemowlęcy. Największa śmiertelność występuje w okresie niemowlęcym i we wczesnym dzieciństwie. Powyżej 5. roku życia zgon z powodu krztuśca jest bardzo rzadki.
Obserwacje te znajdują potwierdzenie w badaniach innych autorów. Wynika z nich, że śmiertelność w wieku do 0 do 1 roku wynosi 24,3%, 1–5 lat 2,5%, 5–15 lat 0,7%, powyżej 15 lat 0%.
Ciekawych danych dostarczają obserwacje pochodzące ze Stanów Zjednoczonych. Wskazują one na ścisły związek między częstością występowania krztuśca, śmiertelnością a stosowaniem szczepień. W okresie przed wprowadzeniem szczepień w Stanach Zjednoczonych, w latach od 1922 roku do lat czterdziestych, odnotowywano średnio 157 przypadków krztuśca na 150 tys. osób. Wraz z rozpowszechnieniem programu szczepień w latach 1943–1976 stopień zapadalności uległ prawie 150-krotnemu obniżeniu. W siedmioletnim okresie 1976–1982 r. zapadalność pozostawała w granicach 0,5 do 1,0 na 100 tys. osób. W okresie lat 1982–1993 krzywa zapadalności przybrała charakter zwyżkujący, osiągając zapadalność równą 2,3 na 100 tys. Przyczyna wzrastającego trendu nie jest znana; bardzo prawdopodobne, że jest to wynik większej świadomości społeczeństwa.
W okresie przed szczepieniami w USA około 85% wszystkich przypadków krztuśca dotyczyło dzieci w wieku 1–9 lat. Inaczej niż obecnie: 41% przypadków krztuśca dotyczy niemowląt, a 28% to dzieci w wieku 10 lat i starsze. W okresie przedszczepiennym na terenie Stanów Zjednoczonych odnotowywano średnio 7000 zgonów rocznie, zgodnie z aktualnymi doniesieniami liczba ta wynosi 10 rocznie.
Epidemie krztuśca w okresie przedszczepiennym występowały w 2–5-letnich okresach (średnio 3,2 lat); cykle te utrzymują się również w okresie stosowania szczepień. Przetrwanie wspomnianego cyklu zachorowań charakterystycznych dla okresu przed zastosowaniem szczepień wskazuje, iż mimo immunizacji pozwalającej kontrolować rozwój choroby, nie następuje zredukowanie transmisji drobnoustroju w populacji ludzkiej.
Wydają się to potwierdzać obserwacje poczynione w środowisku studentów uniwersyteckich. Okazało się, że u 26% studentów z chorobami objawiającymi się kaszlem trwającym co najmniej 6 dni wykrywa się B. pertussis. Chorobom tym nie towarzyszyło prawidłowe rozpoznanie kliniczne. Rezultat badań wskazuje, że zakażenie B. pertussis u dorosłych ma charakter endemiczny i w tym, być może, należy upatrywać przyczyn cyklicznych epidemii, dotykających wrażliwej części populacji dzieci. Poprawność tej hipotezy zdają się potwierdzać najnowsze obserwacje ze Stanów Zjednoczonych i Niemiec.
Problem krztuśca na świecie dobrze ilustrują raporty WHO. Wynika z nich, że na całym świecie B. pertussis jest przyczyną około 20–40 milionów przypadków choroby, z których 90% występuje w krajach rozwijających się. Przyjmuje się szacunkowo, iż roczna śmiertelność z powodu krztuśca zawiera się w przedziale 200–300 tysięcy. Chociaż krztusiec może występować w każdym wieku, większość poważnych przypadków choroby, jak również największa śmiertelność obserwowana jest we wczesnym dzieciństwie. Szczepionki są najbardziej racjonalnym podejściem do opanowania krztuśca. Zanim przejdę do problemu szczepionek, warto poznać choćby w zarysie właściwości zarazka stanowiącego czynnik etiologiczny choroby, jest on bowiem „tworzywem” szczepionek.
