بیماری کروناویروس 2019 (COVID-19) ناشی از سندرم حاد تنفسی مرگبار کرونا 2 (SARS-CoV-2) در مدت زمان کوتاهی 6 ماهه در سراسر جهان گسترش یافته است. کووید-19 باعث نگرانی های عمده بهداشت جهانی، ایجاد وحشت گسترده، خسارات اقتصادی شده و تلاش های انجام شده برای محدود کردن شیوع آن را با مشکل مواجه کرده است. SARS-CoV-2 ده ها میلیون نفر را آلوده کرده و باعث مرگ بیش از یک میلیون نفر شده است.

COVID-19 مرگبارترین بیماری همه گیر از زمان همه گیری آنفولانزای اسپانیایی در سال 1918 است که نزدیک به 50 میلیون نفر را کشت. در حال حاضر هیچ واکسنی برای مهار کامل بیماری همه گیر COVID-19 در دسترس نیست. محققان در سراسر جهان به طور مداوم در حال کار هستند و تلاش‌های گسترده‌ای برای طراحی و توسعه واکسن‌ها، درمان‌ها و داروهای مؤثر برای متوقف کردن گسترش SARS-CoV-2 برای کمک به نجات جان میلیون‌ها نفر انجام می‌دهند.

جدا از پلتفرم‌های تولید عمده و فناوری‌های مورد استفاده برای تولید واکسن‌ها، داروها و سایر مواد بیولوژیک توسط صنایع و شرکت‌های داروسازی، پلتفرم‌های تولید مبتنی بر گیاه به‌عنوان یک سیستم کارآمد برای تولید انبوه برای سازگاری با نیازهای شرایط ظهور کرده‌اند.

فناوری‌های گیاهی که در طب سنتی و مدرن برای بسیاری از بیماری‌ها از جمله بیماری‌های عفونی مورد استفاده قرار می‌گیرند، پتانسیل ایجاد پیشگیرانه، واکسن‌ها و داروهای ایمن، کارآمد، پایدار و مقرون به صرفه را دارند. تلاش های اولیه برای تولید واکسن های گیاهی حاوی آنتی بادی با استفاده از گیاهان تنباکو انجام شده است.

اولین واکسن گیاهی جهان برای ویروس بیماری نیوکاسل (NDV) توسط وزارت کشاورزی ایالات متحده (USDA) برای طیور تایید شد که بیش از 90٪ محافظت در مرغ ایجاد می‌کند. با توجه به چشم‌اندازها و تقاضاهای آینده، واکسن‌های گیاهی پتانسیل ایجاد انقلابی در حوزه واکسینولوژی را دارند. این مقاله توسعه، تولید و کاربرد واکسن‌ها و آنتی‌بادی‌های گیاهی را برای مبارزه با کووید-۱۹ نشان می‌دهد.

گیاهان به عنوان کارخانه هایی برای توسعه محصولات بیولوژیکی

واکسن های گیاهی برای COVID-19 را می توان با بیان جزء آنتی ژنی SARS-CoV-2 برای القای ایمنی فعال یا بیان آنتی بادی در برابر ویروس برای ایجاد محافظت غیرفعال ایجاد نمود. واکسن های گیاهی جزء واکسن های نسل سوم محسوب می شوند. رویکرد تولید یک واکسن گیاهی شامل شبیه‌سازی واکسن کاندید در یک سیستم بیان گیاهی است که سپس آنتی ژن یا پروتئین محافظ تولید می‌کند.

این رویکرد تولید واکسن را با استفاده از گیاهان به عنوان راکتورهای زیستی و رشد آن ها برای چندین نسل امکان‌پذیر می‌سازد و در نتیجه تولید و در دسترس بودن مداوم را تضمین می‌کند. سیستم‌های مبتنی بر گیاه ممکن است یک پلتفرم کارآمد برای تولید محصولات بیولوژیکی در مقیاس بزرگ در عرض چند هفته، در مقایسه با بازه زمانی طولانی‌تر ماه‌ها مورد نیاز برای رویکردهای مبتنی بر کشت سلولی، ارائه دهند.

