L'évolution des vaccins : de la percée de Jenner à l'immunologie moderne

Contexte

Le développement de vaccins pour protéger contre les maladies virales est l'une des marques de la médecine moderne. Le premier vaccin a été produit par Edward Jenner en 1796 pour protéger contre la variole. Jenner a remarqué que les laitières ayant contracté la vaccine, une infection relativement bénigne, semblaient résistantes à la variole, une maladie humaine atteignant régulièrement des niveaux épidémiques avec des taux de mortalité extrêmement élevés.

Jenner a théorisé (correctement) que la vaccine, une maladie animale, était similaire à la variole. Il a conclu que la réaction humaine à une injection de virus vaccinal apprendrait d'une manière ou d'une autre au corps humain à répondre aux deux virus, sans causer de maladie majeure ni de décès. Aujourd'hui, la variole est totalement éradiquée. Seuls deux échantillons congelés de ce virus virulent existent (un aux États-Unis, l'autre en Russie), et mi-1995, un débat scientifique sérieux porte sur leur destruction ou leur conservation pour études en laboratoire.

Un virus est un petit fragment d'ARN (acide ribonucléique) et/ou d'ADN (acide désoxyribonucléique), le matériel dans toutes les cellules vivantes qui instruit la cellule comment croître et se reproduire. Les virus ne peuvent pas se reproduire seuls, mais seulement en prenant le contrôle du noyau d'une cellule hôte et en instruisant la cellule à fabriquer des virus supplémentaires. Quand un virus envahit avec succès un organisme, il prend le contrôle du processus de croissance cellulaire dans l'hôte.

Dans des circonstances ordinaires, le corps humain répond à l'invasion virale de plusieurs façons. Une immunité généralisée à un virus peut être développée par les cellules cibles de l'invasion virale. Dans ce cas, les virus sont empêchés d'accéder aux cellules hôtes. Une protection plus courante est la capacité du corps à développer des cellules sanguines et lymphatiques qui détruisent ou limitent l'efficacité du virus envahissant. Souvent, un corps humain infecté « apprend » comment répondre à un virus spécifique à l'avenir, de sorte qu'une seule infection, surtout par un virus relativement bénin, enseigne généralement au corps comment répondre à des invasions supplémentaires du même virus. Le rhume, par exemple, est causé par l'un de plusieurs centaines de virus. Après guérison d'un rhume, la plupart des gens sont résistants au virus particulier qui a causé ce rhume particulier, bien que des virus de rhume similaires causeront encore des symptômes similaires ou identiques. Pour certains virus bénins, une personne pourrait même développer une immunité sans devenir visiblement malade.

Familles de virus

Il y a généralement plusieurs variations ou souches d'un virus particulier. Selon le nombre de variétés, un biologiste pourrait regrouper les virus en types ou souches. Les vaccins sont fréquemment faits à partir de plus d'un groupe de virus apparentés ; une réaction préventive à la vaccination multivalente provoquera probablement une immunité contre presque toutes les variantes du groupe, ou du moins contre celles qu'une personne est susceptible de rencontrer. Le choix des membres spécifiques du groupe à utiliser dans un vaccin est fait avec un soin et une délibération minutieux.

Processus de fabrication

Fabriquer un vaccin antiviral aujourd'hui est un processus complexe même après l'ardue tâche de créer un vaccin potentiel en laboratoire. Le passage de la fabrication d'un vaccin potentiel en petites quantités à la fabrication de gallons de vaccin sûr en situation de production est radical, et une simple procédure de laboratoire peut ne pas être adaptée à une situation de « montée en échelle ».

La souche souche

• 1 La fabrication commence avec de petites quantités d'un virus spécifique (ou souche souche). Le virus doit être exempt d'impuretés, y compris d'autres virus similaires et même variations du même type de virus. De plus, la souche doit être maintenue dans des conditions « idéales », généralement congelées, qui empêchent le virus de devenir plus fort ou plus faible que désiré. Stockée en petits contenants en verre ou plastique, des quantités aussi infimes que 5 ou 10 cm³, mais contenant des milliers sinon des millions de virus, mèneront éventuellement à plusieurs centaines de litres de vaccin. Les congélateurs sont maintenus à des températures spécifiées ; des graphiques et/ou cadrans à l'extérieur du congélateur gardent un enregistrement continu de la température. Des capteurs déclenchent des alarmes sonores et/ou informatiques si la température du congélateur sort de la plage.

