Teori Vaksinasi

 

Vaksinasi adalah tindakan imunisasi yang disengaja terhadap suatu organisme untuk melindunginya dari infeksi oleh agen penyakit. Vaksinasi juga dapat berarti imunisasi seseorang terhadap agen apa pun yang mampu memicu respons imun. Agen pemicu ini bisa berupa organisme infeksius, molekul berukuran sedang (misalnya, toksin protein), atau bahkan bagian dari protein tubuh sendiri (misalnya, untuk merangsang respons imun terhadap tumor). Kemajuan yang diantisipasi dalam biologi sel, imunologi, genetika molekuler, genomik, dan kekebalan seluler akan sangat mempercepat produksi vaksin yang murah, aman, dan efektif.

Vaksin bekerja dengan mempersiapkan sistem imun untuk mengenali dan menyerang zat asing atau antigen. Setelah suatu organisme divaksinasi, ia menjadi kebal karena mengandung populasi sel yang membawa molekul pengenal antigen tertentu di permukaan mereka, yang diproduksi oleh atau merupakan bagian dari agen infeksius. Antigen sering kali, meskipun tidak selalu, berupa protein yang dikode oleh genom agen infeksius; antigen juga dapat berupa molekul lain, seperti karbohidrat kompleks.

RESPONS IMUN

Teknologi vaksinasi telah dikembangkan jauh sebelum ilmu pengetahuan di baliknya dipahami. Pada akhir abad ke-19, pengamatan bahwa seseorang yang pernah terinfeksi atau terpapar agen penyakit menjadi kebal terhadapnya, kemudian dibuktikan melalui eksperimen yang ketat. Respons tubuh terhadap agen asing ini dikenal sebagai respons imun. Fakta bahwa respons imun berlangsung lebih cepat dan lebih kuat pada infeksi kedua dibanding infeksi pertama, menunjukkan bahwa tubuh “mengingat” infeksi sebelumnya dan bagaimana cara mengatasinya. Inilah yang dikenal sebagai memori imunologis. Sistem dalam tubuh yang bertanggung jawab atas respons imun ini disebut sistem imun.

Beragam jenis sel darah putih yang mengatur dan menjalankan respons kompleks ini bersirkulasi bebas di dalam darah, sehingga mudah untuk diteliti; karena alasan ini dan lainnya, kemajuan pemahaman tentang respons imun pada abad ke-20 sangat pesat. Peningkatan pengetahuan ilmiah ini dimanfaatkan dalam berbagai metode canggih untuk memanfaatkan sistem imun demi mencapai tujuan tertentu.

Dalam gambaran buku teks, sistem imun terbagi menjadi dua cabang: satu menggunakan antibodi untuk mengenali dan membantu menghancurkan agen asing (dikenal juga sebagai cabang B-sel, kekebalan humoral, atau kekebalan serum), dan satu lagi menggunakan sel (dikenal sebagai cabang T-sel atau kekebalan berbasis sel). Di bawah ini dijelaskan versi ringkas dari jalannya respons imun “tipikal”.

Cabang B-Sel

Beberapa organisme asing bersirkulasi dalam darah dan getah bening. Di limpa, antigen dari virus tertentu dikenali oleh antibodi yang terdapat di permukaan B-sel tertentu. Ketika B-sel ini mulai membelah, mereka membentuk klon dari sel-sel yang berasal dari B-sel pendiri yang mengenali antigen tersebut (seleksi klonal). Banyak dari sel-sel ini mulai menghasilkan antibodi mutan, beberapa di antaranya memiliki ikatan yang lebih kuat dengan antigen. Antibodi yang lebih kuat ini menyebabkan proliferasi sel lebih lanjut. Semakin lama antigen berada dalam tubuh, semakin banyak sel yang menghasilkan antibodi dengan daya ikat tinggi.

Jika agen asing adalah virus, antibodi yang bersirkulasi akan menetralkan virus dengan mengikatnya dan membentuk kompleks besar (kompleks imun) yang akan dibersihkan dari darah. Jika agen asing adalah bakteri, pembentukan kompleks juga terjadi, dan ikatan antibodi terhadap bakteri besar akan memicu serangkaian reaksi kompleks protein terhadap protein lainnya (cascade komplemen), yang akhirnya melubangi bakteri dan membunuhnya karena gangguan osmotik.