گیاهان برای تولید واکسن‌ها، آنتی‌بادی‌ها، پروتئین‌های تعدیل‌کننده ایمنی، داروها و مواد دارویی مورد استفاده قرار گرفته‌اند و به‌عنوان بیوراکتور یا کارخانه‌هایی در نظر گرفته می‌شوند که می‌توانند راه را برای تولید انبوه محصولات بیولوژیکی به موقع هموار کنند. روش‌های مرسوم مانند انتقال ژن عبارتند از:
روش های سنتی انتقال با واسطه آگروباکتریوم از طریق ویروس گیاهی اصلاح‌شده ژنتیکی و روش‌های پیشرفته کنونی (الکتروپوراسیون، آگروفیلتراسیون، فراصوت، انتقال ژن با نانوذره و تیمار با پلی اتیلن گلیکول).

ژن‌های میکروبی هنگامی که در ژنوم گیاه گنجانده می‌شوند، بدون تأثیر بر گیاه و بدون از دست دادن خاصیت ایمنی‌زایی، به آنتی‌ژن‌های پروتئینی پاتوژن هدف رونویسی می‌شوند. مکانیسم‌های دخیل در ایجاد ایمنی میزبان در برابر پاتوژن، پاسخ‌های ایمنی سیستمیک و مخاطی هستند.

برخی از واکسن ها با بمباران مستقیم یا روش های بیولیستیک تولید می شوند، مانند وبا، سیاه زخم، کزاز، طاعون، روتاویروس و پاروویروس سگ ها. چندین محصول بیولوژیکی گیاهی به آزمایش‌های بالینی رسیده‌اند که تعدادی از آن ها به‌عنوان ابزار پزشکی و دارویی برای درمان بیماری‌های مزمن و عفونی در دسترس هستند.

مزایای اولیه گیاهان برای تولید محصولات مختلف بیولوژیکی و دارویی با استفاده از فارمینگ مولکولی گیاهی شامل مقرون به صرفه بودن و مقیاس پذیری است، زیرا گیاهان را می توان به صورت تجاری در مقیاس بزرگ کشت داد. واکسن‌های گیاهی می‌توانند تولید سریع محصولات بیولوژیکی را در مقیاس صنعتی تسهیل کنند و بنابراین پتانسیلی برای برآورده کردن نیازهای اضطراری مانند وضعیت فعلی همه‌گیری COVID-19 دارند.

تولید واکسن های گیاهی راحت، از نظر علمی و فنی سالم و مقرون به صرفه است. از طرفی نیازی به نگهداری در سردخانه ندارد و می توان مقیاس آن را افزایش داد و می تواند به تهیه واکسن های موثر، ایمن و ارزان کمک نمود.

واکسن ها و آنتی بادی های گیاهی

از گیاهان مختلفی مانند تنباکو، شلغم، سیب زمینی و سایر گیاهان برای تولید واکسن استفاده شده است. اینترفرون-α انسانی اولین پروتئین دارویی نوترکیب مشتق شده از گیاه بود که در شلغم تولید شد. بعدها آنتی بادی (scFv mAb) علیه ویروس هپاتیت B در تنباکو تولید شد و برای استفاده در کوبا تایید شده است. کشاورزی مولکولی مبتنی بر گیاه در طول اپیدمی‌ها و همه‌گیری‌های قبلی، مانند همه‌گیری آنفولانزا، و همچنین مواردی که در قرن بیست و یکم ظاهر شدند، مانند HIV، زیکا و ابولا مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌اند.

اولین دارو (ZMapp) به طور تجربی برای مقابله با ویروس ابولا در تنباکو تولید شد. ZMapp یک کوکتل دارویی از آنتی‌بادی‌هایی است که در برابر ویروس ابولا محافظت می‌کند. سایر محصولات دارویی مبتنی بر گیاه عبارتند از انسولین تولید شده از گلرنگ تراریخته (SemBioSys)، فاکتور رشد در جو تراریخته، تالی گلوسراس آلفا (برای درمان بیماری گوچر) در هویج تراریخته (ProtalixBio Therapeutics)، واکسن آنفلوانزای پرندگان در تنباکوی تراریخته (Medicago) و واکسن ابولا در تنباکوی تراریخته (Mapp Biopharmaceutical).

