Нове дослідження, опубліковане в журналі Journal of Medicinal Chemistry, показує, що новий кандидат на вакцину може захистити від фентанілу та його численних нелегальних варіантів, навчивши імунну систему розпізнавати широкий спектр молекулярних характеристик, а не будь-яку конкретну структуру. Ці результати свідчать, що вакцини нового покоління можуть випередити стрімкий розвиток синтетичних опіоїдів.
Фентаніл і споріднені синтетичні опіоїди є причиною величезної кількості смертей від передозування в усьому світі. У високих дозах ці синтетичні наркотики швидко проникають у мозок та порушують нейронні сигнали, які контролюють дихання. Виробники нелегальних наркотиків постійно змінюють хімічну структуру фентанілу, створюючи нові дизайнерські варіанти, що допомагає наркотикам уникати виявлення правоохоронними органами та випереджати стандартні медичні втручання.
"Я думаю, що цінність цього дослідження дуже велика, оскільки синтетичні опіоїди нікуди не подінуться, а героїн, по суті, помер", - сказав Кім Д. Джанда, професор хімії та імунології та директор Науково-медичного інституту Ворма у Scripps Research. "Хоча уряд і продовжить боротьбу з синтетичними наркотиками, але оскільки вартість таких товарів дуже низька (за 800 доларів можна купити близько 650 тисяч синтетичних наркотиків), продавці не будуть відмовлятися від них, а просто продовжуватимуть модифікувати структуру наркотиків, щоб зберегти їх ефективність".
Традиційні медичні заходи, включаючи експериментальні вакцини, зазвичай засновані на точній хімічній структурі вихідного препарату, щоб навчити імунну систему, на що слід націлюватися. Цей стандартний підхід розглядає молекулярне розпізнавання як таке, що значною мірою залежить від імітації точної фізичної структури або каркасу цільового препарату. Імунна система зазвичай створює антитіла, які діють як специфічний ключ, призначений для припасування до єдиного молекулярного замку.
Оскільки ринок нелегальних наркотиків розвивається так швидко, ця традиційна конструкція вакцини має вбудований недолік. На той час, коли вакцина розробляється і тестується для конкретного варіанта, підпільні лабораторії часто переходять до нової, модифікованої версії препарату.
"Суть у тому, що наркокартелі/підпільні лабораторії, які виробляють ці синтетичні речовини, постійно намагаються обійти контроль DEA, створюючи нові аналоги фентанілу", - зазначив Джанда. "Замість того, щоб постійно створювати нову вакцину для кожного варіанту, ми створили вакцину, яка дозволила б імунній системі діяти, в певному сенсі, як ШІ, який грає в шахи, де кожен їхній хід, як ми сподіваємося, створював би шах і мат імунної системи".
Вчені, які стоять за цим новим дослідженням, хотіли перевірити іншу гіпотезу щодо того, як антитіла взаємодіють із малими молекулами. Вони припустили, що імунній системі може знадобитися точна копія цільової молекули для успішного захисту. Натомість адаптивний імунітет може розпізнавати цілий клас наркотиків на основі загального просторового розташування та хімічної логіки.
Якщо це виявиться вірним, структурно модифікована вакцина потенційно може генерувати гнучку імунну відповідь, здатну перехоплювати широкий спектр нових синтетичних опіоїдів. Щоб перевірити цю ідею, дослідники створили нову молекулу вакцини. Вони почали з базової структури фентанілу, але замінили центральний кільцеподібний компонент, відомий як піперидинове кільце, на іншу, більш обмежену хімічну структуру.
Ця хімічна заміна радикально змінила тривимірну форму та подання молекули. Хоча нова молекула фізично відрізнялася від стандартного фентанілу, вона зберегла деякі основні просторові та електричні характеристики, характерні для класу фентанілових препаратів.
Потім вчені приєднали цю модифіковану молекулу, яка називається гаптеном, до більшого білка-носія, щоб гарантувати, що вона викличе імунну відповідь. Гаптен - це просто невелика молекула, яка може викликати імунну реакцію лише тоді, коли вона приєднана до більшої білкової структури. Новий підхід не гарантував успіху.
"Думаю, це здивувало студентів, які працювали над цим проєктом", - сказав Джанда в інтерв'ю PsyPost. "Вони не вірили, що моя ідея спрацює".
Автори оцінили свою нову вакцину на самках мишей породи Swiss Webster. Задля більшої статистичної вірогідности тварини було поділено на групи по шість особин. Одна група отримала структурно модифіковану вакцину, інша — стандартну вакцину на основі фентанілу для прямого порівняння, а третя контрольна група отримала лише носій без активної молекули лікарського препарату.