Setelah infeksi berlalu, sejumlah kecil B-sel akan tetap ada dan membawa antibodi terbaik di permukaannya. Jika agen asing muncul kembali, sel-sel memori ini akan segera berkembang biak. Maka pada paparan kedua, respons dimulai dari tahap akhir proses sebelumnya, bukan dari awal.

Cabang T-Sel

Beberapa partikel bakteri dan virus ditelan oleh sel penyaji antigen (APC), seperti makrofag dan sel dendritik, yang kemudian memecah protein virus dan menampilkan potongannya di permukaan sel. APC ini kemudian bertemu dengan sel lain, termasuk subtipe T-helper (Th1). Beberapa Th1 memiliki molekul di permukaannya yang secara kebetulan dapat mengenali potongan protein virus ini. Th1 kemudian menghasilkan protein terlarut (seperti interleukin-2 atau IL-2) yang merangsang T-sel pembunuh (Tk atau cytotoxic T-cells/Tc) untuk berkembang biak.

Jika suatu sel terinfeksi virus, maka beberapa protein yang dihasilkannya dikode oleh virus tersebut. Sel ini akan menampilkan potongan protein virus di permukaannya melalui molekul HLA kelas I. Tk memiliki reseptor sel T (TCR) di permukaannya. TCR memiliki berbagai bentuk; beberapa TCR pada Tk dapat mengenali kompleks antara HLA kelas I dan antigen virus. Ketika Tk mengenali antigen ini, mereka diaktifkan. Di bawah pengaruh IL-2 dari Th1, Tk akan berkembang biak dan menjadi pembunuh aktif.

Ketika pembunuh aktif bertemu sel asing yang sesuai, ia akan menempel, melubangi, dan membunuh sel tersebut. Bila respons imun berjalan optimal, sel yang terinfeksi dapat dihancurkan sebelum virus memperbanyak diri. Tk yang telah diaktifkan akan bertahan. Jika terjadi infeksi ulang, mereka segera berkembang biak kembali dan respons berlanjut dari tahap akhir proses sebelumnya.

Setelah vaksinasi, organisme dianggap kebal, artinya ia tidak mudah terinfeksi ulang oleh agen penyakit. Kekebalan ini berarti bahwa tubuh mengandung populasi sel yang membawa molekul pengenal antigen di permukaannya. Antigen didefinisikan secara fungsional sebagai molekul atau bagian molekul yang dikenali dan direspons oleh sistem imun. Antigen sering, tetapi tidak selalu, berupa protein dari genom agen infeksius; bisa juga berupa molekul lain seperti karbohidrat kompleks.

Respons imun ini dapat dianggap sebagai sistem pertahanan identifikasi-kawan-atau-lawan (IFF) yang sangat canggih. Sistem imun merupakan contoh jaringan terdistribusi yang mampu melakukan tugas kompleks (pengakuan agen asing, pengambilan keputusan, pelaksanaan aksi). Respons ini tangguh, berlapis, dan tidak hierarkis.

Komunikasi antar komponen sistem imun berlangsung melalui dua cara: (1) kontak antarsel, yang menyampaikan potongan molekul (dengan makna tinggi), dan (2) sekresi protein (~100 jenis protein), yang akan diterima jika sel penerima memiliki reseptor yang sesuai dan konsentrasi protein cukup tinggi. Meskipun sel lokal lebih terpengaruh, komunikasi ini tidak memiliki arah tetap, dan komponen sistem tidak memiliki orientasi atau posisi yang tetap satu sama lain. Kombinasi sinyal lambat, komunikasi terbatas, pengambilan keputusan terdesentralisasi, dan respons yang tepat waktu menjadikan sistem imun unik dibanding sistem buatan manusia mana pun.

PENGEMBANGAN DAN PRODUKSI VAKSIN

Perkembangan terbaru dalam biologi sel, imunologi, genetika molekuler, dan genomik yang relevan dengan militer kemungkinan akan menghasilkan produk vaksin yang lebih sederhana (misalnya protein virus rekombinan atau DNA pengkode protein tersebut), menghasilkan respons imun protektif terhadap berbagai patogen, serta memungkinkan produksi vaksin melalui proses yang cepat, murah, dan andal.

