ワクチンの進化：ジェンナーの天然痘ブレークスルーから現代免疫学まで

背景

ウイルス性疾患から守るワクチンの開発は、現代医学の殿堂的成果の一つです。最初のワクチンは1796年、エドワード・ジェンナーが天然痘予防を目的として作製しました。ジェンナーは、比較的無害な感染症である牛痘にかかった乳搾り女性が、定期的に流行し極めて高い致死率を示す人間の病気である天然痘に抵抗性を持つことに気づきました。

ジェンナーは（正しく）牛痘（動物の病気）が天然痘と類似していると理論化しました。牛痘ウイルスの接種により、重篤な病気や死を引き起こすことなく、人間の体が両ウイルスに対応するよう「学習」すると結論づけました。今日、天然痘は完全に根絶されています。この猛毒ウイルスの凍結サンプルはわずか2つのみ現存（米国とロシアに各1つ）、1990年代中期時点ではこれらを破棄すべきか、さらなる研究のため保管すべきかで真剣な科学的議論が交わされていました。

ウイルスはRNA（リボ核酸）と/またはDNA（デオキシリボ核酸）の小さな断片で、全生物細胞に存在し、細胞の成長と増殖を指示する物質です。ウイルスは単独では増殖できず、宿主細胞の核を乗っ取り、さらにウイルスを作らせることでのみ増殖します。ウイルスが生物体への侵入に成功すると、宿主の細胞増殖プロセスを掌握します。

通常、人体はウイルス侵入に対して複数の方法で応答します。ウイルス侵入の標的となる体内細胞が一般的な免疫を獲得し、ウイルスの宿主細胞へのアクセスを阻止するケース。より一般的なのは、血液細胞とリンパ細胞が侵入ウイルスを破壊またはその効力を制限する能力を獲得するケース。多くの場合、感染した人体は将来的に特定のウイルスにどう応答すべきかを「学習」し、特に比較的良性のウイルスによる単一感染で、同じウイルスの再侵入に対応できるようになります。風邪は数百種類のウイルスのいずれかによるものです。風邪から回復すると、その特定の風邪ウイルスには抵抗性ができますが、類似のウイルスは依然として同様の症状を引き起こします。無害なウイルスの場合、目立った病気になることなく免疫を獲得することさえあります。

ウイルスファミリー

特定のウイルスには通常、複数の変異株や株が存在します。種類の数に応じて、生物学者はウイルスを型や株に分類します。ワクチンはしばしば関連する複数のウイルス群から作られます。多価ワクチンによる予防反応は、その群のほぼすべての変異株、または少なくとも人が遭遇する可能性のある変異株に対する免疫をもたらす可能性が高いです。ワクチンに使用する群の特定メンバーの選定は、綿密な注意と熟慮をもって行われます。

製造
工程

今日の抗ウイルスワクチン製造は、実験室での潜在的ワクチン作製という困難な作業を経た後でも、複雑なプロセスです。少量の潜在的ワクチン製造から、安全なワクチンをガロン単位で生産する製造段階への移行は劇的で、単純な実験室手順がそのまま「スケールアップ」に適するとは限りません。

種ウイルス（シード）

• 1. 製造は特定のウイルス（シード）の少量から始まります。ウイルスは他の類似ウイルスや同種の変異株を含む不純物から完全にフリーでなければなりません。また、シードは「理想的な」条件（通常は凍結保存）で管理され、ウイルスが意図せず強毒化または弱毒化することを防ぎます。5-10立方センチメートルという微量のガラス/プラスチック容器に保管されますが、数千〜数百万のウイルスを含み、最終的に数百リットルのワクチンへとつながります。冷凍庫は指定温度で維持され、外部のチャート/ダイヤルで温度を連続記録。温度逸脱時は可聴アラームやコンピュータアラームで警告。

ウイルスの増殖

• 2. 解凍し、厳密に指定された条件（室温または水浴）でシードウイルスを温めた後、少量のウイルス細胞を「セルファクトリー」と呼ばれる小型装置に投入。適切な培地を加えることでウイルス細胞を増殖させます。各ウイルス種は特定の培地で最もよく増殖します（これは製造前の実験室手順で確立）が、すべて何らかの形で哺乳動物由来タンパク質（牛血液精製タンパク質など）を含みます。培地にはウイルス細胞の増殖を促す他のタンパク質と有機化合物も含まれます。ウイルスにとって、セルファクトリー内の培地は増殖のための宿主です。適切な培地、温度、所定時間で混合すると、ウイルスは増殖します。
• 3. 温度以外にも、混合物のpHなどを監視する必要があります。pHは0-14のスケールで酸性/塩基性を測定し、ウイルスはセルファクトリー内で規定pHに維持されなければなりません。純水（中性）のpHは7です。細胞培養容器はそれほど大きくありません（4-8クォート鍋程度）が、驚くほど多くのバルブ、チューブ、センサーが接続されています。センサーがpHと温度を監視し、培地や酸素などの化学薬品添加用接続、顕微鏡分析用サンプリングポート、セルファクトリー構成要素の無菌投入と中間製品の無菌取り出し口を備えます。
• 4. セルファクトリーで増殖したウイルスを培地から分離し、第2の培地に移して更なる増殖を行います。40-50年前の初期手法では瓶を使用し、培地表面に浮かぶ単層のウイルス層が得られました。やがて瓶を回転させながら増殖させると、瓶の内側全面にウイルス層が形成され、より多くのウイルスが生産できることが判明。1940年代の重要な発見は、酵素を培地に添加すると細胞増殖が大幅に促進されることでした。最も一般的に使用されるのはトリプシンです。酵素はタンパク質であり、細胞の栄養と増殖において触媒として機能します。

