Ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất vacxin

SEMINAR A. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngay từ khi xuất hiện sự sống, trong sự đấu tranh của các loài sinh vật thì bệnh tật đã xuất hiện. Đặc biệt là sự ký sinh của các loài vi sinh vật tới các động vật bậc cao đã gây ra những bệnh tật hiểm nghèo tạo ra những nạn dịch thảm khốc và cướp đi nhiều sinh mạng. Để giành giật sự sống con người đã tìm mọi biện pháp nhằm hạn chế tác động có hại đó của các đối tượng gây bệnh. Vacxin được coi là một tiến bộ y học quan trọng nhất của thế kỷ XX Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ sinh học con người đã tìm ra được vũ khí hữu hiệu để bảo vệ chính mình với số lượng nhiều, an toàn và nhanh chóng. Để hiểu rõ hơn vấn đề này, chúng em tiến hành tìm hiểu đề tài: “Ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất vacxin” SẢN XUẤT VACCINE Hướng phát triển của các vaccine mới ? Công nghệ sinh học ứng dụng gì trong sản xuất vaccine ? Cơ sở của việc sản xuất vaccine? Vaccine có tác dụng như thế nào ? Vaccine là gì ? 1.1. Vài nét về lịch sử và hướng phát triển của công nghệ vacxin  Thế kỷ 18, thế giới chứng kiến ba đại dịch cúm Các dịch cúm vẫn tiếp diễn trong thế kỷ 19, khi các thành phố lớn dần lên và giao thông đường biển giúp cho việc đi lại được thuận tiện - đồng nghĩa với khả năng lây lan tăng hơn. Dịch cúm năm 1837 nghiêm trọng đến mức ở Berlin, số người chết nhiều hơn số người được sinh ra, và ở Barcelona thì toàn bộ các hoạt động kinh doanh bị đình đốn.  Năm 1918 chứng kiến đại dịch cúm nghiêm trọng nhất lịch sử thế giới, thậm chí còn được cho là đại dịch kinh hoàng nhất trong các loại bệnh dịch. Khoảng 50 triệu người chết, trong đó riêng ở Tây Ban Nha có 8 triệu, vì thế dịch cúm này mang tên cúm Tây Ban Nha. Trong ảnh, bệnh nhân cúm nằm la liệt trong một bệnh viện ở Kansas, Năm 1957 đánh dấu dịch cúm châu Á. Nhờ các tiến bộ khoa học, dịch bệnh nhanh chóng được xác định, các biện pháp y tế cần thiết được triển khai, trong đó có việc sử dụng vắc xin. Tuy vậy số lượng người chết vì cúm vẫn ở mức 2 triệu. Trong ảnh, các bệnh nhân cúm ở Đan Mạch nằm trong khu nghỉ tạm ở nhà thi đấu của hải quân ở Copenhagen Năm 2003, Bùng nổ dịch cúm gia cầm  Việc tạo ra những loại vaccine để phòng và chữa bệnh là thực sự cần thiết khi mà dịch bệnh phát triển ngày một phức tạp và xuất hiện thêm nhiều bệnh nguy hiểm 1.1. Lịch sử vacxin Edward Jenner được công nhận là người đầu tiên dùng vắc-xin để ngừa bệnh cho con người ngay từ khi người ta còn chưa biết bản chất của các tác nhân gây bệnh. Năm 1796 ông đã thực hiện thành công thử nghiệm vắc-xin ngừa căn bệnh đậu mùa, những nông dân vắt sữa bò có thể bị lây bệnh đậu bò, nhưng sau khi khỏi bệnh, họ trở nên miễn nhiễm đối với bệnh đậu mùa Edward Jenner Louis Pasteur với các công trình nghiên cứu về vi sinh học và miễn dịch học đã mở đường cho những kiến thức hiện đại về vắc-xin. Louis Pasteur 1.2 Khái niệm về vaccine Vắc-xin là chế phẩm có tính kháng nguyên dùng để tạo miễn dịch đặc hiệu chủ động, nhằm tăng sức đề kháng của cơ thể đối với một số tác nhân gây bệnh cụ thể. 1.3. Nguyên lý sử dụng vacxin Sử dụng vacxin là đưa vào cơ thể kháng nguyên có nguồn gốc từ vi sinh vật gây bệnh hoặc vi sinh vật có cấu trúc kháng nguyên giống vi sinh vật gây bệnh, đã được bào chế đảm bảo độ an toàn cần thiết, làm cho cơ thể tự tạo ra tình trạng