Comment fonctionnent les vaccins : de la vaccine à l'ARN messager

Qu'est-ce qu'un vaccin ?

Un vaccin est une préparation biologique qui entraîne l'organisme à se défendre contre une maladie précise avant même de rencontrer le véritable agent pathogène. Les médecins appellent la protection qu'il confère immunité active acquise : active, parce que c'est le propre système immunitaire de l'organisme qui fait le travail, et acquise, parce que cette protection s'apprend au cours de la vie au lieu d'être héritée à la naissance.

La plupart des vaccins contiennent quelque chose qui ressemble à un micro-organisme pathogène sans pouvoir provoquer la maladie complète. Il peut s'agir d'une forme affaiblie ou tuée du microbe, d'une version inactivée d'une toxine qu'il produit, d'une seule protéine de sa surface ou d'instructions génétiques qui permettent aux cellules de l'organisme de fabriquer cette protéine pendant peu de temps. Le système immunitaire traite ce sosie inoffensif comme une menace, le détruit et, surtout, s'en souvient. Si le vrai microbe se présente plus tard, l'organisme le reconnaît rapidement et le combat, souvent avant l'apparition du moindre symptôme.

La plupart des vaccins servent à prévenir des maladies infectieuses dues à des virus et à des bactéries, comme la rougeole, la poliomyélite, le tétanos ou la grippe. Certains protègent aussi contre le cancer : le vaccin contre le papillomavirus humain (HPV) prévient des infections pouvant conduire au cancer du col de l'utérus, et le vaccin contre l'hépatite B réduit le risque d'un type de cancer du foie. Les scientifiques mettent également au point des vaccins thérapeutiques contre le cancer, qui visent à aider le système immunitaire à attaquer des tumeurs déjà présentes.

Comment les vaccins entraînent le système immunitaire

Pour comprendre les vaccins, il est utile de savoir comment le système immunitaire réagit face à un nouvel envahisseur. Chaque microbe porte à sa surface des molécules, souvent des protéines, que l'organisme peut identifier comme étrangères. Ces molécules s'appellent des antigènes. Lorsque le système immunitaire rencontre un antigène inconnu, il déclenche une réponse qui met plusieurs jours à se mettre en place. Ce délai explique pourquoi une première infection par une maladie nouvelle peut rendre une personne très malade.

Les principaux acteurs

• Les lymphocytes B produisent des anticorps, des protéines en forme de Y qui s'accrochent à un antigène précis. Les anticorps peuvent empêcher un virus de pénétrer dans les cellules ou signaler des bactéries pour qu'elles soient détruites.
• Les lymphocytes T auxiliaires coordonnent la réponse et aident les lymphocytes B à fabriquer de meilleurs anticorps.
• Les lymphocytes T cytotoxiques repèrent et détruisent les cellules de l'organisme infectées par un virus.
• Les cellules mémoire sont des lymphocytes B et T à longue durée de vie qui subsistent une fois l'infection terminée. Ce sont elles le véritable objectif de la vaccination.

Un vaccin organise une répétition générale. Comme l'antigène qu'il apporte ne peut pas provoquer la maladie complète, l'organisme a le temps de traverser sans danger la lente première réponse. Les cellules mémoire qui restent font qu'une rencontre ultérieure avec le véritable agent pathogène déclenche une réaction beaucoup plus rapide et plus forte. Pour de nombreuses maladies, c'est toute la différence entre une maladie grave et pas de maladie du tout.

Rappels et adjuvants

Certains vaccins protègent à vie après une ou deux doses, tandis que d'autres nécessitent des doses répétées, appelées rappels, pour maintenir une immunité solide. La protection contre le tétanos, par exemple, s'estompe avec les années ; c'est pourquoi on conseille aux adultes de faire des rappels. Beaucoup de vaccins contiennent aussi un adjuvant, un ingrédient qui renforce la réponse immunitaire. Les sels d'aluminium sont utilisés comme adjuvants depuis de nombreuses décennies. Les adjuvants permettent à un vaccin d'être efficace avec une plus petite quantité d'antigène.

Des croûtes de variole à la vaccine : la naissance de la vaccination

Bien avant que l'on sache que les microbes existaient, on avait remarqué que les survivants de la variole ne l'attrapaient presque jamais une seconde fois. La variole a été l'une des maladies les plus meurtrières de l'histoire humaine, et de nombreuses sociétés ont tenté de tirer parti de cette observation. Dans une pratique appelée variolisation, on exposait volontairement des personnes en bonne santé à du matériel prélevé sur des pustules de variole, généralement par une petite incision de la peau ou, en Chine, en soufflant des croûtes réduites en poudre dans le nez. La variolisation provoquait le plus souvent une forme plus légère que la variole naturelle, mais elle était risquée : certaines personnes en mouraient, et les personnes infectées pouvaient transmettre la maladie à d'autres.

