واکسنهای خوراکی مشتق شده از گیاهان، انقلابی سبز در تولید واکسنها

واکسیناسیون به تحریک سیستم ایمنی به منظور آمادگی بدن در مقابل عوامل بیماریزا صورت می‌گیرد. استفاده از واکسنهای زنده تخفیف حدت یافته و کشته شده فقط در تعداد کمی از افراد جامعه ایمنی کامل را موجب می‌شوند. امروزه استفاده از زیرواحدهای واکسنی به منظور کسب ایمنی بالاتر مورد توجه قرار گرفته است. زیرواحدهای واکسنی بصورت تجاری از سلولهای حیوانی، مخمر و باکتریهای تغییر یافته ژنتیکی تولید می شوند. با ظهور مهندسی ژنتیک گیاهی، تلاشهایی برای افزودن گیاهان به عنوان کارخانه‌های تولید واکسن مطرح بوده است.   در اینجا هدف تولید اندامهای گیاهی شامل میوه، برگها و یا استفاده از عصاره خام یا خالص سازی پروتئین است تا به عنوان عامل ایمنی زا بکار روند. تولید واکسنها در گیاهان مزایای زیر را می تواند به همراه داشته باشد که عبارتند از: سهولت تامین مواد اولیه نظیر نور خورشید، آب و مواد معدنی،‌ آنها را به یک ابزار ارزان قیمت برای بیان و فراوری صحیح پروتئین های پیچیده تبدیل نموده است. بیان واکسنها در بافتهای گیاهی،‌ خطر آلودگی به پاتوژن های حیوانی را کاهش می‌دهد و یک محیط پایدار در برابر حرارت فراهم می‌نماید، و امکان توزیع خوراکی واکسن را میسر می‌سازد که به نوبه خود خطرات مرتبط با تزریق را کاهش می‌دهد. بیان پروتئین آنتی‌ژن A باکتری streptococcus mutans در گیاه توتون در سال 1990 اولین مورد از تولید واکسن در گیاهان به شمار می‌رود. پس از آن بیان آنتی‌ژن سطحی هپاتیت B یا (HBsAg) و سپس انتروتوکسین مسئول بیماری اسهال، پروتئین پوششی ویروس نوروالک و گلیکوپروتئین ویروس هاری نیز ثابت شد. پروتئینهای تولید شده در گیاهان آنتی‌ژنهای اختصاصی مخاطی IgA و سرمی IgG را در هنگام مصرف خوراکی واکسنها در انسان و موش را تحریک کردند. در جدول شماره 1، سیستمهای تولید واکسن و پروتئینهای نوترکیب درمانی مورد مقایسه قرار گرفته‌اند.

جدول شماره 1 – مقایسه سیستمهای تولید پروتئینها و واکسنهای نوترکیب انسانی

نوع سیستم	هزینه تولید	زمان تولید	ظرفیت تولید	کیفیت تولید	گلیکوزلاسیون	خطرات آلودگی
باکتریها	پائین	کوتاه	بالا	پائین	ندارد	سموم داخلی
مخمر	متوسط	متوسط	بالا	متوسط	غیر دقیق	خطر پائین
کشت سلولهای حیوانی	بالا	طولانی	خیلی پائین	خیلی بالا	دقیق	ویروس، پریون و توالیهای سرطانی
حیوانات تراریخته	بالا	خیلی طولانی	پائین	خیلی بالا	دقیق	ویروس، پریون و توالیهای سرطانی
کشت سلولهای گیاهی	متوسط	متوسط	متوسط	بالا	تفاوت جزئی	خطر پائین
گیاهان ترایخته	خیلی پائین	طولانی	خیلی بالا	بالا	تفاوت جزئی	خطر پائین

اهمیت تولید واکسنهای مشتق شده از گیاهان

تولید واکسنهای نوترکیب گیاهان می تواند بعضی از مشکلات مربوط به واکسنهای سنتی را در کشورهای درحال توسعه و توسعه یافته را مرتفع کند. در کشورهای در حال توسعه مشکلات می توانند شامل نیاز به زنجیره سرد از محل تولید به محل مصرف و نیاز به تزریق باشد که گیاهان تولید کننده واکسن این مشکلات را مرتفع می‌کنند. در کشورهای توسعه یافته گیاهان تولید کننده واکسن ایمنی واکسن را افزایش داده و هزینه های برنامه واکسیناسیون را کاهش می‌دهند. بطور کلی تولید واکسن در گیاهان دارای مزایایی است که عبارتنداز: هزینه پائین تهیه مواد اولیه، برداشت سریع محصول تولیدی، تولید چند واکسن بطور همزمان، ذخیره و نگهداری راحتتر، عدم نیاز به زنجیره سرد در طول حمل و نقل واکسن، راحتی مصرف محصولاتی غذایی، کاهش نگرانی در مورد آلودگی واکسن با عوامل بیمایزای انسانی در طول مراحل تولید واکسن، حذف هزینه های مربوط به سرنگ و وسایل تزریق، عدم نیاز به واکسیناتور و کارشناسان پزشکی، حذف ترس از تزریق واکسن بویژه در کودکان و حذف نگرانی مربوط به انتقال بیماریها از طریق تزریق.