miễn dịch chống lại tác nhân gây bệnh. Nói một cách khác: sử dụng vacxin là tạo miễn dịch chủ động nhân tạo 1.4 Đặc tính cơ bản của một vaccine  1.4.1 An toàn Vô trùng : không được nhiễm các vi sinh vật khác Thuần khiết : không được lẫn các thành phần kháng nguyên khác Không độc Liều sử dụng phải thấp hơn rất nhiều so với liều gây độc Tuy nhiên cũng có thể gây ra phản ứng phụ ở một số người Phản ứng tại chỗ: Nơi tiêm vaccine có thể hơi đau, mẩn đỏ, hơi sưng hoặc nổi cục nhỏ Phản ứng toàn thân: Sốt thường, co giật với tỷ lệ nhỏ có thể sốc phản vệ với khả năng xảy ra hiếm 1.4.1 Hiệu lực  Vacxin có hiệu lực lớn là vacxin gây được miễn dịch ở mức độ cao và tồn tại trong một thời gian dài. Hiệu lực gây miễn dịch của vacxin trước hết được đánh giá trên động vật thí nghiệm, sau đó trên thực địa. Trên động vật thí nghiệm Cách 1:Đánh giá mức độ đáp ứng miễn dịch thông qua việc xác định hiệu giá kháng thể hoặc xác định mức độ dương tính của phản ứng da. Cách đánh giá này chưa cho biết hiệu lực bảo vệ, mới chỉ cho biết mức độ đáp ứng miễn dịch của cơ thể động vật đối với loại vacxin thử nghiệm. Cách 2: Xác định tỷ lệ động vật đã được tiêm chủng sống sót sau khi thử thách bằng vi sinh vật gây bệnh. Trên thực địa (field test): Vacxin được tiêm chủng cho một cộng đồng, theo dõi thống kê tất cả các phản ứng phụ và đánh giá khả năng bảo vệ khi mùa dịch tới. 1.4 Đặc tính cơ bản của một vaccine 1.4.3 Tính kháng nguyên Là khả năng kích thích cơ thể tạo thành kháng thể. Kháng nguyên mạnh là kháng nguyên khi đưa vào cơ thể một lần đã sinh ra nhiều kháng thể kháng nguyên yếu là những chất phải đưa vào nhiều hoặc phải kèm theo một tá dược mới sinh được một ít kháng thể 1.4.4 Tính miễn dịch Vacxin gây miễn dịch bằng một vi khuẩn hoặc virus giảm độc lực, hoặc với một protein đặc hiệu có tính kháng nguyên để gây ra một đáp ứng miễn dịch Tạo ra hiệu quả đề kháng cho cơ thể về sau khi tác nhân gây bệnh xâm nhập với đầy đủ độc tính. II. Phân loại vaccine 2.1 Các phương pháp phân loại truyền thống 2.1.1 Vaccine động lực (nhược độc) hay vacxin sống Là vacxin chế từ tác nhân gây bệnh đã là giảm tính độc bằng các kĩ thuật vật lý, hóa học, hoặc bằng các phương pháp khác nhau… không gây bệnh nhưng còn khả năng sinh sản. VD: Vacxin dịch tả vịt đông khô 2.1.2 Vaccine bất hoạt (chết) Là loại vacxin mà tác nhân gây bệnh đã bị làm chết bằng phương pháp hóa học hay nhiệt độ. VD: VẮC XIN TỤ HUYẾT TRÙNG HEO 2.1.3 Vaccine dưới đơn vị hay vaccin thành phần Là loại vacxin không dùng toàn bộ tế bào vi khuẩn hay toàn bộ virus mà chỉ dùng một thành phần có tính kháng nguyên của chúng. 3.1.4 Vaccine giải độc tố Là loại vacxin tạo ra do làm mất tính độc của kháng nguyên nhưng vẫn có tính kháng nguyên. 2.1.5 Vaccine kháng kháng thể idityp Là kháng thể tạo ra từ cách dùng kháng thể kháng kháng nguyên làm kháng nguyên dể làm vắc xin cho tác nhân gây bệnh đó 2.2 Vaccine tổng hợp Vaccine sống giảm động lực bằng lực bằng kỹ thuật di truyền Vaccine chứa KN sản xuất bằng phương pháp tái tổ hợp Vaccine vector Vaccine ADN Vacxin dựa trên cơ thể chuyển gen. Sản xuất cây chuyển gen nhờ Agrobacter tumefaciens Vaccine bào tử (spore vaccine) III. C ông nghệ sản xuất Vacxin. 