Анатоксины: получение и применение в вакцинах

Анатоксин (токсоид) - это бактериальный токсин, который специально обработали так, что он потерял ядовитость, но сохранил способность вызывать иммунный ответ. На этом построены прививки от столбняка и дифтерии: организм встречает безопасную копию токсина, учится против неё и потом готов отразить настоящий. Тема путаная из-за похожих слов - анатоксин, антитоксин, токсин - и из-за того, что в учебниках по-разному описывают сам процесс инактивации. Ниже разберём, что именно происходит с молекулой, почему она остаётся узнаваемой для иммунитета и где конкретно используются анатоксины. Если нужно решить свою задачу или подготовить ответ к коллоквиуму, соберите запрос в калькуляторе ниже.

Что такое анатоксин и чем он не является

Анатоксин - это инактивированный экзотоксин. Исходно бактерия (возбудитель столбняка Clostridium tetani, дифтерии Corynebacterium diphtheriae) выделяет белковый токсин, который и вызывает болезнь. Если этот токсин лишить токсичности, но не повредить участки, которые распознаёт иммунная система, получится анатоксин - основа вакцины.

Ключевая путаница: анатоксин и антитоксин - это разные вещи.

• Анатоксин - это сам обезвреженный антиген. Его вводят, чтобы организм сам выработал защиту. Это активная иммунизация.
• Антитоксин - это уже готовые антитела (обычно лошадиная или человеческая сыворотка), которые вводят, когда защищаться нужно немедленно. Это пассивная иммунизация.

Грубо говоря, анатоксин - это «учебник», по которому иммунитет учится, а антитоксин - это «шпаргалка» с готовыми ответами на один раз. Свойства самого антигена, которые определяют силу ответа на анатоксин, подробно разбираются в материале про иммуногенность и специфичность антигенов.

Получение: обработка токсина формалином

Классический способ получения анатоксина предложил Гастон Рамон в 1923 году, и принцип не изменился до сих пор. Последовательность такая:

1. Культивирование. Выращивают бактерию-продуцент в питательной среде, она выделяет экзотоксин в культуральную жидкость.
2. Фильтрация. Бактериальные клетки отделяют, остаётся раствор токсина.
3. Детоксикация. К токсину добавляют формалин (раствор формальдегида, обычно около $0{,}3{-}0{,}4\%$) и выдерживают при температуре около $37{-}40\,{}^\circ\text{C}$ в течение нескольких недель (3–4 недели).
4. Очистка и концентрирование. Полученный анатоксин очищают от балластных белков, проверяют на остаточную токсичность и стерильность.
5. Сорбция. Чаще всего анатоксин адсорбируют на геле гидроксида алюминия - это усиливает иммунный ответ (адъювантный эффект).

Формальдегид образует поперечные сшивки между аминогруппами белка (главным образом по остаткам лизина). Эти сшивки «замораживают» молекулу: активный центр токсина теряет работоспособность, фермент не может больше повреждать клетки. При этом общая форма белка и поверхностные эпитопы (участки, которые узнают антитела) сохраняются почти неизменными.

Рассчитать для своей задачи

Почему анатоксин остаётся иммуногенным

Иммуногенность - это способность вещества вызывать иммунный ответ. Она зависит от того, насколько молекула крупная, чужеродная и сложная по структуре. Бактериальные токсины - крупные белки со множеством антигенных детерминант, поэтому даже после сшивки формалином они остаются прекрасными антигенами.

Логика разделения двух свойств молекулы такая:

$\text{токсин} = \underbrace{\text{токсичность}}_{\text{активный центр}} + \underbrace{\text{иммуногенность}}_{\text{поверхностные эпитопы}}$

Формалин бьёт по первому слагаемому и почти не трогает второе. В результате анатоксин - это антиген без яда. Когда он попадает в организм, B-лимфоциты распознают его эпитопы, активируются с помощью T-хелперов, и запускается выработка антител. Часть лимфоцитов превращается в клетки памяти - именно они обеспечивают долговременную защиту. Из-за того что анатоксин - белковый T-зависимый антиген, при ревакцинации происходит переключение классов иммуноглобулинов с IgM на IgG и нарастание авидности антител.

Активный и пассивный иммунитет: где место анатоксина

Анатоксин даёт активный иммунитет: организм сам нарабатывает антитела, защита формируется за недели, но держится годами. Это противоположность пассивной иммунизации антитоксином.

