dr hab. n. med. Ernest Kuchar

Krztusiec, zwany również z języka francuskiego kokluszem, jest bakteryjną chorobą zakaźną wywoływaną przez zakażenie dróg oddechowych Gram(–) pałeczką Bordetella pertussis. Choroba jest bardzo zaraźliwa, przenosi się drogą kropelkową i cechuje się nawracającymi napadami silnego kaszlu, niekiedy z towarzyszącymi bezdechem i zaburzeniami oddechowymi. Może przebiegać ciężko i prowadzić do zgonu, zwłaszcza małych niemowląt^1,2. W celu ochrony przed chorobą powszechnie stosowane są dwa rodzaje szczepionek: szczepionki całokomórkowe (wPV – whole-cell pertussis vaccine) oraz nowsze szczepionki bezkomórkowe (inaczej nazywane acelularnymi) (aPV – acellular pertussis vaccine).

Krztusiec był pierwotnie ciężką chorobą zakaźną wieku dziecięcego. Występował często wśród niemowląt i dzieci do czasu wprowadzenia całokomórkowej szczepionki przeciwko krztuścowi, która począwszy od lat 40. XX wieku odegrała kluczową rolę w zmianie światowej epidemiologii krztuśca. W Stanach Zjednoczonych roczna liczba zachorowań na krztusiec zmniejszyła się z ponad 200 000 przypadków, w tym 4000 zgonów, do 1010 przypadków w 1976 roku³.

W Polsce zapadalność na krztusiec przed wprowadzeniem w 1960 roku powszechnych szczepień przekraczała 100 przypadków/100 000 osób, ze szczytem zachorowań w 1960 roku (325,5/100 000 mieszkańców, 95 968 zgłoszonych przypadków). Liczba zgonów z powodu krztuśca sięgała wówczas 1000-1400 rocznie⁴. Po kilkudziesięcioletniej poprawie w ostatnich latach utrzymuje się stosunkowo duża zapadalność na krztusiec, z okresowym wzrostem zachorowań (12,9/100 000 w 2015 roku oraz 17,8/100 000 w 2016 roku). Po rekordowym 2016 roku, gdy zgłoszono 6856 przypadków krztuśca, liczba zarejestrowanych chorych spadła w 2017 roku do 3034 i do 746 w 2020 roku, w pierwszym roku pandemii COVID-19⁴.

Choć skuteczne szczepionki przeciwko krztuścowi są szeroko dostępne od połowy ubiegłego wieku, a globalny zasięg szczepień (definiowany jako podanie 3 dawek szczepienia podstawowego) przekroczył 85%, do dziś krztusiec pozostaje najczęstszą chorobą wieku dziecięcego, której można zapobiegać za pomocą szczepień. Ostatnio liczba przypadków krztuśca i związanych z tą chorobą zgonów ponownie wzrosła w kilku krajach uprzemysłowionych, ilustrując tym samym niedociągnięcia obecnych strategii szczepień⁵. World Health Organization (WHO) szacuje, że na świecie rocznie występuje 20-40 mln przypadków krztuśca, z czego 90% w krajach rozwijających się⁶. Mimo prowadzonych szczepień krztusiec pozostaje endemiczny w większości państw, z epidemiami co 2-5 lat. Spośród krajów rozwiniętych tylko Japonia osiągnęła cel wyznaczony przez WHO, jakim jest kontrola krztuśca z zapadalnością poniżej 1/100 000 mieszkańców, natomiast największą zapadalność obserwuje się w Australii i Szwajcarii⁷. Obecnie krztusiec stanowi również znaczne obciążenie chorobowe dla starszych dzieci, młodzieży i dorosłych, będąc istotną przyczyną chorób układu oddechowego i przewlekłego kaszlu. Dane z Centers for Disease Control and Prevention (CDC) wykazały, że zapadalność w tej grupie wiekowej wzrosła o prawie 100% w latach 1996-2000⁷. W badaniu przeprowadzonym w Kanadzie wśród dorosłych i młodzieży, którzy zgłosili się do pogotowia ratunkowego z przewlekłym kaszlem (≥7 dni), u 1 na 5 pacjentów (20%) stwierdzono laboratoryjne cechy krztuśca⁸. Podobna sytuacja epidemiologiczna ma miejsce w Polsce – większość chorych na krztusiec ma ponad 15 lat.