Zarazek
Wyizolowanie B. pertussis – głównego patogenu choroby – zostało opisane przez Bordet i Gengou w 1906 roku. 30 lat później B. parapertussis została rozpoznana przez Elderinga i Kendricka jako odrębny gatunek powodujący podobną chorobę. Badania genetyczne przeprowadzone w ostatnim czasie pozwoliły wykazać bardzo wysoki stopień pokrewieństwa między wymienionymi drobnoustrojami – homologia genetyczna wynosi 98,5%. Obydwa drobnoustroje odznaczają się ogromnym powinowactwem do nabłonka migawkowego dróg oddechowych. Fakt wysokiej adhezyjności wyjaśnia mechanizm procesu infekcji, jak również wysoką zakaźność wspomnianych drobnoustrojów.
Przygotowanie wartościowych szczepionek uwarunkowane jest wysoką wiedzą o komponentach tworzących warstwy „budulcowe” ściany komórkowej bakterii, jak również wiedzą o substancjach wydzielanych przez komórkę, bowiem właśnie te składniki są elementami „pierwszego kontaktu” patogennego drobnoustroju z organizmem człowieka. W przypadku B. pertussis już Bordet i Gengou wyodrębnili z komórek bakteryjnych endotoksynę o właściwościach letalnych dla organizmu myszy, królików i koni. Posiadała ona właściwości nekrotyzujące po podaniu doskórnym lub podskórnym śwince morskiej.
W latach pięćdziesiątych wyróżniano już 3 antygeny: aglutynogen, toksynę ciepłochwiejną i toksynę ciepłostałą.
Aglutynogen wyizolowany z komórki warunkował powstawanie swoistych aglutynin w organizmie królika, wykazywał toksyczność, powodował czynną odporność. Był używany do oceny poziomu odporności w historycznym już dzisiaj odczynie Flosdorfa.
Ciepłochwiejna toksyna, ulegająca zniszczeniu po 30 min. w temperaturze 56OC, posiadała właściwości nekrotyzujące po doskórnym podaniu królikowi. Podana dożylnie powodowała efekt letalny.
Właściwości ciepłostałej toksyny były wówczas mało znane.
Obecnie, po pięćdziesięciu latach, nasza wiedza jest znacznie lepsza i doskonalsze są również szczepionki.
Komponenty antygenowe i biologicznie czynne B. pertussis to:
- Fimbrie – dwa typy serologiczne (typ 2 i 3). Swoiste przeciwciała dla poszczególnych typów są warunkiem aglutynacji. Bakteria może zawierać typ 2 fimbrii, typ 3, typ 2 i 3 lub nie posiadać żadnego z wymienionych typów. Fimbrie mogą spełniać funkcję adhezyn.
- Hemaglutynina włókienkowa – proteina znajdująca się na powierzchni komórki; działa jak adhezyna.
- Toksyna krztuścowa, zwana również czynnikiem wspomagającym limfocytozę – klasyczna toksyna bakteryjna z enzymatyczną aktywnością podjednostki A i oligomerem B wiążącym białko. Aktywność toksyczna na modelu zwierzęcym wynika z nadwrażliwości histaminowej, wzmagania limfocytozy, stymulacji wydzielania insuliny oraz aktywności adjuwantowej i mitogenetycznej. Jako białko otoczkowe jest istotną adhezyną; upośledza funkcje obronne gospodarza.
- Cyklaza adenylowa; toksyna – enzym uwalniany na zewnątrz cytoplazmy – uszkadza funkcje immunologicznych komórek gospodarza i może powodować miejscowe uszkodzenie tkanki w układzie oddechowym.
- Toksyna ciepłochwiejna, zwana również toksyną dermonekrotyczną – białko cytoplazmy przyczyniające się do martwicy skórnej u zwierząt laboratoryjnych; może powodować miejscowe uszkodzenie tkanki układu oddechowego.
- Lipooligosacharyd; endotoksyna – otoczkowa endotoksyna o aktywności podobnej do endotoksyn bakterii Gram-ujemnych. Ważny czynnik reakcji wywołanych szczepionkami z całych komórek bakteryjnych. Przeciwciała skierowane przeciw lipooligosacharydom dają odczyn aglutynacji (aglutynogen typu 1).