  現在では瓶は全く使用されません。増殖中のウイルスはセルファクトリーと類似したより大きな容器に保管され、「ビーズ」（近微小粒子）と混合されます。ウイルスはビーズに付着し、これにより付着面積が大幅に増大し、結果としてウイルスの大幅な増殖が可能になります。セルファクトリーと同様に温度とpHを厳密に管理。ウイルス増殖にかける時間は生産するウイルス種により異なり、各ケースでメーカーの極秘事項とされています。

分離

• 5. 十分な量のウイルスが得られたら、ビーズから1つ以上の方法で分離します。濾過（ウイルスが通過できるがビーズは通過できない孔径のフィルター）、遠心分離（数回繰り返してウイルスとビーズを分離）、別の培地でビーズ混合物をフラッディングしてウイルスを洗い流す、などの方法があります。

株の選択

最終的なワクチンは、弱毒化（アッテネート）ウイルスか、不活化（キルド）ウイルスのいずれかで構成されます。どちらを選ぶかは、結果としてのワクチンの有効性と副作用など複数の要因によります。インフルエンザワクチンは原因ウイルスの新変異株に対応してほぼ毎年開発され、常に弱毒化生ワクチンです。ウイルスの毒性が選択を決めることもあり、狂犬病ワクチンは常に不活化ワクチンです。

• 6. 弱毒化ワクチンの場合、ウイルスは通常製造工程に入る前に弱毒化されます。慎重に選ばれた株を様々な培地で繰り返し培養（継代）します。増殖とともに強毒化する株もあれば、繰り返し培養で弱りすぎる株もあり、これらはワクチン用として不適格。グリム童話のゴルディロックスが気に入った粥、椅子、ベッドのように、「ちょうど良い」弱毒化レベルに達し、それ以上強度が変化しない株のみがワクチン用として受け入れられます。最近の分子技術により、生ウイルスを分子操作で弱毒化することが可能になりましたが、この手法はまだ稀です。
• 7. ウイルスを培養培地から分離。複数タイプのワクチン（ほとんどが該当）は包装前に混合されます。患者に投与される実際のワクチン量は、それを担う媒体に比べて比較的少量です。注射用ワクチンに水、アルコール、その他の溶液のどれを使用するかは、安全性、無菌性、安定性について繰り返しテストした後に決定されます。

品質管理

ワクチンの純度と、製造・包装作業員の安全を守るため、実験室レベルの清潔さが全工程で維持されます。ウイルスと培地のすべての移動は無菌条件下で実施。使用するすべての器具はオートクレーブ（熱で生物を殺滅する装置。宝石箱大からエレベーター大まで様々）で滅菌し、使用前後に実施。作業員はディスポーザブルのタイベックガウン、手袋、ブーツカバー、ヘアネット、フェイスマスクなどの防護服を着用。製造室は特別に空調管理され、空気中の粒子数を最小限に抑えています。

承認プロセス

米国で処方薬を販売するには、法律で定められFDA（食品医薬品局）が施行する厳格なライセンス要件を満たす必要があります。

すべての処方薬は3相試験を受ける必要があります（第2相データが第3相要件を満たす場合もあります）。第1相試験では、医薬品が安全であること、または投与により予期せぬ有害作用が生じないことを証明しなければなりません。第1相を通過したら、次は有効性試験。意図した効果を発揮すること、効果がない、または持っていない効果を主張する薬は販売できません。最終的に第3相試験で、医薬品の有効性の程度を定量化します。ワクチンは100%近い有効性が期待されますが、処方医が確率を知っていれば、限定的有効性でも許容される医薬品もあります。

製造工程全体がFDAによって慎重に審査され、手順記録の検証と製造現場の実地視察が行われます。製造工程の各ステップは文書化され、メーカーは製造工程の「管理状態」を証明しなければなりません。これは、すべてのステップについて綿密な記録を保持し、各ステップの書面手順書が存在することを意味します。重大な過誤がない限り、FDAはプロセスの各ステップが正しいかどうかではなく、安全であり、メーカーが規定した通りに実行できるよう十分に文書化されているかを判断します。

将来展望

使用可能で安全な抗ウイルスワクチンの製造には多数のステップが関わりますが、残念ながらすべてのウイルスに対して常に実行可能とは限りません。まだやるべきこと、学ぶべきことは山ほどあります。分子操作の新手法により、複数の科学者が「ワクチン技術はまさに今『黄金時代』に入ったばかりだ」と確信しています。既存ワクチンの改良も将来期待されます。例えば狂犬病ワクチンは副作用があり、大規模予防接種には不満足。米国では現在、感染動物からウイルスを感染させられた患者で、免疫なしでは致死的な病気になる可能性が高い場合のみ使用されています。

生物学者がエイズの原因と信じるHIVウイルスは、現在のところ従来のワクチン製造法では対応できていません。エイズウイルスは急速に株から株へ変異し、特定の株が他の株に対する免疫をもたらすことはないようです。また、弱毒化または不活化ウイルスの限定的な免疫効果も、実験室でも試験動物でも実証できていません。HIVワクチンはまだ開発されていません。