Secara umum, enam jenis vaksin yang digunakan saat ini adalah:

1.Organisme infeksius yang dimatikan (vaksin inaktif)

2.Organisme infeksius alami yang secara genetik dekat dengan patogen (misalnya, virus cowpox untuk vaksin cacar)

3.Organisme infeksius hidup yang dilemahkan (vaksin hidup yang dilemahkan)

4.Vaksin subunit

5.Vaksin berbasis sel atau virus

6.Vaksin DNA

Dampak bioteknologi pada tipe 3, 4, 5, dan 6 dijelaskan di bawah ini. Dampak pada adjuvan—zat tambahan dalam vaksin untuk memperkuat respons imun—juga dibahas. Bagian akhir membahas bagaimana kemajuan bioteknologi dapat membuka cara baru untuk menciptakan kekebalan.

Vaksin Hidup yang Dilemahkan

Vaksin dilemahkan secara konvensional dibuat dengan menumbuhkan bakteri atau virus selama banyak generasi dalam inang yang berbeda dari inang aslinya. Karena lingkungan seleksi berbeda, patogen mengalami mutasi untuk menyesuaikan diri dengan inang baru dan menjadi kurang cocok untuk inang aslinya. Misalnya, untuk membuat vaksin flu, strain flu baru ditumbuhkan berulang kali dalam telur ayam. Mutasi yang membuat virus lebih cocok hidup di telur ayam justru membuatnya kurang virulen di manusia. Mutan yang dilemahkan ini digunakan sebagai vaksin.

Belakangan ini, pendekatan klasik ini dilengkapi dengan teknik mutasi acak atau terarah. Virus yang dibuat sensitif terhadap suhu, misalnya, cenderung tumbuh lebih buruk dalam tubuh inangnya. Mutagenesis terarah pada gen antigenik virus juga lazim dilakukan. Gen yang tidak penting untuk pertumbuhan tetapi memiliki fungsi imun dapat dihapus, dan virus hasil mutasi ini diuji kemampuannya membentuk kekebalan. Pendekatan serupa juga dapat diterapkan pada patogen bakteri.

 

Vaksin Subunit

Pada abad lalu, ilmu biologi berfokus pada molekul-molekul individual yang bertanggung jawab terhadap penyakit dan kekebalan. Saat ini, industri vaksin sebagian besar telah beralih dari penggunaan organisme utuh yang telah dimatikan atau dilemahkan ke vaksin yang hanya mengandung molekul-molekul kunci yang cukup untuk memberikan kekebalan. Ilmu genomik kini mendorong ilmu dan praktik vaksinasi hingga ke tingkat gen yang mengatur kekebalan.

 

Sebagian besar vaksin modern adalah vaksin subunit, yaitu vaksin yang mengandung satu atau lebih molekul atau bagian dari molekul yang memiliki sifat imunologis dari suatu organisme dan mampu memicu respons kekebalan. Secara umum, proses pembuatan vaksin subunit untuk suatu organisme melibatkan identifikasi organisme yang telah terinfeksi dan sembuh guna mengetahui antigen mana yang memicu respons kekebalan. Antigen tersebut, yang umumnya berupa protein, kemudian diproduksi melalui teknologi rekombinan dalam bakteri, ragi, atau sel hewan yang dikultur. Protein rekombinan ini kemudian dicampur dengan adjuvan dan disuntikkan ke hewan uji untuk melihat apakah vaksin tersebut mampu memberikan kekebalan. Berdasarkan hasil uji ini, kombinasi antigen dan adjuvan dapat disesuaikan. Selanjutnya, dilakukan uji coba pada manusia.

 

Teknologi DNA rekombinan dan imunologi telah berhasil digunakan dalam pencarian antigen permukaan suatu patogen dan pengembangan vaksin rekombinan untuk hepatitis B. Peralatan dan metodologi untuk konsep ini telah terbukti dan dapat diterapkan pada sistem lainnya.

