Vacunas 2015.pdf

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Conceptos y Técnicas de
Biotecnología I, CTBT
VACUNAS
SANDRA RUZAL
Departamento de Química Biológica
FCEN-UBA
IQUIBICEN-CONICET
[email protected]
Sandra Ruzal CTBT 2015
1
Vacuna
Estímulo antigénico capaz de inducir una respuesta
inmune adaptativa que puede ser “recordada” cuando
se adquiere la infección natural.
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2
• VACUNAS → origen siglo XVIII, exposición
voluntaria a agente infeccioso era beneficiosa.
Generaba Protección a reinfección
• Inmunidad: respuesta del sistema inmunológico
→ especificidad y memoria inmunológica
Edward Jenner (médico británico)
inventó en 1796 la primera vacuna
contra la viruela.
inyecto a un niño de 8 años el
contenido de una pústula del brazo
de una ordeñadora (contagiada x
VACA) a través de dos cortes
superficiales en el brazo,
consiguiendo inmunizar al niño ante
la viruela humana.
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3
Aparición principales vacunas de uso humano:
- 1796: Vacunación contra la viruela
- 1885: Vacuna contra la rabia Pasteur µorg atenuados
- 1925: Toxoide diftérico, Toxoide tetánico y tos combulsa
- 1937: Vacuna contra la fiebre amarilla
cultivo celular y
- 1943: Vacuna contra influenza
desarrollo de virus
- 1954: Vacuna inactivada contra virus polio
- 1956: Vacuna viva atenuada contra virus polio humanos fuera del
organismo vivo
- 1960: Vacuna contra el sarampión
Edad de oro
- 1966: Vacuna contra la rubeóla
- 1975: Vacuna contra hepatitis Bsubunidades
- 1980: Viruela erradicada
- 1986: Primera vacuna recombinante (hepatitis B)
- 1988: Vacuna contra H. influenzae B  conjugada
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4
Hitos en descubrimiento de antigenos. La finalización de la primera
secuencia del genoma bacteriano en 1995 sentó las bases para una nueva
era de desarrollo de una vacuna basada en la información genómica.
Genome- and proteome-wide screening strategies for antigen discovery and immunogen design Biotechnology Advances,
Volume 32, Issue 2, 2014, 403–414
esperanza media
de vida al nacer
en el mundo es de
69 años en las
mujeres y 65 años
en los varones.
Vacunas
“A excepción del agua limpia,
ningún otro factor, ni siquiera los
antibióticos, ha ejercido un efecto
tan importante en la reducción de
la mortalidad...”
Nivel más bajo de
mortalidad de niños
menores de 5 años.
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Incidencia pre- y post- vacunación
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Nuevas vacunas que protegeran contra tres organismos:
el neumococo, el rotavirus y el VPH.
Las vacunas evitan más de 2,5 millones de muertes de
niños al año. Las nuevas vacunas disponibles podrían evitar otros
dos millones de muertes al año entre niños menores de cinco años.
Aún así, hay 24 millones de niños que quedan sin vacunar:
más del 10% de los niños menores de un año de los países en
desarrollo no recibieron ni siquiera una dosis de DTP, frente al 2% en
los países industrializados
En 2000, el costo medio de inmunizar a un niño nacido vivo era de
US$ 6 y aumenta hasta US$ 18 en 2010. Para 2015 sería de US$ 30
¿Merece la pena la inversión? Los datos sobre la costo-eficacia de la
inmunización muestran que por ejemplo, la erradicación mundial de
la viruela, que costó US$ 100 millones a lo largo de 10 años hasta
1977, ha permitido ahorrar US$ 1300 millones al año sólo en costos
de tratamiento y prevención
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8
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9
Qué son las vacunas Un preparado complejo
Formado por microorganismos completos
atenuado o inactivado o bien parte o fracción
del mismo
Capaz de inducir una respuesta inmune
Protectora especifica y duradera frente al
mismo microorganismo virulento u otros
patógenos, previniendo la infección y
enfermedad que estos causan
Antígeno: molécula Inmunogénica
Inmunogénica: molécula capaz de despertar una
respuesta en el sistema inmune y producir memoria
inmunológica
Objetivo: PROTECCIÓN POR PREVENCIÓN
más efectivo y menos costoso
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¿Que características debe tener?