Opanowanie krztuśca za pomocą dostępnych szczepionek nie było skuteczne, ponieważ opierało się na przerwaniu transmisji dzięki odporności populacyjnej, która nie jest wystarczająco indukowana przez szczepienia. Szczepionki inaktywowane, zarówno aPV, jak i wPV, nie zapobiegają zakażeniu, a odporność po aPV słabnie nieco szybciej niż po wPV. W badaniach wykazano, że wprowadzenie do programu szczepień przynajmniej jednej dawki wPV wiąże się z lepszą ochroną przed chorobą i z dłuższym czasem trwania odporności⁵. Z kolei szczepienie ciężarnych za pomocą aPV okazało się bezpieczne i skuteczne, chroniąc małe niemowlęta przed ciężkim, w tym śmiertelnym, przebiegiem krztuśca⁹.

Szczepionki przeciwko krztuścowi

Wyizolowanie i hodowla B. pertussis – czynnika etiologicznego krztuśca – na sztucznych podłożach w 1906 roku umożliwiły opracowanie szczepionki. Pierwotnie była to szczepionka całokomórkowa otrzymywana poprzez unieczynnienie płynnej hodowli bakteryjnej. W miarę zdobywania doświadczenia uzyskano wystandaryzowaną szczepionkę całokomórkową o powtarzalnym składzie. Całokomórkowe szczepionki przeciwko krztuścowi zostały po raz pierwszy dopuszczone do obrotu w Stanach Zjednoczonych w 1914 roku. W latach 30. XX wieku ulepszono szczepionki przeciwko krztuścowi poprzez zwiększenie zawartej w nich liczby bakterii, stosowanie standardowych podłoży hodowlanych, inaktywację organizmów „łagodniejszymi” metodami oraz stosowanie świeżych, szybko rosnących drobnoustrojów. Szczepionka została zaadsorbowana na soli aluminium, co spowodowało zwiększenie immunogenności i zmniejszenie reaktogenności. W 1948 roku wprowadzono trójskładnikową szczepionkę skojarzoną z toksoidami błonicy i tężca, która jest zalecana i powszechnie stosowana do rutynowych szczepień dzieci⁹. Na wczesnym etapie rozwoju szczepionek przeciwko krztuścowi brakowało odpowiednich metod (innych niż badania kliniczne) oceny siły działania szczepionki. Jedna z pierwszych prób klinicznych z użyciem szczepionki całokomórkowej, którą przeprowadzono podczas epidemii krztuśca na Wyspach Owczych, dowiodła jej skuteczności⁹. Po II wojnie światowej Pearl Kendrick opracowała test na myszach, w którym gryzonie były uodparniane szczepionką przeciwko krztuścowi, a następnie poddawane działaniu żywych drobnoustrojów B. pertussis wszczepianych domózgowo. Test ten, zwany testem Kendrick, w sposób powtarzalny mierzył siłę działania szczepionki skorelowaną ze skutecznością ochronną u ludzi i był stosowany przez wiele lat. W latach 80. ubiegłego wieku wiedza na temat antygenów krztuśca i ich znaczenia dla odporności się zwiększyła, co umożliwiło opracowanie aPV, w dużej mierze w odpowiedzi na obawy dotyczące niepożądanych odczynów poszczepiennych zgłaszanych po szczepionkach całokomórkowych⁹. Szczepionkę acelularną po raz pierwszy wprowadzono w Japonii w 1981 roku¹⁰. W 1996 roku mniej reaktywne szczepionki bezkomórkowe zostały zalecone do rutynowego stosowania u niemowląt i dziś są jedynymi szczepionkami przeciwko krztuścowi dopuszczonymi do obrotu w Stanach Zjednoczonych⁹. Obecnie wszystkie dostępne szczepionki przeciwko krztuścowi są połączone z toksyną tężcową i błoniczą, a nowsze acelularne szczepionki wysoce skojarzone przeznaczone dla niemowląt także z antygenami wirusowego zapalenia wątroby typu B, inaktywowanego polio i ze szczepionką skoniugowaną przeciwko Haemophilus influenzae typu b⁹.