La variolisation a été pratiquée pendant des siècles dans certaines régions d'Asie et d'Afrique ainsi que dans l'Empire ottoman. En 1721, elle fut promue en Angleterre par lady Mary Wortley Montagu, qui l'avait observée à Constantinople et avait fait inoculer ses propres enfants. La même année, lors d'une épidémie de variole à Boston, le pasteur Cotton Mather encouragea cette pratique après l'avoir découverte grâce à Onesimus, un Africain réduit en esclavage qui lui avait décrit comment on la pratiquait dans son pays natal.

L'étape décisive fut franchie par un médecin de campagne anglais, Edward Jenner. Les fermiers disaient depuis longtemps que les trayeuses ayant contracté la vaccine, ou variole de la vache, une maladie bénigne transmise par les vaches, n'attrapaient pas la variole. En 1796, Jenner mit cette idée à l'épreuve. Il préleva du matériel sur une pustule de vaccine à la main d'une trayeuse, Sarah Nelmes, et l'introduisit dans une petite incision sur le bras de James Phipps, le fils de huit ans de son jardinier. Plus tard, il exposa le garçon à du matériel variolique, et l'enfant ne tomba pas malade. La méthode de Jenner était bien plus sûre que la variolisation et se répandit rapidement en Europe et au-delà.

Le mot vaccin vient du latin vacca, qui signifie vache, un rappel des origines de la méthode dans la vaccine. Plus tard, le savant français Louis Pasteur proposa d'utiliser les mots vaccin et vaccination pour tous les traitements préventifs de ce genre, en hommage aux travaux de Jenner.

Pasteur et l'ère des vaccins de laboratoire

Jenner avait trouvé un heureux raccourci naturel : une maladie apparentée et plus bénigne. À la fin du XIXe siècle, Louis Pasteur montra que les scientifiques pouvaient créer volontairement des microbes affaiblis. En travaillant sur le choléra des poules, son équipe constata que des bactéries issues de vieilles cultures avaient perdu une grande partie de leur pouvoir pathogène, mais protégeaient tout de même les poules contre des bactéries fraîches et dangereuses. Pasteur comprit qu'affaiblir, ou atténuer, des microbes en laboratoire était une méthode générale.

Il appliqua cette idée à la maladie du charbon, qui tuait le bétail, et fit la démonstration d'un vaccin contre le charbon lors d'une célèbre expérience publique sur des moutons en 1881. En 1885, lui et ses collaborateurs traitèrent Joseph Meister, un garçon mordu par un chien enragé, par une série d'injections d'une préparation atténuée contre la rage. L'enfant survécut, et ce succès rendit Pasteur célèbre dans le monde entier. La rage a une période d'incubation inhabituellement longue, c'est pourquoi un vaccin administré après une morsure peut encore empêcher la maladie de se déclarer.

Au XXe siècle suivirent des vaccins contre la diphtérie, le tétanos, la coqueluche, la tuberculose, la fièvre jaune, la grippe, la poliomyélite, la rougeole, les oreillons, la rubéole et bien d'autres maladies. Les vaccins contre la polio mis au point par Jonas Salk (un vaccin inactivé injectable, introduit en 1955) et Albert Sabin (un vaccin oral vivant administré en gouttes) ont transformé une maladie qui paralysait chaque année de nombreux milliers d'enfants en une maladie aujourd'hui proche de l'éradication.

Les principaux types de vaccins

Tous les vaccins ont un même objectif, présenter au système immunitaire une version sans danger d'un antigène, mais ils l'atteignent de différentes manières.