Рассчитать для своей задачи

Сравним два подхода на примере столбняка:

При глубокой загрязнённой ране непривитому человеку часто вводят и анатоксин, и антитоксин одновременно: антитоксин защищает прямо сейчас, а анатоксин запускает собственный иммунитет на будущее.

Применение: какие анатоксины используют

Самые известные анатоксины - столбнячный и дифтерийный, они входят в большинство календарных прививок.

• Столбнячный анатоксин (АС) - защищает от токсина C. tetani. Входит в АКДС, АДС, АДС-М.
• Дифтерийный анатоксин (АД) - защищает от токсина C. diphtheriae. Тоже входит в АКДС, АДС, АДС-М.
• АКДС - комбинированная вакцина: Адсорбированная Коклюшно-Дифтерийно-Столбнячная (дифтерийный + столбнячный анатоксины + убитые коклюшные бактерии).
• АДС - Адсорбированный Дифтерийно-Столбнячный анатоксин (без коклюшного компонента).
• АДС-М - та же АДС, но с уменьшенным (М - малое) содержанием антигенов, для ревакцинации взрослых и детей старше 6 лет.

Применяют анатоксины и против других токсин-опосредованных инфекций: ботулинический анатоксин, стафилококковый анатоксин, анатоксин против газовой гангрены. Принцип везде один - обезвредить ключевой токсин возбудителя и научить против него иммунитет.

Ревакцинация: почему недостаточно одной прививки

Первичная вакцинация анатоксином даёт умеренный уровень антител, который со временем падает. Чтобы защита держалась, нужны повторные введения - ревакцинации. Каждая встреча с анатоксином работает по принципу вторичного иммунного ответа: антитела вырабатываются быстрее, их больше, и они более авидные за счёт клеток памяти.

Для столбняка и дифтерии у взрослых ревакцинацию АДС-М проводят раз в 10 лет. Именно поэтому при травме врач спрашивает, когда была последняя прививка: если прошло больше 5–10 лет, защиту обновляют. Способность иммунной системы по-разному отвечать на «свои» и обезвреженные чужие антигены связана с механизмами иммунологической толерантности - анатоксин намеренно сделан так, чтобы не попасть под толерантность, а вызвать полноценный ответ.

Частые ошибки

• Путают анатоксин и антитоксин. Анатоксин - это антиген (обезвреженный токсин), антитоксин - это готовые антитела (сыворотка). Анатоксин учит, антитоксин защищает на один раз.
• Думают, что анатоксин защищает от бактерии. Он защищает только от токсина. Носительство бактерии при этом возможно.
• Считают, что хватает одной прививки. Без ревакцинации уровень антител падает; для столбняка и дифтерии нужны повторы примерно раз в 10 лет.
• Называют детоксикацию «убийством бактерий». Формалин обрабатывает не бактерию, а уже выделенный ею белковый токсин в растворе.
• Путают АКДС, АДС и АДС-М. Различие - в наборе компонентов и дозе антигена, а не в принципе действия.

FAQ

Чем анатоксин отличается от антитоксина? Анатоксин - это обезвреженный токсин, антиген; его вводят, чтобы организм сам выработал антитела (активный иммунитет). Антитоксин - это готовые антитела в виде сыворотки; их вводят для немедленной, но кратковременной защиты (пассивный иммунитет).

Чем токсин обрабатывают, чтобы получить анатоксин? Классически - формалином (раствором формальдегида) при температуре около $37{-}40\,{}^\circ\text{C}$ в течение 3–4 недель. Формальдегид образует сшивки в молекуле белка, выключая токсичность, но сохраняя поверхностные эпитопы для распознавания иммунной системой.

В какие вакцины входят анатоксины? Столбнячный и дифтерийный анатоксины входят в АКДС (с коклюшным компонентом), АДС и АДС-М (без коклюшного, с уменьшенной дозой для старших возрастов и взрослых).

Коротко

Анатоксин - это бактериальный токсин, обработанный формалином: он потерял ядовитость, но сохранил поверхностную структуру, по которой иммунитет учится вырабатывать антитела. В этом его отличие от антитоксина - готовых антител для экстренной защиты. Получают анатоксин культивированием бактерии, фильтрацией токсина, детоксикацией формалином, очисткой и сорбцией на адъюванте. Применяют прежде всего как столбнячный и дифтерийный анатоксины в составе АКДС, АДС и АДС-М, обновляя защиту ревакцинацией примерно раз в 10 лет.