3.1 Sản xuất vaccine truyền thống Tạo sinh khối Làm bất hoạt Đối với vaccine các vi khuẩn đã chết: Có thể dử dụng các tác nhân diệt khuẩn (formalin, alcool, aceton, tia cưc tím, siêu âm…) Đối với vaccine từ vi khuẩn sống giảm động lực Sản xuất ra chế phẩm Kiểm tra sản phẩm Sản xuất vacxin tổng hợp * Có hai loại vacxin tái tổ hợp gen: +> Vacxin tái tổ hợp phân tử: vacxin tái tổ hợp phân tử được tạo ra bằng cách ghép gen hay nạp gen kháng nguyên của đối tượng gây bệnh vào virus hoặc vi khuẩn. Virus hay vi khuẩn này sinh sản nhanh tạo ra nhiều phân tử kháng nguyên. Các kháng nguyên này được tách chiết, tinh sạch để làm vacxin tái tổ hợp chống lại các bệnh sốt xuất huyết, vacxin chống viêm gan B (HBV), vacxin chống bệnh sốt rét, vacxin chống HIV… Sản xuất vacxin tổng hợp +> Vacxin tái tổ hợp gen virus sống : Vacxin tái tổ hợp gen virus sống là các virus động vật đã biến nạp các gen biểu hiện protein thích hợp mang tính miễn dịch từ các cơ thể bệnh lý khác nhau. Vacxin này có nhiều ưu điểm là : cùng một lúc có thể đáp ứng miễn dịch khác nhau trong cùng một cơ thể, đồng thời nó có thể ngăn cản sự kháng thuốc của vi khuẩn và ký sinh trùng gây bệnh. Cấu trúc thông thường của một virus tái tổ hợp bao gồm: Một là gen ngoại lai mã hoá protein kháng nguyên của tác nhân gây bệnh Hai là virus ADN Ba là gen chỉ thị Sản xuất vacxin tổng hợp Quy trình tiến hành tái tổ hợp như sau: Bước 1: Tiến hành xen đoạn thứ cấp của bộ gen virus vào một plasmid vi khuẩn có mang gen kháng lại kháng sinh (1) Bước 2: Tạo tổ hợp gồm ADN khảm có chứa đoạn khởi động (promoter) mạnh gắn với gen kháng nguyên và đuôi poliA. Sau đó xen vào vùng cắt hạn chế của virus.(2) Bước 3: là đưa (biến nạp) đồng thời cả plasmide và virus vào tế bào chủ nhân chuẩn. Tại đây virus ADN và plasmide hợp nhất và tạo ra virus tái tổ hợp Bằng phương pháp tạo vacxin tái tổ hợp virus sống, người ta đã tạo ra vacxin đậu mùa tái tổ hợp cho người và vật nuôi, tạo vacxin adenovirus tái tổ hợp chống một số bệnh hô hấp ở dạng viên nhộng để uống. 3.2 Sản xuất vaccine tái tổ hợp Một đoạn gen cần thiết từ phân tử ADN này + Một phân tử ADN khác (gọi là thể truyền) ADN tái tổ hợp ADN tái tổ hợp được đưa vào tế bào vi khuẩn có đặc tính phát triển nhanh (TB chủ) Tế bào chủ nhân lên Phân tử ADN tái tổ hợp nhân lên nhanh chóng Đoạn gen cần thiết cũng được nhân lên Bằng các kĩ thuật chiết tách, tinh chế, người ta thu lấy những phân tử ADN mang đoạn gen cần thiết này để sử dụng vào những mục đích đã định như sản xuất vacxin, thuốc kháng sinh Ứng dụng công nghệ gen trong sản xuất vacxin Hiện nay đã có một số vacxin được sản xuất bằng công nghệ tái tổ hợp gen Vac xin thế hệ mới hay vacxin tái tổ hợp gen Sản xuất vacxin lở mồm long móng thế hệ mới Tìm đoạn gen có tính kháng nguyên cao trong tế bào virus Dùng enzim sinh học cắt lấy đoạn gen này Nhân lên bằng công nghệ tái tổ hợp gen Chiết, tách Sử dụng chế tạo vacxin IV. Minh họa một vài qui trình sản xuất vacxin4.1. Vacxin cổ điển đã được sản xuất (VD: Vacxin vi khuẩn thương hàn) Bước 1:Nhân giống: Nuôi vi khuẩn thương hàn trên môi trường thạch trong 18 h sau đó dùng NaCl đẳng trương để lấy vi khuẩn và điều chỉnh để đạt độ đậm đặc 5.108 vi khuẩn/1ml. Cấy vi khuẩn này vào môi trường mới sao cho thể tích ban đầu vi khuẩn chiếm 5% thể tích môi trường Bước 2:Nuôi cấy Môi trường lỏng casein chưa 300-400 mg N toàn phần, 200- 250mg% N amin, 0,1-0,6% pepton. Cấy chìm trong môi trường nuôi cấy liên tục có hệ thống khuấy vân tốc 180-300v/ phút để tăng oxy cho hề thống, hệ thống lọc khí vô trùng với lưu lượng 1lit/1phút. Nuôi