Peralihan dari vaksin flu yang ditumbuhkan dalam telur ayam atau vaksin vaccinia dari pustula sapi ke kultur organisme murni secara in vitro dan kemudian ke protein rekombinan dari organisme tersebut menghasilkan vaksin yang lebih murni dan terdefinisi dengan baik. Produk vaksin yang lebih sederhana, seperti protein rekombinan dan DNA, umumnya lebih mudah diproduksi dan dikarakterisasi. Oleh karena itu, proses produksi yang konsisten dan dapat diulang mungkin dapat dikembangkan dengan biaya dan waktu yang wajar. Sebagai contoh, Amerika Serikat memiliki kapasitas kultur sel yang jauh lebih besar untuk memproduksi protein rekombinan dan plasmid DNA (dengan tingkat biosafety GLSP/BL-1) dibandingkan kapasitas untuk memproduksi vaksin dari agen infeksius patogenik (BL-2+).

 

Mengingat kompleksitas penyediaan vaksin untuk kebutuhan militer, strategi produksi sebaiknya dipertimbangkan sejak tahap awal pengembangan. Teknik genomik menjanjikan kemudahan dalam mengidentifikasi molekul antigenik kandidat. Protein antigenik biasanya terletak di permukaan bakteri, dan protein yang diekspresikan di permukaan saat bakteri tumbuh dalam sel kemungkinan besar mencakup hampir seluruh protein yang memicu respons kekebalan. Demikian pula, antigen dapat ditemukan pada protein yang disekresikan oleh patogen serta gen-gen yang ditranskripsi ke dalam mRNA selama infeksi. Sebagai contoh, untuk bakteri yang tumbuh dalam sel manusia, cukup dengan menganalisis urutan genomnya, kita dapat mengidentifikasi protein yang mungkin diekspresikan di permukaannya. Subset protein yang diekspresikan saat tumbuh dalam sel dapat diidentifikasi melalui analisis ekspresi mRNA, yang kemungkinan besar mencakup kandidat antigen terbaik. Seiring dengan kemajuan teknologi, proses analisis ini akan semakin cepat—misalnya, teknologi sekuensing DNA menggunakan nanopori memungkinkan pembacaan genom bakteri secara keseluruhan dalam waktu yang jauh lebih singkat.

Vaksin Berbasis Sel dan Virus

Pada vaksin berbasis sel, sel atau virus yang tidak menyebabkan penyakit dimodifikasi secara genetik untuk menampilkan molekul antigenik, biasanya berupa protein antigenik dari organisme infeksius. Sel-sel ini dapat berupa bakteri yang menguntungkan (misalnya, yang biasanya hidup di saluran pernapasan atau pencernaan), atau bakteri yang agak patogenik namun hanya menyebabkan infeksi ringan dan menggantikan flora yang ada selama beberapa hari. Sel yang telah dimodifikasi ini digunakan sebagai vaksin untuk memicu respons kekebalan.

 

Meskipun telah dilakukan sejumlah penelitian di bidang ini—banyak di antaranya didanai oleh Program Penanggulangan Patogen Tidak Konvensional dari DARPA—belum ada vaksin berbasis sel yang disetujui untuk digunakan melawan penyakit infeksi. Namun, pendekatan ini telah digunakan dalam terapi kanker untuk mieloma. Saat ini, cukup umum untuk mengambil sel tumor dari pasien, menumbuhkannya di laboratorium, lalu menyuntikkannya kembali ke tubuh pasien untuk memicu sistem kekebalan menyerang sel kanker tersebut. Efektivitas vaksin ini dapat ditingkatkan dengan menyisipkan DNA ke dalam sel tumor yang mengarahkan produksi protein yang meningkatkan sifat antigenik sel kanker. Pendekatan ini terbukti sangat berhasil pada leukemia dan limfoma dewasa, dengan tingkat kesembuhan 50–80% pada pasien yang sebelumnya diperkirakan tidak akan bertahan. Namun, uji coba ini masih terbatas pada beberapa lusin orang.

Pendekatan menjanjikan lainnya adalah penggunaan vektor virus (virus yang dimodifikasi secara genetik) untuk membawa antigen yang memberikan kekebalan terhadap beberapa penyakit infeksi sekaligus dalam satu vaksin. Sebagai contoh, vaccinia (virus cacar sapi) yang digunakan untuk imunisasi terhadap cacar memiliki genom DNA ganda berukuran besar dengan cukup banyak bagian DNA yang dapat digantikan oleh DNA asing yang mengkodekan antigen lain. Vaksin vaccinia rekombinan telah diproduksi sejak 1980-an berdasarkan prinsip ini. Vaksin yang mengandung beberapa antigen sekaligus berpotensi memberikan kekebalan terhadap berbagai infeksi dengan biaya sangat rendah per dosis, misalnya $0,25.