- Segura
- Evita la enfermedad
- Protege a una proporción alta de quienes la reciben
- Induce protección duradera
- Carece de efectos secundarios
- Estable
- Bajo costo por dosis
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Tipos de inmunidad
Natural
Natural
PASIVA
ACTIVA
Artificial
Artificial
Sueroterapia o Inmunoglobulina
Inducción de
Sí
respuesta
No
Inicio
Tardío
Inmediato
Duración
Larga
Transitoria
Memoria
Sí
No
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Respuestas inmunes que confieren protección:
Microorganismos extracelulares con una fase en sangre
crucial para la patogénesis (viremia o bacteriemia):
Respuesta Humoral
Microorganismos que ingresan por mucosas: Producción
de IgA secretoria neutralizante
Microorganismo intracelulares: Respuesta celular y
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humoral.
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Tejidos y barreras
intersticiales para las
vacunas y la
migración de células
dendríticas de los
ganglios linfáticos.
Mucosa y la piel
representan
importantes barreras
a la vacuna
(partícula) la
captación y el
transporte
Engineering vaccines and niches for immune modulation Acta Biomaterialia, Volume 10, Issue 4, 2014, 1728–1740
Respuesta primaria 5-10 días
Menor Intensidad IgM>IgG
expansión clonal de células T y/o B
específicas, dan lugar a formación
de población de células de memoria.
Respuesta secundaria 1-3 días
Mayor Intensidad IgG, IgA, IgE
Mayor Afinidad de los Ac
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¿Que tipos de vacunas existen?
modificados para
que no puedan
generar enfermedad
Patógenos muertos o inactivados
Sólo componentes
subunidades
Las vacunas inactivadas, de subunidades y las de DNA se consideran seguras, debido
a que no involucran la inoculación de microorganismos vivos que pudieran ser peligroso
en mujeres embarazadas e individuos inmunocomprometidos o incluso en individuos
sanos debido a la posibilidad de reversión a la forma virulenta del microorganismo
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VACUNAS Atenuadas: Microorganismos vivos que multiplican con
reducida patogenicidad (infección leve) inmunidad humoral y celular
Formas de atenuación de virus:
Aislamiento de virus patógenos de una especie pero que no lo son para otra (viruela
bovina, rotavirus bovino).
Pasajes sucesivos en cultivo celular o en embriones de pollo (sarampión, rubéola)
Pasajes en otro hospedador (Sabin se hace en células de mono)
Por mutagénesis química o térmica o manipulación por técnicas de ingeniería genética
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Recombinación entre cepas virales
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Bacillus Calmette Guerin
BCG
Una gran cantidad de estudios demuestran que NO induce
Ac pero sí una respuesta T CD4+ productora de IFN-.
También CD8+ y CD1.
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VACUNAS Inactivadas o Muertas:
Microorganismos enteros muertos no multiplican tratamientos
físicos o químicos eliminan infectividad, manteniendo
capacidad inmunogénica
Timerosal, mercurial, no muy efectivo, es tóxico, prohibido en humanos.
Betapropionolactona, efectiva en bajas concentraciones, alto costo.
Bromoetileimida (BEI), cancerígeno.
