Впервые структурная идентичность и иммуногенность антигена, синтезированного в растениях, была подтверждена в 1992 г., когда были получены трансгенные растения табака, экспрессирующие поверхностный антиген вируса гепатита В (HBsAg). Показано, что HBs-антиген, синтезируемый растениями картофеля, вызывал у мышей более сильный иммунный ответ, чем продуцируемый дрожжами. Проведены испытания вакцины на основе трансгенного картофеля на добровольцах и показана ее иммуногенность при оральном введении.
Некоторые данные по синтезу антигенов по растениям приведены в табл.3.
В настоящее время интенсивно разрабатывается концепция «съедобных вакцин» на основе трансгенных растений, чьи плоды, листья и семена годятся в пищу. В случае успеха отпадает потребность в дорогостоящей очистке антигенов, которая необходима при создании вакцин для парентерального введения. Различные субъединичные вакцины экспрессированы в растениях и для многих из них показана иммуногенность при оральном введении людям и животным. Антигены, экспрессируемые в растениях, защищены растительными клеточными стенками от протеолиза при прохождении пищеварительного тракта и могут быть легко доставлены к клеткам слизистой оболочки кишечника, ответственным за мукозную систему иммунитета.
Две вакцины, синтезируемые в растениях картофеля уже прошли стадию клинических испытаний – это субъединица В термолабильного токсина (LT-B) энтеротоксигенного штамма E.coli (ETEC) и капсидный белок вируса Норфолк (NVCP). На основе семян кукурузы создана вакцина, защищающая свиней от вирусного гастроэнтерита. Уровень экспрессии белка для создания съедобных вакцин должен быть достаточно высок.
Иногда антигены сшивают с другими белками для облегчения детекции, например, субъединицу холерного токсина (CTB) эффективно используют для сшивки с другими белками-антигенами и последующей трансформации растений. Например, была описана экспрессия эпитопа HVR1 вируса гепатита С, сшитого с CTB, на основе вируса табачной мозаики [103]. Растения табака, инокулированные этим вирусом, синтезировали функциональный белок CTB-HVR1, реагирующий с моноклональными антителами против HVR1, а также с сывороткой крови людей, инфицированных вирусом гепатита С. Другие исследователи сшили эпитоп ротавирусного энтеротоксина NSP4 с CTB и трансформировали полученной конструкцией картофель [10]. Эта работа была продолжена созданием мультикомпонентной вакцины, состоявшей из белка NSP4-CTB и фимбриального антигена из энтеротоксичного штамма E. coli, слитого с субъединицей холерного токсина CTA2 [166]. Два этих белка собирались в структуры, подобные целому холерному токсину, и сохраняли способность связываться с рецепторами кишечника. У орально иммунизированных мышей вырабатывались антитела против патогенных антигенов, а также уменьшились симптомы диареи после заражения ротавирусом.
Эффективность экспрессии определенных белков под контролем различных регуляторно-промоторных элементов может зависеть от выбора конкретного растения-продуцента. По-видимому, в ближайшем будущем будут разработаны различные специализированные системы продукции белков фармацевтического назначения: «растение (орган, ткань) – ген целевого белка – регуляторные элементы генетической экспрессии». Для биосинтеза низкомолекулярных биологически активных вешеств выбор растений-продуцентов будет определяться присутствием и количественным содержанием конкретных вторичных метаболитов – субстратов для проведения целевой энзиматической реакции. Выбор растения-продуцента биологически активных веществ фармацевтического назначения будет определяться и такими требованиями как экономичность, затраты на культивирование растений и их хранение, легкость выделения из них целевых белков.
Таким образом, можно с уверенностью заключить, что трансгенные растения имеют все перспективы стать безопасными и экономически выгодными системами для получения разнообразных биологически активных веществ для фармакологии.