- Cytotoksyna tchawicza – dwusacharydowo-czteropeptydowa pochodna peptydoglikanu; powoduje uszkodzenie miejscowe tkanek układu oddechowego.
- Pertaktyna – białko błony zewnętrznej o masie 69-kD, które jest bardzo ważną adhezyną; przeciwciała skierowane przeciw pertaktynie odznaczają się zdolnością zlepiania komórek bakteryjnych.
Szczepionki komórkowe – wczesne obserwacje
Zagadnienie szczepień zapobiegawczych przeciw krztuścowi podjęto już w 1913 roku (Nicolle i Connor). Pierwsze szczepionki zawierały inaktywowane, kompletne komórki bakteryjne. Jednakże wyniki szczepień nie odpowiadały pokładanym początkowo nadziejom. Nieco lepsze rezultaty zdołano uzyskać wprowadzając szczepionki zawierające znacznie zagęszczoną ilość komórek bakteryjnych. Należy jednak stwierdzić, że szczepionki przeciwkrztuścowe przygotowywane dostępnymi wówczas metodami, w opinii wielu ówczesnych klinicystów, praktycznie nie dawały dobrych rezultatów.
Pierwsze dokładniejsze dane dotyczące stosowania szczepionek zawierających zabite komórki B. pertussis i wynik ich ochronnego działania zostały opisane przez Madsena w 1925 roku. Dało to impuls do dalszych prac nad ulepszaniem szczepionek – w roku 1931 Leslie i Gedener wykazali, że kolonie gładkie – fazy I mają właściwości antygenowe i mogą one stanowić lepszy materiał do przygotowania szczepionek. Podkreślano, iż ważnym elementem skuteczności szczepionek jest duże zagęszczenie drobnoustrojów.
Warto zwrócić uwagę, że w dokumentach WHO przyjmuje się rok 1926 jako oficjalny termin wprowadzenia szczepionek przeciwkrztuścowych pierwszej generacji. Skuteczniejsze szczepionki, przygotowane z całych komórek bakteryjnych, stały się szerzej dostępne w latach czterdziestych. Ich stosowanie doprowadziło do radykalnego obniżenia wskaźnika zakażeń krztuścem w krajach, w których wprowadzono powszechną immunizację niemowląt i dzieci. Jednak nawet mimo wprowadzenia szczepień, sporadyczne, lokalne epidemie ciągle występują i są coraz bardziej przekonującym dowodem wszechobecności B. pertussis, ukrywających się często pod postacią nietypowych chorób u dzieci, młodzieży i dorosłych.
W okresie powojennym trwały prace nad udoskonaleniem szczepionek. Test ochronny na myszach wprowadzony przez Kendricka i wsp. w 1947 roku pozwolił na standaryzowanie szczepionek. Obszerne badania przeprowadzone przez British Medical Council w latach czterdziestych i pięćdziesiątych wykazały dobrą korelację między „siłą” ochronną szczepionki oznaczaną na myszach a jej skutecznością kliniczną u dzieci. W konsekwencji immunizacja przeciw krztuścowi, bardzo często w połączeniu z toksoidem błoniczym i tężcowym (DTP), stała się częścią rutynowego programu szczepień w wielu krajach świata.
Szczepionki komórkowe – doświadczenia późniejsze
Szczepionki zawierające „pełne” komórki są szeroko stosowane na świecie w wielu krajach realizujących programy ochronne. Zawierają one komórki bakterii zabitych i adsorbowanych na adjuwancie, jakim jest najczęściej związek glinu. W wielu krajach składnik krztuśca dodawany jest do szczepionki przeciwbłoniczej i przeciwtężcowej.