Inmunidad generada es sólo humoral, requieren adyuvantes
Ventajas: Son más estables que las vacunas vivas
Desventajas: Requiere grandes cantidades del Ag y/o mayor número de
dosis, pueden alterar epítopes
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Vacunas atenuadas:
Pasajes sucesivos en
hospedadores no naturales
dosis inyectada de poliovirus
inactivados o muertos
Respuesta inmune en
la vacunación contra
polio
vacuna oral
poliovirus atenuados
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Subunidades procedimientos de fermentación y
purificación que han permitido la producción de vacunas a
base de subunidades o antígenos purificadas
· Pertussis acelular, subcomponentes proteicos purificados,
· Salmonella typhi, polisacárido capsular Vi,
· N. meningitidis grupos A y C, polisacáridos capsulares,
· Streptococcus pneumoniae (23-valente), polisacáridos
capsulares,
· Haemophilus influenzae tipo b conjugada, inmunogenicidad
polisacárido incrementada unida a proteína transportadora,
· N. meningitidis grupos A y C conjugadas Polisacáridos
capsulares conjugados con proteínas antigénicas
(meningococo, neumococo)
TOXOIDES: toxinas inactivadas con formol (tetánica, difterica)
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Vacunas conjugadas
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Ventajas vacunas vivas atenuadas vs. muertos o subunidades?
imitan a la infección natural, son baratos de producir y
administrar vía oral, menor número de dosis requeridas
asemeja in vivo vacunación primaria a secundaria.
Desventajas: costos de almacenamiento y conservación,
deben mantener a 4°C, riesgo afecte al personal, riesgo
potencial que revierta
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BACTERIANAS
Vivas Atenuadas
Células enteras
BCG(*), Anticolérica (oral)(**), Antitifoidea (oral).
Inactivadas
Células enteras
Antipertussis de células enteras (Pw), Anticolérica
(parenteral)(**), Antitifoidea (parenteral).
Toxoides
Antitetánica, Antidiftérica.
Polisacáridos capsulares
Antimeningocócica A-C, Antineumocócica 23 valente,
Polisacáridos capsulares conjugadas
Anti Haemophilus influenzae b,
Antimeningocócica C, Antineumocócica 7 valente
Acelulares
Antipertussis acelular (Pa)
VÍRICAS
Vivas atenuadas
Virus enteros
Antisarampión, Antirrubéola, Antipolio oral (Sabin)
Antiparotiditis, Antivaricela, Antifiebre amarilla (**),
Inactivadas
Virus enteros
Antigripal, Antipolio parenteral (Salk), Antirrábica (**),
Antihepatitis A, Antiencefalitis centroeuropea (**)
Antiencefalitis japonesa (**)
Subunidades
Antigripal (virus fraccionado)
Antihepatitis B (plasma o recombinación genética)
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Componentes de una vacuna
Antígeno: molécula capaz de inducir una respuesta inmune (virus, parte
de virus, células infectadas).
Adyuvante: Sustancias que potencian la reacción inmune, presentan el
antígeno en forma gradual y más eficiente, pero de manera inespecífica.
Particulados
Solubles
• Sales de Al
• Copolímeros no-iónicos
• Emulsiones W/O
• Saponinas
• Liposomas
• Citoquinas
• Sales de Ca
• Toxinas
• Micropartículas<10 um
• Vitamina D3
Estabilizantes: Sustancias que confieren protección frente a factores que
degradan el antígenos.
Diluyente: Soluciones a base de ¨buffers¨ que ajustan la concentración
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antigénica a la dosis de uso o sirven para la reconstitución
de2015
liofilizados.26
Vacunas acelulares, vacunas con toxoides y vacunas
conjugadas, son débilmente inmunogénicas
Requieren Adyuvantes
Potencian la reacción inmune, presentan el antígeno en forma
gradual y más eficiente, pero de manera inespecífica, estimulan la
producción de citoquinas.
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Inmunógeno
Adyuvante
Inmunidad
Adaptativa
(linfocitos)
Inmunidad
Innata
(macrófagos)
especificidad
Respuesta
vacunal
intensidad
duración
orientación
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En vacunas multi-componentes (más de un
antígeno) se debe probar que no existe
interferencia entre los componentes.
Otra interferencia común son los agentes
inactivantes de vacunas de virus inactivados
cuando se aplican con otras vacunas que
poseen antígenos vivos
Combinadas: varias especies
• Doble bacteriana (dT): difteria + tétanos.
• Triple bacteriana celular y acelular (DTP/Pa): difteria +
tétanos +pertussis.