Таблица 1. Некоторые белки, синтезируемые трансгенными растениями
Белок | Область применения | Растение |
Соматотропин | Гормон роста | Табак, подсолнечник |
Энкефалины | Передозировка наркотических веществ | Табак |
Человеческий сывороточный альбумин | Цирроз печени, ожоги, хирургия | Табак, картофель |
Эпидермальный фактор роста | Стимуляция роста клеток кожи и роговицы | Табак |
α-Трихосантин | Терапия СПИДа | Nicotiana bethamiana |
α-Интерферон | Гепатиты В и С, опоясывающий лишай, вирусные бородавки | Рис, турнепс, картофель |
β-Интерферон | То же | Табак |
γ-Интерферон | Хронический грануломатоз, лейшманиоз, лепра | Табак |
Интерлейкины IL-2, IL-4, IL-10, IL-12, IL-18 | Лейшманиоз, адъюванты | Табак, картофель |
Эритропоэтин | Анемия | Табак |
Гирудин | Ингибитор тромбина | Рапс |
Глюкоцереброзидаза | Болезнь Гоше | Табак |
α,β-Гемоглобин | Заменитель крови | Табак |
β-Казеин | Пищевая добавка | Картофель |
Авидин, стрептавидин | Биотин-связывающие белки | Картофель, томаты, кукуруза |
Гранулоцит-макрофаг-колониестимулирующий фактор | Антираковая терапия | Табак |
α,β-Лактальбумин | Пищевая добавка | Табак, кукуруза |
Апротинин | Ингибитор трипсина при трансплантации | Кукуруза |
α1-Антитрипсин | Ингибитор протеаз, заболевания печени | Рис |
Коллаген | Заживление ран | Табак |
Лактоферрин | Бактериальные инфекции | Картофель |
Кальмодулин | Активатор белков | Табак |
TNF-α | Фактор некроза опухолей | Картофель |
Трипсин | Расщепление белков | Кукуруза |
Рицин В | адъювант | Табак |
Лизоцим | Инфекционные заболевания | Рис |
Эластин | Восстановление повреждённых сухожилий, стенок сосудов | Табак, картофель |
Таблица 2. Антитела, синтезируемые трансгенными растениями
Применение | Антиген | Тип антител | Растение |
Онкология (рак кишечника, легких, опухоли эпителиального происхождения | Раково-эмбриональный антиген человека | Мышино-человеческие химерные антитела IgG1 (cT84.66), scFv T84.66, T84.66/G68 | табак |
scFvT84.66 | пшеница | ||
рис | |||
Нейтрализация вируса бешенства | Белок вируса бешенства | Моноклональные антитела mAb SO57 | табак |
ИФА-диагностика | Антитела против человеческого IgG | C5-1 IgG | люцерна |
Предотвращение зубного кариеса | Поверхностный антиген стрептококка SAI/II | Guy’s 13 IgG IgA/G sIgA/G | табак |
Терапия рака толстой кишки | Поверхностный антиген | CO-17 A IgG | Nicotiana benthamiana |
Лечение герпеса типа 2 | Белок вируса герпеса HSV-2 | IgG, IgA, DigA или sIgA IgG1 Fab и F(ab′)2 | рис, соя |
Болезни сердца, митохондриальные нарушения, миопатии, ревматизм и другие болезни, связанные с повышенным или уменьшенным уровнем креатинкиназы | Креатинкиназа человека | MAK33 IgG1 | арабидопсис |
Fab-фрагмент | арабидопсис | ||
табак | |||
MAK33 scFv | табак | ||
MAK33 Fab-фрагмент | арабидопсис | ||
Лечение B-клеточной лимфомы | Поверхностный Ig опухоли | 38C13 scFv | Nicotiana benthamiana |
Иммуноаффинная очистка рекомбинантного HBsAg | Поверхностный антиген вируса гепатита В (HBsAg) | scFv | табак |
Таблица 3. Субъединичные вакцины, синтезируемые трансгенными растениями
Белок | Растение |
Поверхностный антиген оболочки вируса гепатита В (HBsAg) | табак |
картофель | |
люпин | |
cалат | |
физалис | |
бананы | |
Эпитоп HVR1 вируса гепатита С, слитый с CTB | табак |
Белок HEV-E2 вируса гепатита Е | томаты |
В-субъединица термолабильного токсина LT-B из энтеротоксичного штамма E.coli | табак |
картофель | |
кукуруза | |
В-субъединица холерного токсина СT-B | картофель |
табак | |
томат | |
Белок капсида вируса гастроэнтерита человека Norwalk (NVCP) | табак |
картофель | |
Гликопротеин вируса бешенства | томат |
Антиген DRg24 вируса бешенства | табак, шпинат |
Гликопротеин S вируса гастроэнтерита свиней (TGEV) | арабидопсис |
табак | |
кукуруза | |
Антиген сибиреязвенной палочки | табак |
G-белок вируса RSV | табак |
F-белок вируса RSV | томат |
Гликопротеин В цитомегаловируса человека | табак |
Гемагглютинин вируса кори (MV-H) | морковь, табак |
Белки вируса папилломы человека (L1) | Nicotiana benthamiana картофель |
Столбнячный токсин TetC | табак |
Белок VP1 вируса ящура | арабидопсис, люцерна, картофель |
S1-белок коронавируса атипичной пневмонии | табак, томаты |
Капсидный белок p24 вируса HIV-1 | табак |
Белок Tat вируса HIV-1 | картофель |
шпинат | |
Белок оболочки вируса HIV-1 (gp41) | Nicotiana benthamiana |
Туберкулезный антиген ESAT-6, слитый с LTB | арабидопсис |