Вакцини вводилися в черевну порожнину тварин чотирма дозами протягом восьми тижнів, а саме на нульовому, другому, четвертому та восьмому тижнях. Зразки крові збиралися на третьому, п'ятому та дев'ятому тижнях для вимірювання рівня та типу антитіл, що виробляються мишами. Потім вчені провели безліч тестів, щоб визначити, наскільки добре антитіла розпізнають та нейтралізують фентаніл та його різні варіанти.
У лабораторних експериментах у пробірках сироватка крові мишей, які отримали модифіковану вакцину, показала широке розпізнавання класу препаратів фентанілу. Антитіла успішно зв'язувалися з фентанілом та кількома небезпечними його варіантами, включаючи карфентаніл, ацетилфентаніл та фуранілфентаніл. Водночас антитіла повністю ігнорували стандартні медичні опіоїди, такі як морфін, метадон і оксикодон.
Дослідники також перевірили фізіологічні реакції вакцинованих мишей, піддаючи їх впливу зростальних доз фентанілу, від 50 до 4800 мкг на кілограм маси тіла. Вони вимірювали больові реакції за допомогою стандартних тестів з поверхнею, що нагрівається, і хвостового рефлексу. У контрольній групі миші демонстрували сильну дію препарату навіть за низьких доз, зазвичай близько 150 мкг на кілограм.
Для досягнення аналогічних ефектів вакцинованим мишам були потрібні набагато вищі дози, що свідчить про успішне блокування препарату антитілами. Для мишей із модифікованою вакциною необхідна доза збільшилася до 1400–1800 мікрограмів на кілограм. Ця значна зміна підтверджує, що нетрадиційна вакцина захищала тварин так само ефективно, як і стандартна вакцина на основі фентанілу.
Для вимірювання захисту від найнебезпечнішого ефекту передозування автори помістили мишей у спеціальні камери для спостереження за їх диханням. У невакцинованих мишей спостерігалося швидке та різке зниження функції дихання протягом десяти хвилин після дії фентанілу, майже до 40 відсотків від нормального базового рівня. Вакциновані миші підтримували нормальне дихання протягом 45-хвилинного періоду спостереження, демонструючи високий рівень захисту від дихальної недостатності.
Нарешті, вчені виміряли концентрацію фентанілу в крові та тканинах головного мозку тварин рівно через п'ятнадцять хвилин після контрольованого впливу. У контрольній групі середній рівень фентанілу в мозку становив 61,9 наномолярів, що вказує на концентрацію препарату в тканинах мозку. У мишей, які отримали модифіковану вакцину, рівень фентанілу в мозку значно знизився до 172 наномолярів.
Водночас кількість фентанілу в крові вакцинованих мишей різко збільшилася, досягнувши 1719 наномолярів у порівнянні з всього 15 наномолярів у контрольній групі. Ця значна зміна розподілу препарату вказує на те, що вакцина спрацювала саме так, як і передбачалося. Антитіла, що циркулювали, затримували молекули фентанілу в крові, запобігаючи їх проникненню в мозок, де вони викликають смертельне пригнічення дихання.
Потенційне неправильне тлумачення цієї роботи полягає в тому, що така вакцина діє як ліки проти опіоїдної залежності. Ця вакцина призначена виключно для затримки препарату в кровотоку та запобігання смертельним передозуванням, а не для боротьби з неврологічною тягою або психологічними компонентами розладів, пов'язаних із вживанням психоактивних речовин. Джанда підкреслив це конкретне зауваження щодо того, як це лікування вписується в ширші медичні стратегії.
"Вакцини самі по собі не є панацеєю для викорінення розладів, пов'язаних із вживанням психоактивних речовин, скоріше це ще один інструмент в арсеналі медицини, покликаний запобігти передозуванням/розладам, пов'язаним із вживанням опіоїдів", - пояснив Джанда. Вони будуть біологічним захистом, що запобігає смерті, а не самостійним методом лікування основної залежності.
Ще одним обмеженням є те, що моделі на тваринах не завжди точно передбачають реакцію імунної системи людини на нову вакцину. Імунофізіологія мишей відрізняється від людської, а це означає, що необхідне дозування та загальна ефективність можуть змінитися у процесі клінічного застосування. У майбутніх дослідженнях, ймовірно, потрібно буде протестувати реакцію живих тварин на широкий спектр синтетичних варіантів, щоб підтвердити універсальний захист.
Надалі автори припускають, що ця платформа молекулярного дизайну може бути розширена для боротьби з іншими мінливими біологічними загрозами. Наступні наукові кроки включатимуть удосконалення складу вакцини та підготовку до клінічних випробувань для оцінки безпеки на людях. Проте замість комерціалізації саме цієї вакцини дослідницька група обрала інший шлях.
"Я опублікував результати цієї роботи без патентів, щоб будь-хто, хто зацікавлений у боротьбі з наркоманією, міг цим зайнятися", - зазначив Джанда. "Я давно вирішив, що не намагатимуся наживатися на чужих стражданнях і нещастях".