گونه‌های گیاهی

 گونه های زیادی از گیاهان به منظور تولید واکسن مورد استفاده قرار می گیرند. توتون بعلت مزیت های نظیر تکنولوژی کامل انتقال و بیان ژن، عملکرد بیوماس بالا (بیش از 000/100 کیلوگرم به هکتار برای کشتهای بسته توتون)، پتانسیل گسترش سریع و موجود بودن تکنولوژی فراوری در سطح بزرگ دارد. ولی بسیاری از واریته های توتون، مقادیر زیادی آلکالوئید های سمی تولید می‌نمایند، البته واریته هایی با سطح آلکالوئید اندک وجود دارد که می‌توان از آنها برای تولید پروتئین های درمانی استفاده نمود. یکی دیگر از معایب تولید پروتئین های نوترکیب در توتون، ناپایداری محصول است. بدین معنی که باید برگها را برای انتقال، خشک یا منجمد نمود و یا فراوری را در مزرعه انجام داد. بذرها به دلیل برخورداری از اجزای ذخیره‌ای ویژه نظیر اجسام پروتئینی و واکوئول‌های ذخیره‌ای که از سیستم ترشحی مشتق شده‌اند، محیط شیمیایی بسیار مطلوبی را برای تجمع پروتئینها فراهم می‌نمایند. خشک بودن دانه ها نیز یک مزیت بسیار مهم است زیرا احتمال تجزیه غیر آنزیمی و هضم پروتئازی پروتئینهای ذخیره شده را شدیدا کاهش می‌دهد. همچنین دانه های غلات فاقد مواد فنلی هستند که در برگهای توتون به وفور وجود دارند، بدین جهت کارایی فراوری محصول افزایش می‌یابد. عوامل مهمی دیگری نظیر عملکرد دانه در هکتار، عملکرد پروتئین نوترکیب به ازای واحد بیوماس، سادگی ترانسفورماسیون و سرعت افزایش سطح تولید، نیز در انتخاب غلات برای تولید واکسنهای نوترکیب مورد توجه قرار گرفته است. ذرت مهمترین گیاه زراعی برای تولید پروتئینهای نوترکیب در سطح تجاری استفاده می شود. از لگومها بویژه یونجه و سویا نیز برای تولید آنتی‌بادی‌های نوترکیب استفاده می‌شود. تنها نگرانی در مورد استفاده از غلات و دیگر گیاهان زراعی مهم برای تولید پروتئینهای دارویی، پتانسیل انتقال ترانسژنها به انواع زراعی معمولی و احتمال آلودگی سهوی منابع بذری دانه‌های خوراکی معمولی در هنگام جمع‌آوری و ذخیره‌سازی بذر است. میوه، سبزیجات و گیاهان برگ سالادی نیز به دلیل اینکه بصورت خام مصرف می‌شوند می توانند برای تولید زیر واحدهای واکسنی نوترکیب مورد استفاده قرار گیرند. سیب زمینی‌ به علت دارا بودن غده که می تواند انبار تولید واکسن باشد بطور گسترده‌ای برای تولید واکسنهای گیاهی مورد استفاده قرار گرفته است. گوجه فرنگی بعلت عملکرد بیوماس بیشتر نسبت به سیب زمینی، ‌لذیذ بودن و پرورش گلخانه‌ای نیز برای تولید واکسن گیاهی (هاری) بکار گرفته شده است. کاهو نیز برای تولید واکسن بر علیه هپاتیتB   و موز نیز به دلیل امکان مصرف خوراکی و لذیذ بودن و استقبال آن از طرف کودکان بصورت خام و پوره، برای تولید واکسن نوترکیب بعنوان میزبان مدنظر می‌باشند، همچنین موز به دلیل گستردگی کشت آن در کشورهای درحال توسعه می تواند نیاز به واکسن در این کشورها را برطرف نماید. 

