Evolusi Vaksin: Dari Temuan Jenner hingga Imunologi Modern

Latar Belakang

Pengembangan vaksin untuk melindungi dari penyakit virus adalah salah satu ciri khas ilmu medis modern. Vaksin pertama diproduksi oleh Edward Jenner pada 1796 dalam upaya untuk memberikan perlindungan terhadap cacar kecil. Jenner memperhatikan bahwa perahuan yang telah mider cowpox, infeksi yang relatif tidak berbahaya, tampaknya tahan terhadap cacar kecil, penyakit manusia yang secara teratur mencapai tingkat epidemi dengan tingkat mortalitas yang sangat tinggi.

Jenner teori (benar) bahwa cowpox, penyakit hewan, mirip dengan cacar kecil. Dia menyimpulkan bahwa reaksi manusia terhadap injeksi virus cowpox akan secara misterius mengajari tubuh manusia untuk merespons kedua virus, tanpa menyebabkan penyakit atau kematian yang besar. Saat ini, cacar kecil telah benar-benar dihapuskan. Hanya dua sampel beku dari virus virulen ini yang ada (satu di Amerika Serikat, yang lainnya di Rusia), dan sampai pertengahan 1995 ada perdebatan ilmiah yang serius tentang apakah akan menghancurkan sampel, atau menyimpannya untuk studi laboratorium lebih lanjut.

Virus adalah potongan kecil RNA (Asam Ribonukleat) dan/atau DNA (Asam Desoksiribonukleat), materi di semua sel hidup yang menginstruksikan sel bagaimana tumbuh dan berkembang biak. Virus tidak dapat berkembang biak sendiri, melainkan hanya dengan mengambil alih inti sel inang dan menginstruksikan sel untuk membuat virus tambahan. Ketika virus berhasil menyerang organisme, ia mengambil alih proses pertumbuhan sel di inang.

Dalam keadaan normal, tubuh manusia merespons invasi virus dalam beberapa cara yang berbeda. Imunitas umum terhadap virus dapat dikembangkan oleh sel dalam tubuh yang menjadi target invasi virus. Dalam situasi ini, virus dicegah untuk mendapatkan akses ke sel inang. Perlindungan yang lebih umum adalah kemampuan tubuh untuk mengembangkan sel darah dan limfatik yang menghancurkan atau membatasi efektivitas virus yang menyerang. Seringkali, tubuh manusia yang terinfeksi akan “belajar” bagaimana merespons virus tertentu di masa depan, sehingga satu infeksi, terutama dari virus yang relatif biyen, biasanya mengajari tubuh bagaimana merespons invasi tambahan dari virus yang sama. Flu biasa, misalnya, disebabkan oleh salah satu dari ratusan virus. Setelah pulih dari flu, sebagian besar orang tahan terhadap virus tertentu yang menyebabkan flu tertentu, meskipun virus flu serupa akan tetap menyebabkan gejala yang serupa atau identik. Untuk beberapa virus biyen, seseorang mungkin bahkan mengembangkan imunitas tanpa menjadi terlihat sakit.

Keluarga Virus

Biasanya terdapat beberapa variasi atau strain dari virus tertentu. Bergantung pada jumlah varietas, seorang biolog mungkin mengelompokkan virus sebagai tipe atau strain. Vaksin sering dibuat dari lebih dari satu kelompok virus terkait; reaksi pencegahan terhadap vaksinasi multivalen mungkin akan menyebabkan imunitas terhadap hampir semua varian kelompok, atau setidaknya terhadap varian yang mungkin dialami oleh seseorang. Pemilihan anggota spesifik dari kelompok yang akan digunakan dalam vaksin dibuat dengan perhatian dan pertimbangan yang matang.

Proses Pembuatan

Pembuatan vaksin anti-virus saat ini adalah proses yang rumit bahkan setelah tugas yang menyusahkan untuk membuat vaksin potensial di laboratorium. Perubahan dari pembuatan vaksin potensial dalam jumlah kecil menjadi pembuatan galon vaksin yang aman dalam situasi produksi adalah dramatis, dan prosedur laboratorium sederhana mungkin tidak sesuai dengan situasi “scale up”.

The Seed

• 1 Pembuatan dimulai dengan jumlah kecil virus tertentu (atau benih). Virus harus bebas dari kotoran, termasuk virus serupa dan bahkan variasi dari jenis virus yang sama. Selain itu, benih harus disimpan dalam kondisi “ideal”, biasanya beku, yang mencegah virus menjadi lebih kuat atau lebih lemah dari yang diinginkan. Disimpan dalam wadah kaca atau plastik kecil, jumlah yang hanya 5 atau 10 sentimeter kubik, namun berisi ribuan jika tidak jutaan virus, akan akhirnya menghasilkan beberapa ratus liter vaksin. Freezer dipelihara pada suhu yang ditentukan; grafik dan/atau skala di luar freezer mencatat suhu secara berkelanjutan. Sensor akan mengeluarkan sinyal alarm yang dapat didengar dan/atau alarm komputer jika suhu freezer keluar dari rentang.

