Depuis le xvi ^e  siècle, au moins, les médecins chinois pratiquaient la « variolisation ». La variole a longtemps été l’un des pires fléaux infectieux, emportant des centaines de millions d’individus au cours des siècles. La maladie se caractérisait par une éruption cutanée impressionnante, dont les survivants gardaient les cicatrices à vie. Cette maladie virale sévissait par épidémies, touchant les personnes naïves (c’est-à-dire celles qui n’avaient encore jamais contracté la maladie, les adultes étant le plus souvent protégés par un contact lors des épidémies précédentes ; la maladie affectait donc principalement les enfants). L’individu infecté était contagieux un jour avant l’apparition des pustules. Il le restait jusqu’à la chute des croûtes, formées à la cicatrisation de ces pustules. La mortalité était effroyable, de l’ordre de 30 à 50 % des malades. Les survivants étaient cependant protégés à vie et ne développaient jamais de deuxième variole : c’est cette observation qui est à l’origine de l’invention de la variolisation en Chine.

Méthode rudimentaire mais efficace, la variolisation consistait à inoculer à une personne saine du pus prélevé chez une personne variolique mais faiblement malade. Cette technique risquée aboutissait néanmoins à une variole virulente chez la personne receveuse et à la mort des individus dans 2 à 3 % des cas. Le pus contenait le virus de la variole, virus à ADN très transmissible, une entité inconnue des médecins chinois de l’époque.

Malgré ces risques, cette méthode d’immunisation innovante s’est néanmoins colportée le long de la route de la soie vers l’Occident. Elle a été introduite en Angleterre au xviii ^e  siècle par Lady Mary Montagu, épouse de l’ambassadeur d’Angleterre à Constantinople, où la variolisation se pratiquait déjà lors des épidémies de variole. Convaincue de l’utilité de la technique qu’elle avait testée sur son fils âgé de cinq ans, elle fit, dès son retour en Angleterre, grande publicité de cette méthode révolutionnaire qui fut ensuite validée sur des détenus à Londres en 1720. Ce succès suscita l’intérêt de la famille royale et facilita la diffusion de la technique dans les milieux populaires.

À la fin du xviii ^e  siècle, Edward Jenner, médecin de famille installé dans la campagne de Berkeley, pratiquait la variolisation introduite en Angleterre. Toutefois, cette méthode ne pouvait être pratiquée qu’en période d’épidémie car le matériel utilisé pour l’inoculation provenait de malades varioleux.

Jenner avait observé que les personnes qui trayaient les vaches présentaient des pustules aux mains semblables à celles des pis des vaches atteintes d’une maladie appelée cowpox (variole de la vache) qui se propageait dans les troupeaux. Ces pustules disparaissaient rapidement, sans entraîner d’autres symptômes. Curieusement, elles ressemblaient à celles de la variole humaine, et il semblait bien que les trayeuses pustuleuses étaient protégées de la variole humaine. L’idée de Jenner fut d’utiliser la variole de la vache pour protéger de la variole humaine. Il tenta son expérience au printemps 1796. Il préleva de la lymphe sur les mains couvertes de pustules d’une paysanne et l’inocula par deux incisions superficielles sur l’épaule d’un jeune garçon de huit ans qui n’avait jamais eu la variole. Jenner savait qu’il n’injectait pas la variole humaine mais ce qu’il pensait être le cowpox de la vache qu’il savait inoffensif. Quelques mois plus tard, Jenner revint à la ferme et injecta à l’enfant du pus infectieux de varioleux. L’enfant ne montra aucun signe de variole. Il était immunisé. Jenner venait de démontrer qu’on pouvait protéger de la variole humaine en inoculant un virus issu de la vache, beaucoup moins virulent. Il baptisera ce virus « virus de la vaccine ». Cette découverte était totalement empirique, Jenner ne connaissant, pas plus que les médecins chinois, l’existence du virus responsable de la variole.

Très rapidement, la vaccination de Jenner sera pratiquée dans les capitales européennes et aux États-Unis, une expansion mondiale. En 1840, l’Angleterre est le premier pays à rendre le vaccin antivariolique obligatoire pour les nouveau-nés (en France, il faudra attendre 1902). Ce vaccin allait révolutionner l’histoire de l’humanité. Au début du xx ^e  siècle, la variole tuait encore près de quatre millions de personnes par an, principalement des jeunes. Par comparaison, la Covid-19 a tué, en 2020-2021, plus de 6,5 millions de personnes ¹ , dont une majorité de personnes âgées [ 8 ].