مصرف خوراکی واکسن و پاسخهای آنتی بادیهای سیستمیک و مخاطی

بیشتر عوامل بیماریزا از طریق غشاهای مخاطی وارد بدن می شوند. تحریک ایمنی مخاطی بهترین نتیجه را در هنگام استفاده مستقیم واکسن درسطح مخاطی را دارد. این تحریکات تولید sIgA که ایزوتوپ آنتی‌بادی غالب در ترشح مخاطی است را سبب می شود. در حالیکه تحریک کننده های ایمنی سیستمیک، واکسنها بوسیله تزریق وارد بدن می شوند و پاسخهای ایمنی ناکافی است. واکسنهای مشتق شده از گیاه، توانایی تحریک هردو پاسخ ایمنی سیستمیک و مخاطی را دارند. معضل اصلی در واکسیناسیون خوراکی هضم پروتئینهای آنتی‌ژنی در معده است (به خاطر pH پائین و اثر آنزیمها). واکسنهای مشتق شده از گیاهان این مشکل را حل کرده‌اند. زیرا دیواره سلولی به طور موثری از پروتئین آنتی‌ژنی محافظت می‌کند. همانند لیپوزومها و کپسولها، دیواره گیاهی به پروتئینهای آنتی‌ژنی اجازه تدریجی برای خروج می‌دهد که این اثرات هضم معده‌ای را کاهش می‌دهد. 

سلامتی و پذیرش عمومی واکسنهای خوراکی

واکسنهای مشتق شده از گیاهان عاری از عوامل بیماریزای حیوانی هستند. بعلاوه پژوهشها نشان داده است که DNA گیاهان هنوز عکس العملی با DNA حیوانی و همچنین ویروسهای گیاهی هیچ نوترکیبی با سلولهای حیوان ندارند. البته نگرانی عمومی از محصولات تراریخته، امروزه بر روی پژوهشها در این زمینه بویژه در اروپا اثر منفی گذاشته است. یک نگرانی و ترس این است که گرده گیاهان تراریخت ممکن است با گیاهان هم سازگار تلاقی پیدا کند(گیاهان خویشاوند و علفهای هرز) و روی تنوع زیستی اثرگذار شود. البته از طریق نرعقیمی، ژنهای کشنده، ناباروری و آپومیکسی می‌توان از تلاقی های ناخواسته جلوگیری کرد. یک راه دیگر برای حل این مسئله، انتقال ژن به کلروپلاست است که دراین وضعیت در تولید مثل جنسی ژنهای قرار گرفته در کلروپلاست نمی‌توانند از طریق دانه‌های گرده به نتاج منتقل شوند. علاوه براین میزان عملکرد در روش انتقال به کلروپلاست دهها برابر بیشتر از انتقال به هسته است. یک مشکل دیگر، شناسایی گیاهان تراریخت تولید واکسن است که باید از گیاهان زراعی غیر ترایخت متفاوت باشند و این گیاهان باید دارای ژنهای کد کننده رنگ باشند. بهترین راه حل این است که گیاهان تولید کننده واکسن در سطح کوچکی از مزرعه، گلخانه و با شرایط کنترل شده محیطی کشت شوند. با وجود پایداری و هزینه پائین تولید و در دسترس بودن واکسنهای گیاهی، این واکسنها محدودیتهایی نیز دارند. به عنوان مثال ایمنی بدست آمده از واکسنهای گیاهی از یک میوه به میوه دیگر و از یک گیاه به گیاه دیگر و از یک نسل به نسل دیگر به خاطر تفاوت دوز متفاوت است.

واکسنهای گیاهی در مقابله با سلاحهای زیستی

امروزه شماری از بیماریهای عفونی از قبیل آبله، سیاه زخم و وبا نگرانیهایی را در مورد استفاده آنها در اعمال تروریستی بوجود آورده اند. امروزه جوامع خطر نیاز واکسن جهت واکسیناسیون بخشی یا همه افراد جامعه در مدت زمان کم را احساس می‌کنند. برای این منظور باید میلیونها دوز واکسن از قبل آماده ، ذخیره و در زمان کوتاهی تجدید شوند. واکسنهای گیاهی از لحاظ تکنولوژیکی و اقتصادی بهترین گزینه ، برای جایگزینی واکسنهای سنتی در این زمینه هستند.

منابع:

1.  Carter, J.E, and Langridge, W.H. 2002. Plant-based vaccines for protection against infectious and autoimmune diseases. Crit Rev Plant Sci , 21:93-103.

2. K-C. Ma J., Drake P. M.W. and Christou P.2003. the production of recombinant pharmaceutical proteins in plants. nature reviews, genetics, 4:794-805.

3. Sala F., Manuela Rigano M., Barbante A., Walmsley A. M. and Castiglione .2003. Vaccine antigen production in transgenic plants: strategies, gene constructs and perspectives. Vaccine 21: 803–808.

4. Streatfield S.J. and Howard J. A. 2003. Plant-based vaccines. International Journal for Parasitology 33: 479–493.

5. Walmsley A. M. and Arntzen C. J . 2000. Plants for delivery of edible vaccines. Current Opinion in Biotechnology, 11:126–129.