Okazało się, że z obecnością komponentu krztuścowego zawartego w szczepionkach DTP może być związany szereg negatywnych i niepożądanych skutków. Mają one zazwyczaj charakter przejściowy. Są to reakcje miejscowe, takie jak ból, zaczerwienienie, naciek w miejscu wstrzyknięcia, jak również reakcje o charakterze ogólnym, jak gorączka, rozdrażnienie, brak łaknienia, nieustanny płacz, epizody omdleniowe, napady drgawek. Przyjmuje się, że właśnie kompletne, całe komórki bakteryjne zawierające endotoksynę są najważniejszą przyczyną gorączki i bólu w miejscu wstrzyknięcia oraz innych często spotykanych reakcji. Długotrwały płacz jest wywołany miejscową bolesnością.
Już dość dawno, we wcześniejszym okresie stosowania szczepień uważano, że szczepionki używane w latach czterdziestych, zawierające całe komórki krztuśca, są przyczyną ciężkich reakcji neurologicznych oraz wypadków śmiertelnych. W latach siedemdziesiątych spektakularne doniesienia mediów w różnych krajach oraz wszelkiego rodzaju pseudonaukowe publikacje wywołały ogólną nieufność do stosowania szczepionek przeciwkrztuścowych. W doniesieniach tych sugerowano istnienie związku między szczepieniem przeciw krztuścowi i obserwowanymi jednocześnie poważnymi skutkami niepożądanymi pod postacią zespołu nagłej śmierci niemowląt (SIDS) oraz różnych powikłań neurologicznych. Doprowadziło to w latach siedemdziesiątych do wyraźnego obniżenia wskaźnika szczepień w Japonii i wielu innych krajach; również w Europie. Zdarzenia te wraz z dobrze udokumentowaną wysoką częstością negatywnych miejscowych i ogólnych reakcji doprowadziły do rozwoju badań nad nowymi szczepionkami, określanymi mianem szczepionek acellularnych. Był to jednocześnie okres, w którym podjęto wiele poważnych badań epidemiologicznych do ustalenia faktycznego stanu rzeczy. W przygotowanych następnie publikacjach udało się bez wątpliwości ustalić, że SIDS nie był spowodowany szczepionką przeciwkrztuścową i że realnie takie schorzenie jak „poszczepienna encefalopatia krztuścowa” nie istnieje. Wielu naukowców i grup ekspertów doszło do konkluzji, iż brak dowodów, aby wnioskować, że szczepionka przeciwkrztuścowa stanowi przyczynę uszkodzeń mózgu.
Szczepionki acellularne
Badania lat 70. wykazały, że trzy antygeny B. pertussis: toksyna krztuścowa, hemaglutynina włókienkowa i lipooligosacharyd były uwalniane do podłoża wzrostu podczas hodowli, i że istnieje możliwość zagęszczenia i wydzielenia ich drogą różnicowego ultrawirowania w gradiencie stężeń. Pozwoliło to na rozwinięcie w Japonii produkcji szczepionek przez sześć różnych firm. Wszystkie sześć szczepionek posiadało minimalną ilość endotoksyny, natomiast różniło się zawartością „toksoidu” toksyny krztuścowej (odtoksycznionej toksyny krztuścowej) i hemaglutyniny włókienkowej. Dodatkowo wykryto w pięciu z nich zawartość fimbrii typu 2 i pertaktyny.
Mimo ograniczonych dowodów skuteczności, owe sześć szczepionek zostało wprowadzonych w Japonii do rutynowego stosowania od roku 1981 i stanowią czynnik opanowania choroby w okresie 19 lat. Ponieważ wystarczające dane nie były dostępne w stosunku do żadnej ze szczepionek stosowanych wcześniej u niemowląt, niezwłocznie podjęto liczne i szeroko zakrojone badania w Europie, Afryce i Japonii. W wyniku wcześniejszych badań przeprowadzonych w Szwecji i Japonii w latach 1988 i 1990 udzielono licencji na dwie acellularne szczepionki w Stanach Zjednoczonych, stosowane jako czwarta i piąta dawka.