Vaksin DNA

 

Vaksin DNA merupakan jenis vaksin baru yang sangat menjanjikan. Karena DNA jauh lebih mudah dimanipulasi dibandingkan protein atau organisme hidup, pengembangan vaksin DNA membuka kemungkinan untuk membuat dan mendistribusikan vaksin baru atau vaksin terhadap patogen baru hanya dalam hitungan minggu setelah patogen tersebut diidentifikasi.

 

Salah satu pendekatan (dikembangkan di University of Texas Southwestern Medical Center) melibatkan pembuatan fragmen DNA dari genom patogen menggunakan PCR untuk mengarahkan sintesis protein antigenik. Potongan DNA ini dicampur dengan DNA lain yang mengkode protein sitokin seperti interleukin-12 yang merangsang sistem kekebalan. Bola emas kecil dengan permukaan agak kasar dicampur dengan DNA ini, lalu ditembakkan ke kulit hewan yang akan diimunisasi menggunakan "gene gun". Sebagian DNA akan diambil oleh sel dendritik di kulit dan disajikan ke sistem kekebalan untuk memicu respons imun.

 

Janji terbesar dari teknologi ini adalah kemampuannya untuk melakukan penyaringan terhadap kumpulan gen secara menyeluruh dalam waktu beberapa minggu (bukan tahun). Peneliti dapat mengambil seluruh DNA kandidat pengkode antigen, memecahnya menjadi bagian-bagian kecil, memperbanyaknya dengan PCR, mengekspresikannya pada tikus, dan mengidentifikasi bagian mana yang membuat tikus kebal. (Namun, keterbatasannya adalah bahwa tikus tidak selalu mengalami penyakit yang sama seperti manusia.)

 

Secara konsep, proses identifikasi antigen pada vaksin DNA serupa dengan vaksin subunit, hanya saja seluruh proses dilakukan pada tingkat DNA. Karena DNA lebih mudah dimanipulasi, maka lebih hemat biaya untuk menguji berbagai kombinasi gen yang mungkin memberikan kekebalan, lalu menggabungkan gen-gen yang efektif dalam satu vaksin.

 

DARPA telah banyak berinvestasi dalam teknologi ini. Kapasitas eksperimental Amerika Serikat untuk produksi vaksin secara cepat sebagian besar berasal dari penelitian oleh Departemen Pertahanan (DOD). Saat ini, banyak perusahaan bioteknologi dan farmasi di Amerika Serikat juga mulai mengembangkan vaksin DNA. Militer perlu mengikuti perkembangan ini secara saksama.

 

Adjuvan

Adjuvan adalah zat yang meningkatkan imunogenisitas suatu antigen. Adjuvan dapat bekerja dengan cara meningkatkan jumlah sel penyaji antigen (APC) yang bermigrasi ke lokasi vaksinasi atau dengan mengemulsi protein antigenik agar menjadi sebagian terdenaturasi dan lebih mudah dikenali serta diambil oleh APC. Dalam beberapa hal, penggunaan adjuvan adalah teknologi lama yang telah dikenal selama satu abad. Namun, pemahaman modern tentang sistem imun telah memperkenalkan berbagai molekul seperti interleukin-12 yang dapat merangsang sistem kekebalan melalui mekanisme yang telah diketahui dengan baik. Program vaksinasi militer telah lama menunjukkan minat pada adjuvan dan secara aktif mengikuti perkembangan terbaru di bidang ini.

 

Kekebalan dengan Cara Lain

 

Dua pendekatan lain dalam memberikan kekebalan yang dapat dipengaruhi oleh kemajuan bioteknologi adalah:

 

1.     Imunisasi Pasif

Pemberian antibodi (IgG) dari individu yang kebal akan memberikan kekebalan sementara terhadap suatu patogen, selama antibodi tersebut masih beredar dalam darah penerima. Karena individu tersebut tidak membentuk sel memori, maka kekebalan hanya bertahan selama beberapa minggu. Di awal abad ke-20, serum yang mengandung antibodi ini diambil dari kuda yang disuntik dengan antigen, lalu IgG-nya dimurnikan dari serum. Teknik ini masih digunakan hingga kini, misalnya untuk pencegahan hepatitis A pada wisatawan ke daerah endemis, dengan menyuntikkan gamma globulin dari individu yang telah sembuh dari penyakit tersebut.