trong 10-12 giờ để đạt được nồng độ khoảng 6.1010 vi khuẩn Để tăng khả năng sinh sản của vi khuẩn thêm dung dịch glucoza 40%, giữ pH= 7,6-7,8 trong suốt thời gian nuôi cấy . IV. Minh họa một vài qui trình sản xuất vacxin4.1. Vacxin cổ điển đã được sản xuất (VD: Vacxin vi khuẩn thương hàn) Bước 3: Làm bất hoạt Vacxin được làm bất hoạt bằng cồn: Lấy sinh khối trộn thận trọng trong bình đặc biệt với cồn ethyl theo tỉ lệ lân1:1:4, lần 2 1:10 Bước 4:Kiểm tra độ tinh khiết và đáp ứng miễn dịch Kiểm tra độ tinh khiết và đáp ứng miễn dịch rồi đưa dung dịch về điểm đẳng điện bằng NaCl có chứa 0,25% phenol sẽ tạo tủa. 1ml vacxin cồn chưa 5.109 vi khuẩn. Đổ vacxin vào ống và đông khô –400C- - 500C rồi đông gói thành phẩm. Vacxin này có thể nhập chung với VI antigen để tăng hiệu quả. 4.2. Quy trình sản xuất vacxin tái tổ hợp(VD: vacxin cúm) Bước 1: Thu nhận mẫu bệnh và thông tin tình hình dịch tễ bệnh cúm Bước 2: Chẩn đoán, phân lập virus và các phân tích sơ bộ Bước 3: Sản xuất kháng huyết thanh chồn sương Bước 4: Phân tích đặc điểm di truyền và kháng nguyên Bước 5: Đánh giá và chọn lựa virus ứng cử làm vaccine Bước 6: Sự tái tổ hợp virus cúm bằng kỹ thuật di truyền ngược 4.2. Quy trình sản xuất vacxin tái tổ hợp(VD: vacxin cúm) Kỹ thuật này cho phép 6 gene (mã hóa cho các protein NP, PA, PB1, PB2, M, NS) của virus cúm A/Puerto Rico/8/34 (thường gọi là PR8) kết hợp với 2 gene mã hóa cho protein HA và NA (của chủng khuyến cáo làm vaccine) đã được làm giảm độc lực tạo chủng virus mới mang đặc điểm kháng nguyên HA và NA giống với chủng khuyến cáo làm vaccine và có thể phát triển trong trứng nhanh kịp thời cung cấp vaccine khi có dịch xảy ra. Minh họa kỹ thuật di truyền ngược (cổ điển) Minh họa vectors dùng trong kỹ thuật di truyền ngược cải tiến Bước 7: Xác định đặc điểm kháng nguyên và di truyền của chủng tái tổ hợp Bước 8: Đánh giá đặc tính phát triển của virus tái tổ hợp Bước 9: Chuẩn bị các hoá chất cho vaccine bất hoạt Ý nghĩa việc sản xuất bằng công nghệ tái tổ hợp gen Nâng cao năng suất sản xuất vacxin Tạo ra sản phẩm vacxin với nhiều ưu điểm: Vacxin tái tổ hợp gen rất an toàn vì trong vacxin không có sự tồn tại của mầm bệnh Không cần bảo quản lạnh nên giảm được chi phí => phù hợp với điều kiện sử dụng ở những nước đang phát triển C.KẾT LUẬN Sự ra đời của vacxin có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với nhân loại. Nó đã giúp cho loài người thoát khỏi nhiều đại dịch hiểm nghèo (đậu mùa, bại liệt; sởi, uốn ván v.v. Tuy nhiên, nhiều bệnh vẫn còn đang thách thức con người, chưa có vắc-xin nào đủ hiệu quả để ngăn ngừa. Trong đó phải kể nhiều bệnh do ký sinh trùng (thí dụ sốt rét, giun, sán), vi khuẩn (lao), virus (cúm, sốt xuất huyết, AIDS v.v.). Một số lý do có thể là các tác nhân gây bệnh biến đổi thường xuyên khiến cho miễn dịch không còn hữu hiệu hoặc thậm chí tấn công ngay vào hệ miễn dịch như trường hợp của HIV v.v Các loại vắc-xin truyền thống đang dần mất đi tính năng phòng bệnh, đặc biệt còn gây ra những phản ứng phụ chết người trong thời gian gần đây. Tính ưu việt của các loại vacxin ngày càng được khẳng định: rất tinh khiết, ít phản ứng phụ, hiệu lực tạo miễn dịch cao, sản xuất nhanh và giá thành thấp Có thể nói, những thành tựu từ khoa học kỹ thuật đặc biệt là công nghệ sinh học sẽ mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới và hiệu quả trong công tác điều trị bệnh