Après l’introduction de la vaccination jennérienne, dès le premier quart du xix ^e  siècle, l’espérance de vie a doublé, premier grand succès de santé publique mondiale. Deux siècles après les travaux pionniers d’Edward Jenner, le 26 octobre 1977, le dernier cas de variole était identifié en Somalie, au terme de vingt ans d’une campagne mondiale acharnée organisée par l’Organisation mondiale de la santé (OMS). Le virus était donc définitivement éradiqué de la surface de la terre et l’humanité débarrassée de ce fléau millénaire, une étape fondatrice dans l’histoire de la santé humaine globale et de la vaccination.

Le fameux virus de la vaccine, celui de Jenner, depuis cultivé maintes et maintes fois sur différents supports cellulaires, est aujourd’hui ressorti des congélateurs pour lutter contre l’épidémie de Monkeypox , le virus de la variole du singe qui sévit depuis quelques mois.

Tandis que le médecin Jenner a protégé ses patients de la variole en leur injectant le virus de la vaccine de façon très empirique, Louis Pasteur (1822-1895), chimiste talentueux, fonde, un siècle plus tard, les bases de la microbiologie. Il défait la théorie de la génération spontanée, identifie les virus comme des agents transmissibles filtrables, résout le problème de la « maladie du vin » par pasteurisation ² , résout les épidémies décimant les vers à soie. Il découvre une méthode d’atténuation de la virulence du choléra des poules, causé par la bactérie Pasteurella multocida , ce qui permet d’obtenir un vaccin, puis utilise la même méthode avec une efficacité spectaculaire contre la maladie du charbon du bétail également due à une bactérie, « l’anthrax » ou Bacillus anthracis . Il s’intéresse ensuite à la rage. Avec le médecin Émile Roux (1853-1933), ils tentent d’isoler le virus à partir de moelle épinière de chiens enragés et mettent au point un modèle d’infection chez le lapin. Ils développent ensuite l’atténuation des moelles épinières de lapin en les exposant à l’air dans des tubes de verre : en quinze jours, les moelles sont totalement non-virulentes. Pasteur vaccinera des chiens avec succès.

Début 1885, Pasteur est prêt à passer à l’expérimentation sur l’homme, comme Jenner un siècle plus tôt. Avec le docteur Grancher, il se risque sur le jeune Joseph Meister, mordu par un chien enragé, et lui injecte une solution de moelle de lapin atténuée par sa nouvelle méthode. Quelques jours plus tard, il réinjecte le virus de la rage au petit Joseph qui ne développe aucun symptôme. Pasteur répétera son expérience avec un autre enfant infecté. Nouveau succès. Rapidement, les patients arrivent de France, d’Amérique, de Russie ; le laboratoire de la rue d’Ulm est vite débordé. En un an, Pasteur va traiter efficacement plus de 350 personnes. Aujourd’hui, le vaccin courant antirabique est toujours fondé sur un virus rabique mais il est désormais inactivé.

Au début du xx ^e  siècle, il n’existe que deux vaccins humains : le vaccin antivariolique de Jenner et le vaccin historique contre la rage de Pasteur. Deux virus atténués. Or, à cette époque, les nourrissons meurent encore de nombreuses maladies infectieuses et la mortalité infantile est effroyable. Poursuivant la révolution de la microbiologie et confirmant les découvertes de Pasteur, les chercheurs et les médecins vont inventer au cours du xx ^e  siècle une multitude de nouveaux vaccins qui contribueront à améliorer la santé publique.

La découverte des toxines bactériennes permet de mettre au point des sérums et des vaccins contre la diphtérie et le tétanos. Elle permet aussi de comprendre que le corps humain se protège des toxines en produisant des anticorps. Pour améliorer la préparation des sérums anti-diphtériques chez les chevaux, le vétérinaire Gaston Ramon (1886-1963) développe le premier adjuvant en 1920. Suivront les vaccins antibactériens contre la typhoïde et la tuberculose, le fameux BCG (bacille de Calmette et Guérin) découvert à l’Institut Pasteur de Lille en 1921. Dans les années 1940-1960, les Américains élaborent les vaccins contre la poliomyélite, la fièvre jaune, la grippe, la rougeole, les oreillons, la rubéole, tous des vaccins vivants atténués ou inactivés composés de virus.