Szczepionka całokomórkowa

Całokomórkowa szczepionka przeciwko krztuścowi jest zawiesiną całych, zabitych komórek pałeczek krztuśca z adiuwantem w postaci wodorotlenku glinu, zawierającą różne ilości wszystkich głównych antygenów, takich jak: toksyna krztuścowa, cyklaza adenylanowa, toksyna tchawicza, lipooligosacharyd, hemaglutynina włókienkowa i aglutynogeny. Szczepionkę uzyskuje się z hodowli bakterii B. pertussis w płynnym podłożu. Następnie toksyny zostają unieczynnione chemicznie. Moc szczepionki ustala się za pomocą testu na myszach opracowanego przez Kendrick. Pomimo prostoty technologii zawartość antygenów w wPV, a tym samym immunogenność tej szczepionki, różnią się w zależności od producenta⁹. Wykazano, że skuteczność szczepionki wynosi 36-98%⁹. Dane z badań obserwacyjnych dowiodły skuteczności szczepionki w zapobieganiu krztuścowi potwierdzonemu mikrobiologicznie^10,11. Ze względu na dużą reaktogenność i częste wywoływanie działań niepożądanych, zarówno miejscowych, jak i ogólnych, szczepionki z całokomórkową komponentą krztuśca zostały dopuszczone do stosowania jedynie do 3 lat (w Polsce), maksymalnie do 7 roku życia⁹. Obserwowane niepożądane odczyny poszczepienne związane są głównie z zawartym w szczepionce silnie odczynowym lipopolisacharydem (LPS). Obawy o – jak się później okazało niepotwierdzony – związek wPV z ciężkimi odczynami niepożądanymi ze strony ośrodkowego układu nerwowego wywarły silną presję społeczną, która doprowadziła do czasowego całkowitego zaprzestania szczepień dzieci przeciwko krztuścowi w niektórych krajach i jednocześnie zmotywowała do opracowania mniej reaktogennej szczepionki. Mimo to wPV nadal pozostają najczęściej stosowanymi szczepionkami krztuścowymi na świecie, głównie z powodu wysokich kosztów aPV, na które nie mogą sobie pozwolić kraje ubogie¹².

Szczepionka bezkomórkowa

Acelularna szczepionka przeciwko krztuścowi zawiera oczyszczone antygeny krztuścowe. W skład większości zarejestrowanych na świecie szczepionek bezkomórkowych wchodzi 1-5 oddzielnie oczyszczonych antygenów^12,13. Wszystkie szczepionki aPV zawierają inaktywowaną toksynę krztuścową, większość z nich również hemaglutyninę włókienkową i pertaktynę, a niektóre także fimbrie. Ilości i stężenia poszczególnych antygenów różnią się w zależności od producenta, co podobnie jak w przypadku szczepionek całokomórkowych może wpływać na immunogenność szczepionki^9,14. Również rodzaj antygenów zawartych w szczepionce może wpływać na jej skuteczność^9,14. Czynnikami, które skłoniły do opracowania nowszej generacji szczepionek bezkomórkowych, były nie tylko częste miejscowe i ogólnoustrojowe działania niepożądane występujące po podaniu szczepionek całokomórkowych, lecz także trudności związane z zachowaniem spójności serii. Szczepionki acelularne w porównaniu z wPV wywołują istotnie rzadziej odczyny ogólne (gorączkę, wymioty, niepokój, anoreksję) oraz miejscowe (obrzęk, zaczerwienienie, ocieplenie, tkliwość). Co najważniejsze, ryzyko wystąpienia poważnych odczynów niepożądanych, uporczywego płaczu, drgawek i epizodów hipotoniczno-hiporeaktywnych było istotnie mniejsze u osób, które otrzymały szczepionki acelularne¹⁵. Nadzór nad bezpieczeństwem szczepień po wprowadzeniu aPV do obrotu dostarczył wiele danych potwierdzających zmniejszoną odczynowość tych szczepionek¹⁵. Szczepionki bezkomórkowe mają zatem wyraźnie lepszy profil bezpieczeństwa niż całokomórkowe, a ich krótkoterminowa skuteczność po podaniu 3 dawek jest dobra, szacowana na 67-84%^9,16. Ze względu na lepszy profil bezpieczeństwa i podobną skuteczność większość krajów uprzemysłowionych zastąpiła wPV przez aPV¹². Lepszy profil bezpieczeństwa i dobra tolerancja aPV umożliwiły szersze stosowanie tych szczepionek w populacji poza pierwszymi latami życia. Dzięki temu w wielu krajach wprowadzono programy szczepień przypominających, w tym szczepień ciężarnych, co umożliwiło opanowanie ognisk epidemicznych i pośrednią ochronę szczególnie wrażliwych małych niemowląt¹². Szczepionka aPV jest jednak droższa od wPV, a słabnąca z czasem odporność poszczepienna osób nieprzyjmujących dawek przypominających stanowi problem, prowadząc do częstszych zachorowań wśród młodzieży i dorosłych.