• Cuádruple celular y acelular (DTP/Pa + Hib): difteria +
tétanos + pertussis + Haemophilus influenzae b.
• Quíntuple celular y acelular (cuádruple + IPV): DTP/Pa
+ Hib + poliomelitis inactivada.
• Quíntuple celular (cuádruple + HB): DTP + Hib +
hepatitis B.
Monovalentes: una
única especie un
antígeno
Polivalentes: única
especie de distintos
antígenos
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Vías: practicidad + eficacia + inocuidad
oral: cebos o agua
intranasal: Gotas o aerosoles
parenterales:
Intradérmica
subcutánea
intramuscular
endovenosa
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PRODUCCIÓN DE VACUNAS
Requisitos generales: pura, segura, potente y efectiva
Instalaciones adecuadas con personal capacitado
GMP (buenas prácticas de manufactura) uniformidad y consistencia
Registro del producto y control lote a lote.
Factores a considerar:
•Diseño del producto (tipo de vacuna, modo de producción, eficiencia,
control)
• Registro, Semilla, banco maestro
• Materias primas, medios y soluciones, calidad del agua, suero y aditivos
de origen biológico.
• Sistemas de cultivo celular, Infección, Cosecha
• Concentración y/o purificación
• Inactivación
• Formulación
• Envase y acondicionado: Presentaciones
• Almacenamiento
• Control de calidad y cadena de frío
• Presentación ante organismos oficiales
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• Seguimiento de la conformidad del cliente
Instalaciones de producción
1) Diseñadas para garantizar la pureza del
producto en todas las etapas de producción
como también proteger la salud del
personal.
2) Fácil limpieza siguiendo normas
bioseguridad y contención de patógenos
para evitar contaminaciones cruzadas y
prevenir la contaminación del personal y los
equipos.
3) Cada proceso limitado a un área definida
4) Con adecuada ventilación y aire filtrado,
temperatura y suministro de agua.y drenaje
5) vestuarios y otras instalaciones para el
personal accesibles sin pasar a través de
áreas preparación de productos biológicos.
5) Diseño que evita contaminación
ambiental. Material utilizado en producción
tiene que hacerse seguro antes de salir de
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la instalación. Sandra Ruzal CTBT 2015
inoculo
semilla
biorreactor
centrifugación
estabilizador
liofilizada
molienda
encapsulado
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Los virus se cultivan tanto en las células primarias, como
huevos de gallina embrionados (x ej influenza, rabia,
sarampión),
Producidas en órganos:
Producidas en organismos Cerebro de cordero (rabia),
recombinantes: bacterias, Cerebro de ratón (encefalitis
levaduras.
japonesa)
Producidas en cultivos celulares: primarios, secundarios o
líneas celulares continuas, tales como cultivos de células
humanas (x ej hepatitis A). .
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http://www.anmat.gov.ar/Medicamentos/Medicamentos.asp
Disposición ANMAT 705/2005 Requisitos para la inscripción de vacunas.
1. Investigación pre-clínica se prueban pureza y seguridad en animales
2. Estudios clínicos en humanos:
• Fase I: pequeño grupo de voluntarios que habitan fuera del área endémica.
evalúa la seguridad y potencia de la vacuna.
• Fase II: análisis de la respuesta inmune de los voluntarios.
• Fase III: son pruebas “de campo”, se realizan con comunidades que habitan en
áreas endémicas. Seguimiento clínico de los individuos vacunados.
3. Período de licencia procedimientos legales y administrativos a partir de los
resultados obtenidos en las etapas anteriores para la aprobación (licencia) y
registro de la vacuna.
4. Relevamiento post-licencia evalúa la vacuna durante algunos años.
Se estudian los cambios en la incidencia de la enfermedad y en la transmisión y
se registran los casos de reacciones indeseables. Sólo después de esta etapa se
considera o no la inclusión de la vacuna en los planes de vacunación de la región.
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Bondades de una vacuna ideal
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Precio competitivo.