La mise au point des vaccins a longtemps été un processus de longue durée, qu’il s’agisse de vaccins inactivés ou vivants. L’histoire du vaccin grippal montre qu’entre la démonstration à l’Institut Pasteur en 1918 de l’existence d’un « virus filtrant » à l’origine de la grippe, l’isolement du premier virus grippal humain de type A en Grande-Bretagne en 1933, la culture du virus sur œuf de poule embryonné pour préparer les premiers vaccins inactivés aux États-Unis, et l’élaboration par le biologiste Jonas Salk (1914-1995), en 1944, du premier vaccin efficace à grande échelle pour vacciner le corps expéditionnaire américain en Europe, il aura fallu 26 ans. Le précepte de Pasteur « isoler l’agent et l’inactiver » ne se réalise donc pas, à cette époque, en un claquement de doigts. Au cours de la dernière partie du xx ^e  siècle, le développement des techniques du génie génétique, de la virologie moléculaire, la génétique inverse permettant la manipulation des génomes viraux, le séquençage des génomes à haut débit, leur synthèse chimique, la maîtrise de la culture cellulaire et des méthodes de purification, ont considérablement bénéficié au développement des vaccins. Les vaccins contre le virus de l’hépatite B (HBV) et le papillomavirus humain (HPV), tous deux responsables de cancers, ont été les premiers vaccins issus du génie génétique. Ils utilisent la propriété d’un gène viral exprimant une protéine capable de s’auto-assembler en particules virales très immunogènes et non infectieuses, les VLP ( virus-like particles ). Il s’agit pour la première fois ni d’un virus inactivé ni d’un virus atténué, mais de particules virales vides, recombinantes, entièrement synthétiques et produites en bio-fermenteur. Une révolution dans l’industrie du vaccin [ 9 ].

Il était temps de créer des vaccins plutôt que de laisser la nature nous guider. Ainsi, les vecteurs viraux de vaccination ont été mis au point, une nouvelle utilisation des virus comme outils de médecine : des virus recombinants, à ARN ou à ADN, non pathogènes ou d’une autre espèce, parfois synthétiques, réplicatifs ou non, enveloppés ou non, construits pour véhiculer des antigènes additionnels. L’identification des antigènes efficaces s’est améliorée avec le développement de la vaccinologie réverse [ 10 ] et de la vaccinologie structurale [ 11 ] qui consistent à identifier les antigènes à partir de leur efficacité in vivo  : la découverte à haut débit d’anticorps humains protecteurs, le séquençage du répertoire des lymphocytes B et la caractérisation structurale des antigènes et épitopes protecteurs permettent aujourd’hui de concevoir de nouveaux vaccins qui étaient auparavant impossibles à fabriquer. Pour exprimer ces antigènes, les vecteurs viraux et les vaccins entièrement géniques ne contenant pas de protéines virales, les vaccins à ADN et à ARN, ont été largement utilisés [ 12 ].

Il aura fallu attendre la pandémie de Covid-19, due au SARS-CoV-2, en 2020, pour que les premiers vaccins géniques à ARN ou à vecteur adénoviral soient commercialisés avec une efficacité démontrée contre la Covid-19 [ 13 , 14 ]. En moins d’un an, grâce à une recherche accélérée et des moyens financiers colossaux, plusieurs vaccins ont été développés contre la Covid-19, permettant une vaccination de masse en réponse rapide à la pandémie.

Utiliser un virus vivant atténué est la façon la plus simple de produire un vaccin. Il s’agit du principe de la variolisation, celui de Jenner : utiliser un virus vivant non pathogène pour l’homme, dans ce cas, la vaccine, un virus bovin proche de celui de la variole humaine, qui induit des réponses immunitaires protectrices contre la variole humaine. Dès qu’elles ont pu être isolées, les souches virulentes de nombreux autres virus ont été atténuées expérimentalement pour les transformer en vaccins vivants contre la fièvre jaune, la poliomyélite, la rougeole, les oreillons, la rubéole, la varicelle ou le rotavirus.

L’atténuation d’un virus est obtenue par sa culture sériée, au cours d’un grand nombre de passages, sur des cellules primaires, des cellules de lignées ou sur des œufs embryonnés. Les virus, isolés chez des patients, sont cultivés ainsi jusqu’à ce qu’ils perdent naturellement leur caractère pathogène. La pathogénicité est perdue par accumulation de mutations dans les génomes viraux. Sans la transmission naturelle qui sélectionne les espèces virulentes, et en l’absence de la pression du système immunitaire, le virus accumule en effet des mutations qui favorisent sa croissance en culture et atténuent son pouvoir pathogène et sa transmissibilité. Les souches obtenues sont alors incapables de développer la maladie qu’elles causaient auparavant, mais conservent néanmoins leurs antigènes et leur capacité à induire des réponses immunitaires. Le grand nombre de mutations accumulées empêche virtuellement le retour à la pathogénicité. Le virus vaccinal atténué de la rougeole, par exemple, a acquis une cinquantaine de mutations par rapport au virus original, réparties tout le long du génome qui contient 16 000 nucléotides. Ces mutations affectent autant les gènes structuraux que les gènes non structuraux, les épitopes antigéniques, la polymérase ou les facteurs de virulence, privant ainsi le virus de sa pathogénicité et de sa transmissibilité au profit d’une grande capacité réplicative en culture cellulaire. Ces vaccins sont donc très sûrs et très peu toxiques. L’absence de virulence est contrôlée dans des modèles animaux et lors d’essais cliniques.