Mechanizmy immunologiczne odporności poszczepiennej

Układ odpornościowy rozwija się jednokierunkowo od okresu noworodkowego po wiek podeszły pod wpływem stymulacji przez antygeny pochodzące ze środowiska. Pierwszy kontakt z nowym antygenem determinuje późniejsze reakcje immunologiczne, co określono obrazowo jako antygenowy grzech pierworodny. Efekt znany również jako imprinting antygenowy lub efekt Hoskinsa odkryto w latach 60. XX wieku^17,18. Polega on na skłonności układu odpornościowego do korzystania z pamięci immunologicznej powstałej w czasie pierwszego kontaktu z antygenem przy kontakcie z kolejną, zmienioną wersją tego antygenu. W ten sposób układ odpornościowy zostaje „związany” przez pierwszą odpowiedź na dany antygen i nie jest w stanie wzbudzić innej, potencjalnie skuteczniejszej odpowiedzi podczas kolejnych infekcji czy dawek szczepień; przeciwciała i limfocyty T indukowane podczas kontaktu z pierwszym wariantem antygenu dzięki zjawisku antygenowego grzechu pierworodnego mają niejako „zamrożony” repertuar odpowiedzi immunologicznej. Zjawisko pierwotnego grzechu antygenowego opisano w odniesieniu do wirusa grypy, SARS-CoV-2, gorączki denga, ludzkiego wirusa niedoboru odporności (HIV – human immunodeficiency virus) oraz do kilku innych wirusów¹⁸.

W przebiegu naturalnego krztuśca pobudzane są głównie dwa typy komórek T: Th1 i Th17, co ma kluczowe znaczenie dla usunięcia patogenów z błon śluzowych układu oddechowego i pośrednio zahamowania transmisji B. pertussis w otoczeniu ozdrowieńców. Pobudzenie linii komórek Th2 związane z wytwarzaniem przeciwciał ma drugorzędne znaczenie dla eliminacji nosicielstwa. Wyniki badań na modelach zwierzęcych, potwierdzone w próbach klinicznych, wykazały znaczne różnice w odpowiedzi limfocytów T po podaniu wPV w porównaniu z aPV¹⁹. W badaniach na małpach stwierdzono, że osobniki zaszczepione aPV mogą stać się bezobjawowymi nosicielami pałeczek krztuśca, co prowadzi do dalszej transmisji chorobotwórczego drobnoustroju^20,21. Szczepionki całokomórkowe sprzyjają polaryzacji immunologicznej w kierunku komórek Th1 i Th17, przypominając zakażenie naturalne, podczas gdy szczepionki bezkomórkowe indukują polaryzację w kierunku Th2²¹. Badania wskazują, że szczepionki krztuścowe podane w pierwszych miesiącach życia długoterminowo determinują odpowiedź limfocytów T w zależności od rodzaju szczepionki. Wykazano, że dawki przypominające aPV działają odmiennie w zależności od rodzaju szczepienia podstawowego: u osób zaszczepionych wPV wzmacniają odpowiedź komórkową, natomiast u osób zaszczepionych w okresie niemowlęcym aPV wzmacniają głównie syntezę przeciwciał, a nie odporność komórkową¹⁹. W badaniu kohortowym przeprowadzonym w Kanadzie wykazano istotne osłabienie odporności u osób, które otrzymały aPV po upływie ponad 8 lat od ostatniej dawki szczepienia (skuteczność 41%; 95% przedział ufności [CI – confidence interval] 0-66%). Spadek skuteczności był wolniejszy u osób, które otrzymały przynajmniej jedną dawkę wPV²². Oznacza to, że polaryzacja linii komórek Th nabyta we wczesnym dzieciństwie utrzymuje się po pierwotnym imprintingu. Szczepionki acelularne w przeciwieństwie do naturalnego zakażenia i szczepionek całokomórkowych w niewielkim stopniu indukują odporność komórkową i odpowiedzi Th1, które są niezbędne do wyeliminowania zakażenia dróg oddechowych przez B. pertussis i mogą być kluczem do trwałej ochrony^19-21.