De fácil producción y económica
Ser inocua y segura, pocos o ningún efecto adverso.
Estabilidad física y genética. Ideal a temperatura ambiente
Posible inmunización simultánea contra múltiples
componentes protectores de diversos patógenos.
Protección de larga duración con 1 sola dosis Vía Oral
Disparar una respuesta inmune de memoria.
Inducción de inmunidad mucosas en máximo 2 semanas.
Estimulación de respuesta inmune humoral y celular a
nivel sistémico.
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El papel de la biotecnología en el desarrollo de vacunas
Problemas
i) no todos los agentes infecciosos son fáciles de crecer en
las condiciones normales de cultivo
ii) el trabajar con los agentes infecciosos requiere de
medidas de bioseguridad muy elevadas
iii) no todas las enfermedades infecciosas son prevenibles
por este tipo de vacunas;
iv) los agentes infecciosos usados en la producción de la
vacuna pueden estar insuficientemente atenuados o
muertos y por lo tanto pueden introducir la virulencia a la
vacuna;
v) componentes tóxicos de los agentes pueden no estar
completamente inactivados y mantener la toxicidad en la
vacuna final
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El papel de la biotecnología en el desarrollo de vacunas
Soluciones
a) identificar genes de virulencia y por lo tanto facilitar su
deleción en los agentes infecciosos creando clones
avirulentos pero que mantienen su habilidad de estimular
la respuesta inmune;
b) crear sistemas vivos no-patogénicos que acarreen los
determinantes antigénicos de un patógeno específico o de
varios;
c) para aquellos agentes de difícil crecimiento, se pueden
aislar los genes de las proteínas que contienen los
determinantes antigénicos críticos para la inmunidad y
expresarlos en otro huésped de mas fácil crecimiento
(bacteria o levadura)
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vacunas recombinantes
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La vacunología reversa consiste en
una búsqueda de secuencias de
genoma para la identificación de
putativos antígenos proteicos de
superficie que podrían utilizarse
como candidatos para vacunas
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Genome- and proteome-wide screening strategies for antigen discovery and immunogen design Biotechnology Advances, Volume 32, Issue 2,
2014, 403–414
•Recombinantes: Se utiliza la manipulación genética para
producir alguno de los componentes del patógeno
El primer antígeno recombinante
comercial para humanos es el
de la proteína de la cápside del
virus de la hepatitis B (HBsAg).
Se produce en Pichia pastori y se
purifica con técnicas de
precipitación de proteínas y
columnas de afinidad con
Anticuerpos monoclonales,
también el antígeno L1 de HPV
4 subtipos
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Las vacunas recombinantes de tipo subunidad
producto del gen expresado en bacteria, es cosechado,
purificado y administrado como una vacuna
Antígenos recombinantes
producidas en
bacterias o levaduras,
cultivos celulares
en plantas.
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VLPs, virus-like particles,
“tipo-virus”
Se utilizan las proteínas de la cápside
viral que se ensamblan en cubiertas
virales vacías (sin ácido nucleico)
Segunda generación
proteínas L1 (capside mayor)
recombinantes forman partículas
carentes del genoma viral, y por lo
tanto no infectivas
Papiloma humano
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Las vacunas recombinantes de gen deletado
vacunas con genes deletados asociados con la virulencia
o patogenicidad de una bacteria patógeno;
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Las vacunas recombinantes vectoriales consisten de
organismos no patogénicos o de gen deletado en el que se
inserta un material genético específico de otro patógeno
Utilizan virus o bacterias vivos como vectores
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• Cumplir normativa sobre ecotoxicidad (Directiva
2001/82/CE y 2001/18/EC -Annex II- ):
• Estudio de virulencia en situaciones de riesgo en
diferentes especies
• Estudio de posible transmisión horizontal y
recombinación potencial del vector vacunal o de parte
de él.
• Estudio de especificidad de especie
• Estudio de la posible instalación en el ambiente.
• Método validado para poder distinguir entre vacuna y
microorganismo “salvaje”, especialmente en
situaciones de planes de control y erradicación de la
enfermedad.