Dengan kemajuan teknologi, kini gen pengkode antibodi manusia dapat diisolasi dan diproduksi dalam kultur sel, susu, telur, bahkan tanaman. Amerika Serikat sebaiknya mengembangkan kapasitas darurat untuk memproduksi antibodi dalam jumlah besar baik untuk diagnosis maupun pencegahan. DARPA telah mempertimbangkan untuk mendanai riset ini, dan militer sebaiknya mendukungnya.

 

2.     Stimulasi Kekebalan Bawaan

Sistem kekebalan bawaan (innate) memungkinkan tubuh bereaksi terhadap infeksi tanpa perlu paparan sebelumnya. Misalnya, beberapa sel memiliki reseptor yang mengenali struktur khas bakteri, dan saat struktur tersebut dikenali, sel akan menjadi lebih resisten terhadap infeksi. Mekanisme lain seperti interferon dan sel pembunuh alami (NK) juga berperan dalam kekebalan bawaan. Sistem sitokin yang mengatur respons NK semakin dipahami, meskipun cara NK mengenali sel asing masih belum sepenuhnya jelas. Dalam 25 tahun ke depan, kemungkinan besar pemahaman terhadap mekanisme ini akan meningkat, dan dapat dimanfaatkan untuk memberikan kekebalan atau menghentikan infeksi sejak awal. Teknik-teknik ini kemungkinan masih terlalu eksperimental untuk dikembangkan secara komersial. Saat ini, DARPA merupakan salah satu lembaga utama yang mendanai penelitian menjanjikan ini, dan Angkatan Darat Amerika Serikat sebaiknya mengikuti perkembangannya secara saksama.

 

DAMPAK GLOBAL DARI PENGEMBANGAN OLEH MILITER AMERIKA SERIKAT

Militer Amerika Serikat (U.S. Army) ingin dapat melindungi pasukannya dari penyakit di mana pun mereka dikerahkan. Sebaliknya, industri farmasi membutuhkan proyeksi penjualan tahunan dalam skala ratusan juta dolar per tahun sebelum memutuskan bahwa suatu obat akan cukup menguntungkan untuk dikomersialkan. Kesenjangan antara kebutuhan militer dan insentif industri swasta ini menyebabkan kurangnya pengembangan vaksin dan terapi untuk penyakit yang jarang terjadi atau hanya endemik di daerah tertentu (misalnya, penyakit tropis seperti demam Lassa, Ebola, atau virus Nipah). Namun, jika militer Amerika Serikat mengembangkan teknologi dan infrastruktur untuk memproduksi vaksin dan terapi untuk melindungi tentaranya, maka pengembangan tersebut dapat memiliki dampak global yang signifikan.

 

Misalnya, teknologi pembuatan vaksin DNA dan protein rekombinan, serta pendekatan berbasis genom untuk mengidentifikasi antigen, dapat digunakan tidak hanya untuk penyakit yang menjadi perhatian militer, tetapi juga untuk penyakit yang menjadi ancaman kesehatan masyarakat global. Hal ini bisa membuka jalan bagi pengembangan vaksin untuk penyakit-penyakit yang selama ini diabaikan karena tidak menguntungkan secara komersial. Selain itu, kapasitas produksi vaksin yang dikembangkan untuk tujuan militer juga dapat digunakan untuk merespons keadaan darurat kesehatan masyarakat secara global, seperti pandemi.

 

Dengan demikian, investasi militer dalam bioteknologi tidak hanya memperkuat kesiapsiagaan pertahanan, tetapi juga berpotensi memberikan manfaat yang luas bagi kesehatan masyarakat dunia, terutama di negara-negara berkembang yang paling terdampak oleh penyakit menular. Oleh karena itu, penting bagi militer untuk terus mendukung dan mengikuti perkembangan teknologi vaksin, baik untuk kepentingan nasional maupun kemanusiaan global.