Badania dotyczące niemowląt zostały przeprowadzone w ostatnich latach. Obejmowały cztery kraje i dotyczyły ośmiu szczepionek. Miały one rozstrzygnąć ostatecznie o wartości szczepionek. Niektóre wyniki są już dostępne. Aktualnie wszystkie szczepionki charakteryzuje różny skład i stężenie antygenów. Należy stwierdzić, że wieloskładnikowa szczepionka zawierająca pertaktynę z dodatkiem odtoksycznionej toksyny krztuścowej i hemaglutyniny włókienkowej ma większą skuteczność w porównaniu ze szczepionką dwuskładnikową (odtoksyczniona toksyna krztuścowa i hemaglutynina) i jednoskładnikową (toksoid toksyny krztuścowej).
Wszystkie obecnie oceniane szczepionki acellularne są mniej reaktogenne w porównaniu ze szczepionkami z całych komórek. Planuje się, że różne wieloskładnikowe szczepionki zawierające toksoid toksyny krztuścowej, hemaglutyninę i pertaktynę lub toksoid toksyny krztuścowej, hemaglutyninę, pertaktynę i fimbrie, uzyskają odpowiednie zezwolenia na stosowanie w Stanach Zjednoczonych. Trójskładnikowa szczepionka zawierająca „odtoksycznioną” toksynę krztuścową, hemaglutyninę i pertaktynę została zatwierdzona do stosowania u noworodków od marca 1995 roku w Niemczech.
Należy zasygnalizować również inne, nowe kierunki rozwoju badań, a nawet wdrożeń związanych ze szczepionkami acellularnymi: od stycznia 1997 roku do Duńskiego Kalendarza Szczepień wprowadzono acellularną szczepionkę zawierającą 40 mg anatoksyny krztuścowej jako składnika wieloważnej szczepionki przeciwbłoniczej, przeciwtężcowej i przeciw Poliomyelitis (zawiera inaktywowane wirusy polio typu 1, 2 i 3).
Prowadzone od kilku lat badania w Niemczech wskazują na możliwość, od 1996 roku akceptowaną na terenie tego kraju, podawania acellularnej szczepionki przeciwkrztuścowej jako składnika szczepionki DTP łącznie ze szczepionką przeciw H. influenzae typ b. Autorzy przekonywująco dowodzą, że liczba szczepionek wieku dziecięcego wciąż wzrasta i koniecznością będzie ich łączne podawanie.
Ponieważ szczepionki acellularne są znacząco mniej reaktogenne w porównaniu do szczepionek zawierających całe komórki bakteryjne, pojawia się możliwość podwyższenia poziomu immunizacji młodzieży i dorosłych. W opinii wielu autorów, perspektywiczny program wykorzystania wieloskładnikowych szczepionek acellularnych, który uwzględnia stosowanie dawki przypominającej dla młodzieży i dorosłych, jest tak dobry jak powszechna immunizacja w dzieciństwie i będzie stanowił znaczący element opanowania choroby, a być może również – krążenia B. pertussis w otaczającym nas świecie.
Świat, w którym obecnie żyjemy, staje się coraz bardziej pragmatyczny, a jednocześnie coraz bardziej brutalny. Dlatego też warto może na zakończenie przypomnieć refleksję, którą w 1936 r. dzielił się na kartach swej książki znakomity lekarz, dyrektor Instytutu Pasteura w Tunisie, Laureat Nagrody Nobla – Charles Nicolle:
„Choroby zakaźne są stałymi, związanymi z naszym losem, towarzyszami ludzkiego istnienia. W chwili przyjścia na świat nosimy w sobie przyczyny niektórych zakażeń. Znajomość chorób zakaźnych poucza ludzi, że są braćmi i powinni być zgodni. Jesteśmy braćmi, ponieważ grozi nam wspólne niebezpieczeństwo oraz godzi świadomość, że źródłem zakażenia jest najczęściej nasze ludzkie otoczenie. Po co stwarzać sobie nowe, nieludzkie i okrutne cierpienia?”
Doc. dr hab. med. EUGENIUSZ MAŁAFIEJ
Kierownik Zakładu Mikrobiologii Klinicznej
Instytut Centrum Zdrowia Matki Polki.