• Utilización de datos obtenidos de ensayos realizados
con el mismo vector pero acompañado de otras
secuencias.
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Differentiating Infected From Vaccinated Animals
¨Marker vaccines¨
Se deletean genes
no esenciales
inmunogénicos
Problema: Recombinantes
permiten diferenciar
la respuesta a la
vacuna de aquellos
de animales
infectados
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Artificial antigen-presenting cells (APCs).
Confocal imaging of aAPC (green)
conjugate formation to CD8+ T cells (red)
Vacunas de ADN desnudo: El gen que codifica para el
antígeno es introducido en el organismo a ser vacunado
y él mismo produce el antígeno a partir de ese gen
inyectado directamente
en las célula muscular,
in vivo, donde luego es
traducido y expresado
induciendo la
respuesta inmune
•Efecto adyuvante
•5´-purina-purina-CGpirimidina-pirimidina-3´
• > Frecuencia en bacterias
•Metilados en C vertebrados
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Inmunización
intradérmica Gene-gun
intramuscular
Vacunas ADN
son plásmidos altamente purificados
producidos en alta cantidad (g/L) liofilizado
y luego inyectados codifican para
antígenos que se expresan in situ
El plásmido se mantiene por un tiempo
como episoma en citoplasma.
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Existen beneficios asociados:
Existen riesgos asociados:
• Efectivas en modelos
animales sin necesidad de
adyuvantes o sistemas de
administración.
• estimulación de la respuesta
humoral y celular.
• Solo expresan genes que
inducen inmunidad.
• Las produce el mismo animal,
siguiendo las instrucciones
del gen insertado en el
plásmido de expresión en la
forma nativa .
• Menor dependencia de la
cadena de frío que las
vacunas con proteínas.
• Bajo Costo y menor tiempo
de preparación
• Integración potencial del
plásmido en el genoma de las
células hospedadoras.
• Inducción potencial de
anticuerpos contra ADN del
plásmido inyectado.
• Problema de conformación
no nativa de proteínas
bacterianas en vacunas con
ADN inoculadas en animales.
• Liberación accidental de
las construcciones de ADN
desnudo pueden favorecer
transferencia horizontal de
genes
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Vacunas comestibles. a partir de plantas modificadas
genéticamente que actúan como bioreactores de
antígenos
Experimental
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Experimental
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VACUNAS COMESTIBLES
Vacunas orales
Vehículos: células enteras LAB
o esporas Bacillus
sobrevivir aparato gastrointestinal
•retención de 2 a 3 días
•Vehículo de baja inmunogenicidad
Experimental
•propiedades adyuvantes
•Sistemas genéticos (Food-Grade)
•No necesita aislamiento y purificación del antígeno
•producción IgA
•administración fácil, evita uso agujas
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Por qué aún no es posible?
Sandra Ruzal CTBT 2015
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Por qué aún no es posible?
Transferencia Horizontal con bacterias intestinales
Alternativas??? Status GRAS como carrier no recombinante
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Altas inversiones en I+D resultan en altos precios
Existencia de “vacunas huérfanas”
Diferencia genética de patógenos puede resultar en
efectividad relativa
Las vacunas tradicionales “baratas” están comenzando a
escasear
Vacunas tradicionales: disponibilidad vs. demanda
Fuente: GAVI Immunization
Focus
Sandra
Ruzal CTBT 2015
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¿Qué tipo de vacuna emplearía para proteger un animal contra:
-una enfermedad ocasionada por una bacteria de vida intracelular?
Ej: Brucella, Mycobacterium tuberculosis y Lysteria monocytogenes,
malaria, infección por VIH, u otros virus.
deben ser capaces de generar respuestas citotóxicas
celulares
-una bacteria toxigénica. Ej: Clostridium.
una respuesta humoral mediada por linfocitos B
vigorosa puede neutralizar las toxinas de algunos
gérmenes (difteria y tétanos) o neutralizar virus
circulantes, como los enterovirus.
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