Culture du virus

• 2 Après décongélation et réchauffement de la souche virale sous conditions soigneusement spécifiées (c.-à-d. à température ambiante ou au bain-marie), la petite quantité de cellules virales est placée dans une « usine cellulaire », une petite machine qui, avec l'ajout d'un milieu approprié, permet aux cellules virales de se multiplier. Chaque type de virus se développe mieux dans un milieu spécifique, établi lors des procédures de laboratoire pré-fabrication, mais tous contiennent des protéines de mammifères sous une forme ou une autre, comme de la protéine purifiée de sang de vache. Le milieu contient aussi d'autres protéines et composés organiques qui encouragent la reproduction des cellules virales. Pour le virus, le milieu dans une usine cellulaire est un hôte pour la reproduction. Mélangé au milieu approprié, à la température appropriée, et pendant une durée prédéterminée, les virus se multiplieront.
• 3 En plus de la température, d'autres facteurs doivent être surveillés, dont le pH du mélange. Le pH mesure l'acidité ou la basicité, sur une échelle de 0 à 14, et les virus doivent être maintenus à un pH défini dans l'usine cellulaire. L'eau pure, ni acide ni basique (neutre) a un pH de 7. Bien que le conteneur dans lequel les cellules croissent ne soit pas très grand (peut-être la taille d'une casserole de 4-8 litres), il y a un nombre impressionnant de vannes, tubes et capteurs connectés. Des capteurs surveillent le pH et la température, et il y a diverses connexions pour ajouter des milieux ou produits chimiques comme l'oxygène pour maintenir le pH, des points de prélèvement pour analyse microscopique, et des arrangements stériles pour ajouter les composants de l'usine cellulaire et retirer le produit intermédiaire quand il est prêt.
• 4 Le virus de l'usine cellulaire est ensuite séparé du milieu, et placé dans un second milieu pour une croissance additionnelle. Les méthodes anciennes de 40 ou 50 ans utilisaient une bouteille pour contenir le mélange, et la croissance résultante était une monocouche de virus flottant sur le milieu. On a vite découvert que si la bouteille était tournée pendant la croissance des virus, encore plus de virus pouvaient être produits car une couche de virus poussait sur toutes les surfaces intérieures de la bouteille. Une découverte importante dans les années 1940 a été que la croissance cellulaire est grandement stimulée par l'ajout d'enzymes à un milieu, la plus couramment utilisée étant la trypsine. Une enzyme est une protéine qui fonctionne aussi comme catalyseur dans l'alimentation et la croissance des cellules.

  Dans la pratique actuelle, les bouteilles ne sont plus utilisées. Le virus en croissance est maintenu dans un conteneur plus grand mais similaire à l'usine cellulaire, et mélangé à des « billes », particules quasi microscopiques auxquelles les virus peuvent s'attacher. L'utilisation des billes fournit au virus une surface d'attachement bien plus grande, et par conséquent, une croissance virale bien plus importante. Comme dans l'usine cellulaire, la température et le pH sont strictement contrôlés. Le temps passé en culture virale varie selon le type de virus produit, et est, dans chaque cas, un secret jalousement gardé du fabricant.

Séparation

• 5 Quand il y a un nombre suffisant de virus, ils sont séparés des billes d'une ou plusieurs façons. Le bouillon peut être forcé à travers un filtre avec des ouvertures assez grandes pour laisser passer les virus, mais assez petites pour retenir les billes. Le mélange peut être centrifugé plusieurs fois pour séparer le virus des billes dans un conteneur d'où ils peuvent être prélevés. Une autre alternative pourrait être d'inonder le mélange de billes avec un autre milieu qui lave le virus des billes.

Sélection de la souche

Le vaccin final sera soit à virus atténué (affaibli), soit à virus tué. Le choix de l'un ou l'autre dépend de plusieurs facteurs dont l'efficacité du vaccin résultant et ses effets secondaires. Le vaccin antigrippal, développé presque chaque année en réponse aux nouveaux variants du virus causal, est toujours un vaccin atténué. La virulence d'un virus peut dicter le choix ; le vaccin contre la rage, par exemple, est toujours un vaccin tué.