1. Les vaccins vivants atténués contiennent un microbe vivant mais affaibli, capable de se multiplier un peu sans provoquer de maladie grave. Comme ils imitent de très près une infection naturelle, ils confèrent souvent une immunité forte et durable. Parmi les exemples figurent le vaccin contre la rougeole, les oreillons et la rubéole (ROR) et le vaccin contre la fièvre jaune. On ne les administre généralement pas aux personnes dont le système immunitaire est gravement affaibli.
2. Les vaccins inactivés contiennent des microbes tués par la chaleur ou par des produits chimiques. Ils ne peuvent pas se multiplier et nécessitent donc souvent plusieurs doses. Le vaccin injectable contre la polio et les vaccins contre la rage en sont des exemples.
3. Les vaccins sous-unitaires, recombinants et protéiques n'utilisent que des fragments choisis d'un microbe, souvent une protéine de surface. Le vaccin contre l'hépatite B a été l'un des premiers fabriqués par génie génétique, grâce à des levures qui produisent la protéine virale. Le vaccin contre le HPV utilise des protéines qui s'assemblent en enveloppes vides ressemblant à des virus, sans matériel génétique à l'intérieur.
4. Les vaccins à anatoxine protègent contre des maladies dont les principaux dégâts proviennent d'une toxine produite par des bactéries. La toxine est inactivée chimiquement afin de ne pas nuire à l'organisme, tout en apprenant au système immunitaire à la neutraliser. Les vaccins contre le tétanos et la diphtérie fonctionnent ainsi.
5. Les vaccins conjugués fixent des molécules de sucre de l'enveloppe externe d'une bactérie sur une protéine porteuse. Le système immunitaire des jeunes enfants réagit mal à ces sucres seuls, et leur liaison à une protéine résout le problème. Les vaccins contre Haemophilus influenzae de type b (Hib), le pneumocoque et le méningocoque sont des vaccins conjugués.
6. Les vaccins à vecteur viral utilisent un virus inoffensif comme véhicule pour transporter dans les cellules les instructions génétiques d'un antigène. Certains vaccins contre la COVID-19 et un vaccin contre Ebola reposent sur cette approche.
7. Les vaccins à ARNm apportent un fragment d'ARN messager enveloppé dans de minuscules particules de graisse. Les cellules lisent les instructions, fabriquent l'antigène pendant peu de temps, puis dégradent l'ARNm. L'ARNm n'entre jamais dans le noyau de la cellule et ne modifie pas l'ADN d'une personne.

La percée de l'ARN messager

Les scientifiques ont travaillé pendant des décennies sur l'idée des vaccins à ARNm, mais les premières versions provoquaient une inflammation indésirable et se dégradaient trop facilement. Une découverte clé est venue de la biochimiste d'origine hongroise Katalin Karikó et de l'immunologiste américain Drew Weissman, qui ont constaté qu'une légère modification des éléments constitutifs de l'ARNm lui permettait d'entrer dans les cellules sans déclencher de réaction inflammatoire nocive. Leurs travaux, associés aux progrès de l'encapsulation de l'ARNm dans des nanoparticules lipidiques, ont rendu possibles les vaccins à ARNm contre la COVID-19.

Au début de la pandémie de COVID-19, ces vaccins ont été conçus, testés lors de vastes essais cliniques et autorisés en un an environ, bien plus vite que n'importe quel vaccin auparavant. Cette rapidité s'explique par des années de recherches antérieures, par de très grands essais menant différentes phases en parallèle et par des gouvernements qui ont financé la production avant de connaître les résultats, et non par l'omission d'étapes de sécurité. En 2023, Karikó et Weissman ont reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine pour leurs découvertes. Comme un vaccin à ARNm peut être reconçu simplement en modifiant la séquence génétique, les chercheurs testent désormais cette technologie contre d'autres infections et contre le cancer.

L'immunité collective : une protection qui se propage

Les vaccins ne protègent pas seulement la personne qui les reçoit. Lorsque suffisamment de membres d'une communauté sont immunisés, un microbe ne trouve plus assez de nouveaux hôtes pour continuer à se propager, et les épidémies s'éteignent. Cet effet s'appelle l'immunité collective, ou immunité de groupe. Elle protège les personnes qui ne peuvent pas être vaccinées, comme les nouveau-nés, certaines personnes atteintes de maladies graves et celles dont le système immunitaire répond mal aux vaccins.

La proportion de personnes devant être immunisées dépend du degré de contagiosité d'une maladie. La rougeole est l'une des maladies les plus contagieuses connues : une couverture vaccinale d'environ 95 % est donc nécessaire pour éviter les épidémies. Lorsque la couverture baisse, même dans une seule ville ou une seule école, la rougeole peut revenir rapidement.

Grandes réussites en chiffres

• La variole a tué des centaines de millions de personnes rien qu'au XXe siècle. Une campagne mondiale de vaccination menée par l'Organisation mondiale de la santé (OMS) a repéré et circonscrit les derniers foyers, et en 1980 l'Assemblée mondiale de la santé a déclaré la variole éradiquée. Ce fut la première maladie humaine jamais éliminée de la planète.
• La peste bovine, une maladie dévastatrice du bétail, a été déclarée éradiquée en 2011 : la deuxième maladie complètement éliminée, là encore grâce à la vaccination.
• Le nombre de cas de poliomyélite a diminué de plus de 99 % depuis le lancement d'une initiative mondiale d'éradication en 1988, et le poliovirus sauvage ne subsiste plus que dans un très petit nombre de pays.
• L'OMS a lancé en 1974 son Programme élargi de vaccination afin d'apporter les vaccins de base de l'enfance à tous les pays. Aujourd'hui, on estime que les vaccins évitent plusieurs millions de décès chaque année.