سیب زمینی برای تولید واکسن علیه کزاز، دیفتری، هپاتیت B، انتریت ناشی از سویه E.coli، انتریت راسو و ویروس خونریزی دهنده خرگوش استفاده می شود. سناریوی کنونی همه‌گیری COVID-19 همچنین باید به عنوان یک چالش توسط محققان در نظر گرفته شود تا از پتانسیل پلتفرم‌های مبتنی بر گیاه برای کمک به طراحی و توسعه واکسن‌ها و داروهای مؤثر برای مقابله با COVID-19 استفاده کنند.

واکسن های گیاهی SARS-CoV-2

درک تعامل SARS-CoV-2 با سیستم ایمنی بدن میزبان به منظور ایجاد یک واکسن موثر در برابر COVID-19 ضروری است. به نظر می رسد این تداخل نتیجه بیماری را تعیین می کند که می تواند خفیف، شدید یا بدون علامت باشد.

در موارد شدید، این فعل و انفعال باعث فعال شدن بیش از حد سیستم ایمنی در پاسخ به محرک های التهابی قوی ناشی از ویروس می شود که منجر به آسیب بیش از حد بافت ریه ناشی از التهاب و تظاهر سندرم دیسترس تنفسی حاد (ARDS) می گردد. یک واکنش ایمنی شدید در بیماران COVID-19 همچنین می تواند منجر به طوفان سیتوکین شود که در آن سیتوکین های اضافی در گردش خون آزاد می شوند که منجر به آسیب اندام ها و تظاهرات شدید می شود.

آنتی ژن ها می توانند در برابر COVID-19 مفید باشند. مشخص شده است که پروتئین‌های ساختاری SARS-CoV-2 [پروتئین اسپایک (S)، پوشش (E)، غشاء (M) و نوکلئوکپسید (N)] القا کننده آنتی‌بادی‌های خنثی‌کننده (NAb) و پاسخ های ایمنی با واسطه سلول (مبتنی بر سلول‌های T CD4+/CD8+) هستند.

با این حال، پروتئین N ناسازگار است، زیرا در بین خانواده‌های CoV بسیار محافظت شده است. آنتی‌بادی‌ها علیه پروتئین‌های N قادر به ایجاد ایمنی محافظتی نیستند، در حالیکه آنتی‌بادی‌ها در برابر پروتئین‌های M و E محافظت ضعیفی ارائه می‌کنند. پروتئین S یک هدف کلیدی برای ساخت واکسن‌های مؤثر است، زیرا ویروس از پروتئین S برای ورود به سلول‌ها از طریق اتصال به گیرنده آنزیم angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) عمل می نماید.

پروتئین S به صورت پروتئولیتی به دو زیر واحد، یعنی یک S1 زیرواحد ( 685 اسید آمینه) و یک زیر واحد غشایی S2 (588 اسید آمینه) تقسیم می شود. زیرواحد S2 به شدت (99٪) در بین CoV ها حفظ شده است. S1 تنها 70% هویت را برای سایر CoVهای انسانی نشان می دهد و دمین اتصال به گیرنده (RBD) تفاوت در ورود ویروس و تروپیسم سلول میزبان را ایجاد می کند. در پروتئین S، RBD ناحیه ای است که با گیرنده ACE2 درگیر می شود.

نقشه برداری آنتی ژنی پروتئین S با استفاده از پیش بینی اپی توپ مبتنی بر بیوانفورماتیک، پروتئین های ایمونوژنیک کلیدی را شناسایی کرده است که می توانند در گیاهان برای تولید واکسن گیاهی علیه SARS CoV-2 بیان شوند. مشخص شده است که آنتی بادی های تولید شده علیه RBD از پروتئین S خنثی کننده SARS-CoV هستند.

وجود NAbs پس از عفونت SARS-CoV-2 برای پاکسازی ویروس و محافظت پس از واکسیناسیون بسیار مهم است. یک مطالعه اخیر نشان داد که اکثر بیماران مبتلا به تیتر بالایی از آنتی بادی های IgG مخصوص SARS-CoV-2 S1 RBD بودند.

با این حال، تنها بخش کمی (3 از 26 بیمار) دارای آنتی‌بادی‌هایی بودند که می‌توانستند اتصال SARS-CoV-2 به گیرنده hACE2 را مسدود کنند. توانایی یک آنتی ژن برای القای NAbs یک عامل کلیدی است که باید در هنگام توسعه گیاهی واکسن های ضد SARS-CoV-2 در نظر گرفته شود.