Growing the virus

• 2 Setelah meleleh dan memanaskan benih virus dalam kondisi yang ditentukan dengan hati-hati (misalnya, pada suhu kamar atau dalam air mandi), sejumlah kecil sel virus ditempatkan ke dalam “cell factory,” mesin kecil yang, dengan penambahan medium yang sesuai, memungkinkan sel virus untuk berkembang biak. Setiap jenis virus tumbuh paling baik dalam medium yang spesifik, yang ditetapkan dalam prosedur laboratorium sebelum produksi, namun semuanya mengandung protein dari mamalia dalam bentuk apapun, seperti protein murni dari darah sapi. Medium juga mengandung protein lain dan senyawa organik yang mendorong reproduksi sel virus. Seperti yang dirasakan oleh virus, medium dalam cell factory adalah inang untuk reproduksi. Dicampur dengan medium yang sesuai, pada suhu yang sesuai, dan dengan jumlah waktu yang ditentukan, virus akan berkembang biak.
• 3 Selain suhu, faktor lain harus dipantau, termasuk pH campuran. pH adalah ukuran keasaman atau kekuatan basa, diukur pada skala dari 0 hingga 14, dan virus harus dipertahankan pada pH yang ditentukan dalam cell factory. Air murni, yang tidak asam atau basa (netral) memiliki pH 7. Meskipun wadah tempat sel tumbuh tidak terlalu besar (mungkin ukuran panci 4-8 quart), terdapat sejumlah katup, tabung, dan sensor yang terhubung padanya. Sensor memantau pH dan suhu, dan ada berbagai sambungan untuk menambahkan media atau kimia seperti oksigen untuk memelihara pH, tempat untuk mengambil sampel untuk analisis mikroskopik, dan tatanan steril untuk menambahkan komponen cell factory dan mengeluarkan produk perantara saat siap.
• 4 Virus dari cell factory kemudian dipisahkan dari medium, dan ditempatkan dalam medium kedua untuk pertumbuhan tambahan. Metode awal 40 atau 50 tahun yang lalu menggunakan botol untuk menampung campuran, dan pertumbuhan yang dihasilkan adalah satu lapisan virus yang mengambang di medium. Segera ditemukan bahwa jika botol diputar saat virus tumbuh, lebih banyak virus dapat diproduksi karena lapisan virus tumbuh di semua permukaan dalam botol. Penemuan penting pada tahun 1940 adalah bahwa pertumbuhan sel sangat terstimulasi oleh penambahan enzim ke dalam medium, yang paling umum digunakan adalah tripsin. Enzim adalah protein yang juga berfungsi sebagai katalis dalam pakan dan pertumbuhan sel.

  Dalam praktik saat ini, botol tidak digunakan sama sekali. Virus yang tumbuh disimpan dalam wadah yang lebih besar namun mirip dengan cell factory, dan dicampur dengan “beads,” partikel mikroskopik di mana virus dapat melekat. Penggunaan beads memberikan virus area yang jauh lebih besar untuk melekat, dan consequently, pertumbuhan virus yang jauh lebih besar. Seperti dalam cell factory, suhu dan pH dikontrol secara ketat. Waktu yang dihabiskan untuk mengembangkan virus bervariasi menurut jenis virus yang diproduksi, dan dalam setiap kasus, adalah rahasia yang sangat dijaga oleh produsen.

Separation

• 5 Setelah jumlah virus yang cukup, mereka dipisahkan dari beads dengan satu atau lebih cara. Kaldu mungkin dipaksa melalui saringan dengan lubang yang cukup besar untuk mengizinkan virus lolos, tetapi cukup kecil untuk mencegah beads lolos. Campuran mungkin diusap beberapa kali untuk memisahkan virus dari beads dalam wadah dari mana mereka kemudian dapat ditarik. Alternatif lain mungkin adalah melarutkan campuran bead dengan medium lain yang mencuci virus dari beads.

Selecting the strain

Vaksin akhir akan terdiri dari virus yang diattenuasi (dilambatkan) atau virus yang dibunuh. Pemilihan salah satu atau yang lain tergantung pada sejumlah faktor termasuk efektivitas vaksin yang dihasilkan, dan efek sampingnya. Vaksin flu, yang dikembangkan hampir setiap tahun sebagai respons terhadap varian baru dari virus penyebab, selalu vaksin attenuated. Virulensi virus dapat menentukan pilihan; vaksin rabies, misalnya, selalu vaksin yang dibunuh.