Comment on vérifie la sécurité des vaccins

La sécurité et l'efficacité des vaccins comptent parmi les sujets les plus étudiés de la médecine. Avant d'être approuvé, un vaccin passe par des études en laboratoire, puis par des essais cliniques en plusieurs phases : d'abord de petits groupes de volontaires, puis des centaines, et souvent des dizaines de milliers de personnes, les résultats étant comparés à ceux d'un groupe n'ayant pas reçu le vaccin. Les autorités de réglementation examinent les données avant d'autoriser l'utilisation du vaccin.

La surveillance se poursuit après l'autorisation. Les agences sanitaires gèrent des systèmes de signalement et de grandes études à la recherche d'effets indésirables rares qui n'apparaissent que lorsque des millions de personnes sont vaccinées. Les réactions les plus fréquentes sont légères et de courte durée : un bras douloureux, un peu de fièvre ou de la fatigue pendant un jour ou deux, signes que le système immunitaire réagit. Les réactions allergiques graves sont très rares ; c'est pourquoi on demande généralement d'attendre quelques minutes après une injection.

Les vaccins ont aussi été la cible de désinformation. Un article de 1998 affirmant l'existence d'un lien entre le vaccin ROR et l'autisme s'est révélé frauduleux et a été retiré, et son auteur principal a perdu le droit d'exercer la médecine. De nombreuses études de grande ampleur portant sur des millions d'enfants n'ont trouvé aucun lien de ce type. Pourtant, la peur qu'il a suscitée a contribué à la baisse des taux de vaccination et à des épidémies de rougeole dans plusieurs pays.

Faits méconnus sur les vaccins

• Le virus utilisé dans le vaccin moderne contre la variole s'appelle le virus de la vaccine (vaccinia). Les études génétiques montrent qu'il est apparenté au virus de la variole de la vache mais qu'il n'est pas identique, et son origine exacte fait encore débat.
• De nombreux vaccins contre la grippe sont encore produits dans des œufs de poule, raison pour laquelle on recommandait autrefois la prudence aux personnes souffrant d'une forte allergie aux œufs. Des méthodes plus récentes utilisent plutôt des cultures cellulaires.
• Les vaccins contre la grippe sont régulièrement mis à jour, car le virus de la grippe change sans cesse. Les experts de l'OMS recommandent de nouvelles compositions de souches deux fois par an, une fois pour l'hémisphère Nord et une fois pour l'hémisphère Sud.
• Tous les vaccins ne sont pas des piqûres. Il existe des vaccins oraux contre la polio, le rotavirus et le choléra, et un type de vaccin contre la grippe se vaporise dans le nez.
• De nombreux vaccins doivent être conservés au froid, généralement entre 2 et 8 °C, de l'usine jusqu'au centre de soins. Cet enchaînement de réfrigérateurs, de glacières et de congélateurs s'appelle la chaîne du froid, et la maintenir dans les régions isolées est l'un des plus grands défis de la vaccination dans le monde.
• Les vaccins protègent aussi les animaux. Dans certaines régions d'Europe, des appâts contenant un vaccin, largués par avion à l'intention des renards sauvages, ont permis d'éliminer la rage vulpine de plusieurs pays.

Pourquoi les vaccins restent essentiels

De nombreuses maladies qui remplissaient autrefois les hôpitaux, comme la diphtérie, la coqueluche et la rougeole, sont devenues rares là où les taux de vaccination sont élevés. Comme peu de gens ont aujourd'hui vu ces maladies, il est facile d'oublier à quel point elles étaient dangereuses. Les microbes, eux, n'ont pas disparu, et ils peuvent revenir dès que l'immunité d'une population s'affaiblit.

La recherche se poursuit sur des vaccins contre des maladies encore difficiles à prévenir, notamment le paludisme, la tuberculose et le VIH. En 2021, l'OMS a recommandé le premier vaccin contre le paludisme pour une large utilisation chez les enfants des régions où la maladie est fréquente, une réussite qui a demandé des décennies de travail, car le parasite du paludisme est bien plus complexe qu'un virus. De l'expérience de Jenner avec la vaccine d'une trayeuse aux vaccins conçus par ordinateur à partir d'un code génétique, l'idée est restée la même : instruire l'organisme à l'avance pour qu'il soit prêt lorsque le vrai danger arrive.