استراتژی‌های توسعه واکسن SARS-CoV-2 که از پروتئین S بهره می‌برند نیز باید برای القای سمیت سلولی وابسته به آنتی‌بادی (ADCC) و ارائه متقابل برای به دست آوردن حفاظت ایمنی بسیار مؤثر با واسطه سلولی هدف قرار گیرند.

در گذشته از گیاهان برای تولید واکسن‌های زیر واحدی استفاده می‌شد، مانند گیاهانی که برای سویه‌های فصلی یا همه‌گیر ویروس آنفلوانزا به سرعت از طریق بیان موقت در تنباکو در گذشته تولید می‌شدند. برای توسعه واکسن سارس، گیاهان گوجه‌فرنگی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. پروتئین‌های نوکلئوکپسید SARS-CoV در گیاهان تنباکو بیان شده‌اند و از نظر ایمنی‌زایی برای توسعه واکسن مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند. در حال حاضر، شرکت BioProcessing کنتاکی (Owensboro، KT، ایالات متحده)، یکی از شرکت‌های تابع British American Tobacco (BAT) در تلاش برای توسعه واکسن COVID-19 از طریق بیان زیرواحد پروتئین SARS-CoV-2 در تنباکو است.

توالی پروتئین S1 (پلی پپتید کامل) یا RBD ممکن است اهداف مورد نظر برای طراحی واکسن باشند. پروتئین‌های SARS-CoV و SARS-CoV-2 S1 به‌شدت گلیکوزیله شده‌اندکه بیان S1 و RBD نوترکیب را با پپتیدهای سیگنال N ترمینال تسهیل می‌کند، به طوریکه پروتئین‌ها به غشای درونی ترشح می‌شوند.

تفاوت‌های ساختاری گلیکان‌های پیچیده در انسان و گیاه ممکن است بر کارایی واکسن کووید-۱۹ مبتنی بر گیاه تأثیر بگذارد. واکسن کووید-19 توسط شرکت BAT با استفاده از فناوری جدید و سریع رشد گیاه تنباکو در حال توسعه است. برخی از قارچ‌ها مانند ساکارومایسس سرویزیه نیز برای تولید واکسن‌های خوراکی علیه کووید-19 استفاده شده‌اند.

گیاهان را می توان برای تولید ذرات ویروس مانند (VLPs)، واکسن های چند اپیتوپی یا کمپلکس های ایمنی مورد بهره برداری قرار داد که به طور بالقوه راه را برای توسعه واکسن COVID-19 هموار می کند. کشاورزی مولکولی گیاهی VLP ها ایمن تر است. از آنجایی که ذرات بومی نمی توانند در انسان تکثیر شوند و می توان مقادیر زیادی را به دست آورد. با استفاده از گیاهان تنباکو، پلتفرم VLP توسط Medicago Inc (کبک، کانادا) برای تولید 10 میلیون دوز واکسن آنفلوانزای H1N1 در مدت یک ماه مورد بهره برداری قرار گرفت.

شرکت Medicago تحقیق بر واکسن های گیاهی مبتنی بر VLP را برای SARS-CoV-2 آغاز کرده است. واکسن کووید-19 مبتنی بر VLP نیز در گیاهان تنباکو توسط iBio (برایان، تگزاس، ایالات متحده آمریکا) در حال توسعه است. به طور مشابه، دانشمندان دانشگاه فناوری کوئینزلند ژنوم گیاه تنباکو (Nicotiana benthamiana) را ارزیابی کردند و از توالی ژنوم استفاده کردند. دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو همچنین با ترکیب کشاورزی مولکولی و استراتژی‌های تولید پیشرفته در حال بررسی توسعه واکسن کووید-19 مبتنی بر گیاه است.

این ویروس حبوبات را آلوده می‌کند. با این حال، انسان را آلوده نمی کند، و برای شبیه سازی SARS-CoV-2 برای القای پاسخ ایمنی مناسب طراحی شده است. اعتقاد بر این است که بدون نیاز به یخچال پایدار است. یک واکسن زیرواحد گیاهی نیز توسط مرکز تحقیقات واکسن Baiya Phytopharm/Chula برای SARS-CoV-2 در حال کاوش است و در مرحله پیش بالینی است. تولید آنتی ژن در گیاهان ممکن است به برآورده کردن سریع نیازهای عظیم واکسن COVID-19 در سراسر جهان کمک کند. در گیاهان، میزان بیان آنتی ژن مورد نظر به بافت هدف خاص مانند برگ یا دانه و محرک مورد استفاده برای بیان ژن بستگی دارد.