• 6 Jika vaksin attenuated, virus biasanya diattenuasi sebelum melewati proses produksi. Strain yang dipilih dengan hati-hati dibudidayakan (ditumbuhkan) berulang kali dalam berbagai medium. Ada strain virus yang sebenarnya menjadi lebih kuat saat tumbuh. Strain ini jelas tidak dapat digunakan untuk vaksin attenuated. Strain lain menjadi terlalu lemah saat dibudidayakan berulang kali, dan ini juga tidak dapat digunakan untuk vaksin. Seperti bubur, kursi, dan tempat tidur yang disukai Goldilocks, hanya beberapa virus yang “tepat,” mencapai tingkat attenuasi yang membuatnya dapat diterima untuk penggunaan vaksin, dan tidak berubah dalam kekuatan. Teknologi molekuler terkini telah memungkinkan attenuasi virus hidup dengan manipulasi molekuler, tetapi metode ini masih jarang.
• 7 Virus kemudian dipisahkan dari medium tempat tumbuh. Vaksin yang berbeberapa tipe (seperti kebanyakan) digabungkan sebelum dikemas. Jumlah aktual vaksin yang diberikan kepada pasien akan relatif kecil dibandingkan dengan medium tempat diberikan. Keputusan tentang apakah akan menggunakan air, alkohol, atau larutan lain untuk vaksin injeksi, misalnya, dibuat setelah tes berulang untuk keamanan, sterilitas, dan stabilitas.

Quality Control

Untuk melindungi kemurnian vaksin dan keselamatan pekerja yang membuat dan memaketkan vaksin, kondisi kebersihan laboratorium dipertahankan di seluruh prosedur. Semua transfer virus dan media dilakukan dalam kondisi steril, dan semua instrumen yang digunakan sterilisasi dalam autoclave (mesin yang membunuh organisme dengan panas, dan yang mungkin kecil seperti kotak perhiasan atau besar seperti lift) sebelum dan setelah penggunaan. Pekerja yang melakukan prosedur menggunakan pakaian pelindung yang termasuk gaun tyvek sekaligus, sarung tangan, sepatu pelindung, jaring rambut, dan masker wajah. Ruang produksi itu sendiri memiliki pendingin udara khusus sehingga ada jumlah partikel minimum di udara.

The Approval Process

Agar obat dengan resep dapat dijual di Amerika Serikat, produsen obat harus memenuhi persyaratan lisensi yang ketat yang ditetapkan oleh hukum dan ditetapkan oleh Food and Drug Administration (FDA).

Semua obat dengan resep harus melalui tiga tahap pengujian, meskipun data dari tahap kedua kadang dapat digunakan untuk memenuhi persyaratan tahap ketiga. Pengujian Fase 1 harus membuktikan bahwa obat aman, atau setidaknya tidak akan terjadi efek yang tidak diinginkan atau tidak terduya dari pemberiannya. Jika obat lulus pengujian Fase I, selanjutnya harus diuji untuk efektivitas—ia harus melakukan apa yang dimaksudkan; obat tidak dapat dijual jika tidak berguna, atau membuat klaim untuk efek yang tidak dimilikinya. Akhirnya, Pengujian Fase III dirancang untuk mengukur efektivitas obat atau obat. Meskipun vaksin diharapkan memiliki efektivitas mendekati 100%, beberapa obat mungkin masih dapat diterima meskipun efektivitasnya terbatas, asalkan dokter yang meresepkan mengetahui probabilitasnya.

Seluruh proses produksi ditinjau dengan cermat oleh FDA yang memeriksa catatan prosedur serta mengunjungi lokasi produksi itu sendiri. Setiap langkah dalam proses produksi harus didokumentasikan, dan produsen harus menunjukkan “kondisi kendali” untuk proses produksi. Ini berarti catatan yang cermat harus disimpan untuk setiap langkah dalam proses, dan harus ada instruksi tertulis untuk setiap langkah proses. Kecuali dalam kasus kesalahan yang parah, FDA tidak menentukan apakah setiap langkah dalam proses benar, melainkan hanya bahwa itu aman dan didokumentasikan cukup untuk dilakukan sesuai dengan yang ditetapkan oleh produsen.

The Future

Produksi vaksin anti-virus yang dapat digunakan dan aman melibatkan sejumlah langkah yang, sayangnya, tidak selalu dapat dilakukan untuk setiap virus. Masih banyak yang harus dilakukan dan dipelajari. Metode manipulasi molekuler baru telah menyebabkan lebih dari satu ilmuwan percaya bahwa teknologi vaksin baru saja memasuki “masa keemasan.” Perbaikan vaksin yang ada mungkin di masa depan. Vaksin rabies, misalnya, menghasilkan efek samping yang membuat vaksin tidak memuaskan untuk imunisasi massal; di Amerika Serikat, vaksin rabies kini hanya digunakan pada pasien yang telah terinfeksi virus dari hewan yang terinfeksi dan kemungkinan, tanpa imunisasi, akan mengembangkan penyakit yang mematikan.

Virus HIV, yang diyakini oleh biolog menyebabkan AIDS, saat ini tidak dapat ditangani dengan metode produksi vaksin tradisional. Virus AIDS dengan cepat berubah dari satu strain ke strain lain, dan strain tertentu tidak tampak memberikan imunitas terhadap strain lain. Selain itu, efek imunisasi yang terbatas dari virus attenuated atau dibunuh tidak dapat ditunjukkan baik di laboratorium maupun di hewan percobaan. Belum ada vaksin HIV yang dikembangkan.