• 6 Si le vaccin est atténué, le virus est généralement atténué avant le processus de production. Des souches soigneusement sélectionnées sont cultivées (développées) répétitivement dans divers milieux. Il existe des souches de virus qui deviennent en fait plus fortes en croissant. Ces souches sont clairement inutilisables pour un vaccin atténué. D'autres deviennent trop faibles en étant cultivées répétitivement, et celles-ci sont aussi inacceptables pour l'usage vaccinal. Comme la bouillie, la chaise et le lit que Boucle d'Or aimait, seuls certains virus sont « justes », atteignant un niveau d'atténuation qui les rend acceptables pour l'usage vaccinal, et ne changeant pas de force. La technologie moléculaire récente a rendu possible l'atténuation de virus vivant par manipulation moléculaire, mais cette méthode reste rare.
• 7 Le virus est alors séparé du milieu dans lequel il a été cultivé. Les vaccins de plusieurs types (comme la plupart le sont) sont combinés avant conditionnement. La quantité réelle de vaccin donnée à un patient sera relativement petite comparée au milieu dans lequel elle est administrée. Les décisions sur l'utilisation d'eau, d'alcool, ou d'une autre solution pour un vaccin injectable, par exemple, sont prises après tests répétés pour la sécurité, la stérilité et la stabilité.

Contrôle qualité

Pour protéger à la fois la pureté du vaccin et la sécurité des travailleurs qui le fabriquent et le conditionnent, des conditions de propreté de laboratoire sont observées tout au long de la procédure. Tous les transferts de virus et de milieux sont conduits sous conditions stériles, et tous les instruments utilisés sont stérilisés dans un autoclave (une machine qui tue les organismes par la chaleur, et qui peut être aussi petite qu'une boîte à bijoux ou aussi grande qu'un ascenseur) avant et après usage. Les travailleurs effectuant les procédures portent des vêtements de protection incluant blouses Tyvek jetables, gants, sur-chaussures, charlottes et masques. Les salles de fabrication sont spécialement climatisées pour qu'il y ait un nombre minimal de particules dans l'air.

Processus d'approbation

Pour que des médicaments sur ordonnance soient vendus aux États-Unis, un fabricant doit répondre à des exigences de licence strictes établies par la loi et appliquées par la Food and Drug Administration (FDA).

Tous les médicaments sur ordonnance doivent subir trois phases de test, bien que les données de la deuxième phase puissent parfois satisfaire aux exigences de la troisième. La phase 1 doit prouver qu'un médicament est sûr, ou du moins qu'aucun effet indésirable ou inattendu ne surviendra de son administration. Si un médicament passe la phase I, il doit être testé pour l'efficacité — il doit faire ce qu'il est censé faire ; un médicament ne peut être vendu s'il est inutile, ou s'il revendique un effet qu'il n'a pas. Finalement, la phase III est conçue pour quantifier l'efficacité d'un médicament. Bien que les vaccins soient attendus avec une efficacité proche de 100 %, certains médicaments pourraient être acceptables même avec une efficacité limitée, tant que le médecin prescripteur connaît les probabilités.

L'ensemble du processus de fabrication est examiné attentivement par la FDA qui examine les enregistrements de procédures ainsi que le site de fabrication lui-même. Chaque étape du processus doit être documentée, et le fabricant doit démontrer un « état de contrôle » pour le processus de fabrication. Cela signifie que des registres scrupuleux doivent être tenus pour chaque étape, et qu'il doit y avoir des instructions écrites pour chaque étape. Sauf en cas d'erreur grave, la FDA ne détermine pas si chaque étape d'un processus est correcte, mais seulement qu'elle est sûre et documentée suffisamment pour être exécutée comme le stipule le fabricant.

Avenir

Produire un vaccin antiviral utilisable et sûr implique un grand nombre d'étapes qui, malheureusement, ne peuvent pas toujours être faites pour chaque virus. Il reste encore beaucoup à faire et à apprendre. Les nouvelles méthodes de manipulation moléculaire ont amené plus d'un scientifique à croire que la technologie vaccinale n'entre que maintenant dans un « âge d'or ». Des raffinements des vaccins existants sont possibles à l'avenir. Le vaccin contre la rage, par exemple, produit des effets secondaires qui le rendent insatisfaisant pour l'immunisation de masse ; aux États-Unis, le vaccin antirabique n'est maintenant utilisé que sur les patients ayant contracté le virus d'un animal infecté et susceptibles, sans immunisation, de développer la maladie fatale.

Le virus VIH, que les biologistes croient causer le SIDA, n'est pas actuellement amenable aux méthodes traditionnelles de production de vaccins. Le virus du SIDA mute rapidement d'une souche à l'autre, et aucune souche donnée ne semble conférer d'immunité contre d'autres souches. De plus, un effet immunisant limité de virus atténué ou tué ne peut être démontré ni en laboratoire ni sur animaux de test. Aucun vaccin VIH n'a encore été développé.