گزارش ها نشان داده اند که یک هکتار از گیاهان توتون تراریخته کلروپلاست می تواند تا 360 میلیون دوز آنتی ژن واکسن سیاه زخم تولید کند. پروتئین موجود در زیست توده برگ اگر 5 میکروگرم آنتی ژن را در یک دوز واکسن در نظر بگیریم، تولید 468 میلیون دوز واکسن از گیاهان کشت شده در یک هکتار با استفاده از سیستم بیان مبتنی بر بذر امکان پذیر است. مروری بر تولید واکسن های گیاهی برای مبارزه با COVID-19 در تصویر 1 ارائه شده است.

تصویر 1: یک نمای کلی از تولید واکسن های گیاهی برای مبارزه با کووید-19

جمع بندی و چشم اندازهای آینده

استفاده از گیاهان به عنوان یک سیستم بیان موقت ژن، بستری بالقوه برای تولید واکسن‌ها و داروها برای مقابله با پاتوژن‌های مختلف مهم و نوظهور مانند SARS-CoV-2 است. چنین فرآورده های دارویی را می توان در مدت زمان کوتاهی چند هفته ای با استفاده از بیان موقت در گیاهان تولید نمود.

تولید چنین محصولاتی مقرون به صرفه تر از محصولاتی است که از طریق روش های تولید سنتی تولید می شوند. با این حال، مراحل پیش بالینی و بالینی مورد نیاز برای آزمایش اثربخشی عملی واکسن‌ها و داروها قبل از تجاری‌سازی به زمان کافی نیاز دارند. این گونه داروها باید مطابق با روش های خوب تولید (GMP) تولید شوند که به زمان مورد نیاز و هزینه مرتبط با توسعه نهایی می افزاید. تنباکو، حبوبات یا غلات این توانایی را دارند که در شرایط محیطی مختلف رشد کنند. از این رو، محصولاتی مانند آنتی‌بادی‌ها و داروهای ضد ویروسی را می‌توان با استفاده از زیرساخت‌های منطقه‌ای یا محلی، با بهره‌برداری از شبکه‌های توزیع گسترده که به طور معمول برای دانه‌های غذایی و غلات استفاده می‌شود، در غیاب هر گونه زنجیره سرد تولید نمود.

داروسازی مولکولی مبتنی بر گیاه می تواند به طراحی و توسعه واکسن ها و داروهای جدید علیه پاتوژن های نوظهور از جمله اقدامات آینده نگر برای مقابله با SARS-CoV-2 کمک کند. پروژه Pharma-Planta دستورالعمل های نظارتی کشاورزی مولکولی را برای داروهای گیاهی ارزیابی کرد. چنین اصولی ممکن است برای کمک به توسعه واکسن ها و داروهای ضد کووید-19 عملی شوند. تلاش‌هایی توسط جامعه کشاورزی مولکولی برای تولید واکسن‌ها و داروهای گیاهی علیه SARS-CoV-2 انجام می‌شود.

سیستم‌های بیان موقت برای توسعه محصولات دارویی در برابر COVID-19 نیاز به کشت محصولات تراریخته تحت کنترل دارد. ارزیابی مجدد مقررات ارگانیسم های اصلاح شده ژنتیکی برای اطمینان از توسعه روان محصولات بیولوژیکی مفید برای کمک به مقابله موثر با پاتوژن های بسیار عفونی و همه گیری های آینده مورد نیاز است.

چالش هایی که باید در آینده مورد توجه قرار گیرند عبارتند از انتخاب آنتی ژن و میزبان گیاهی، ثبات دوز و پیروی از پروتکل های GMP برای تولید. غلبه بر این محدودیت‌ها ممکن است امکان دسترسی به واکسن‌های گیاهی ایمن، مؤثر، پایدار و مقرون به صرفه را در آینده از جمله واکسن COVID-19 فراهم نماید.

منبع: کالدیپ داما، ICAR-Indian Veterinary Research Institute