Les vaccins vivants possèdent de nombreuses qualités. Ils sont plus efficaces que les autres vaccins et leur effet est plus durable. Puisqu’ils sont réplicatifs, les virus inoculés lors de la vaccination se propagent dans l’organisme. Bien qu’à un très faible niveau du fait de l’atténuation, cette virémie induit une immunité générale. Les réponses aux vaccins vivants sont à la fois de type cellulaire et humoral. Un vaccin vivant mime une infection, ce qui permet d’installer une mémoire de très long terme, à vie dans certains cas, dont les effecteurs résident dans les organes lymphoïdes secondaires et les muqueuses. Une ou deux administrations à faible dose sont suffisantes. Ces vaccins ne nécessitent pas d’adjuvants tant leur immunité naturelle est efficace. Enfin, un atout majeur pour des vaccins destinés à la vaccination de masse, leur dose active est faible car ils se multiplient dans l’organisme, ce qui permet des niveaux de fabrication industrielle très élevés pour des coûts faibles.

En revanche, la viabilité des virus devant être maintenue, les vaccins vivants nécessitent d’être conservés au froid. Par précaution, ils sont contre-indiqués chez la femme enceinte et chez les personnes immunodéprimées. Les vaccins vivants peuvent être combinés, comme le vaccin ROR, qui protège contre la rougeole, la rubéole et les oreillons, et auquel peut s’ajouter le vaccin vivant contre la varicelle. Néanmoins, les combinaisons de virus vivants atténués peuvent se confronter au problème d’interférence virale, qui a pu être observé avec certains mélanges de vaccins vivants atténués contre les quatre sérotypes du virus de la dengue. Si l’un des virus du mélange est un peu moins atténué ou qu’il se réplique plus vite que les autres, il établit une immunité innée précoce qui bloque la réplication des autres virus. Enfin, les atténuations naturelles générées par passages sériés sont infiniment plus stables génétiquement que les atténuations obtenues par mutagenèse, qui n’impliquent que quelques nucléotides qui peuvent réverter, ou entraîner des recombinaisons avec des virus voisins circulant, comme cela peut être le cas avec le vaccin vivant contre la poliomyélite.

De nouvelles méthodes d’atténuation des virus par mutagenèse ou synthèse de génomes entiers infectieux ont été développées récemment. Elles consistent à muter un grand nombre de positions du génome viral pour éviter la réversion génétique [ 15 ]. La génération de génomes viraux rationnellement atténués par de multiples remplacements de codons synonymes, ou par la sélection de mutants de fidélité de la polymérase virale des virus à ARN, a permis d’obtenir des vaccins atténués prometteurs, mais qui n’ont pas encore été développés industriellement [ 16 ].

Ces vaccins contiennent des virus infectieux tués ou inactivés par un traitement chimique ou par la chaleur. Historiquement, ils sont issus des observations de Louis Pasteur qui a utilisé cette méthode pour développer des vaccins contre le choléra des poules, l’anthrax et la rage (bien que ces trois vaccins n’étaient probablement qu’atténués). Les microbes inactivés sont totalement inoffensifs mais restent capables de susciter de bonnes réponses immunitaires. Le vaccin injectable contre la poliomyélite, les vaccins contre la grippe, l’hépatite A, le choléra, la peste, l’encéphalite japonaise, l’encéphalite à tiques d’Europe centrale, le vaccin antirabique sont des vaccins inactivés. La plupart des vaccins humains inactivés contre des virus entiers sont produits par culture en fermenteur. Les virus obtenus sont inactivés par exposition au formaldéhyde ou à la bêta-propiolactone. Les vaccins à virus fragmenté sont produits quant à eux, en utilisant un détergent pour perturber leur enveloppe, une technique utilisée dans le développement de nombreux vaccins antigrippaux.

Ces vaccins ont plusieurs avantages. Tout d’abord, le risque de voir se multiplier le virus vaccinal inoculé est nul. Ensuite, la réponse immunitaire aux vaccins inactivés est plus homogène que celle aux vaccins vivants, en particulier la réponse immunitaire humorale avec la production d’anticorps circulants. Enfin, les vaccins tués demandent des conditions de stockage et de conservation beaucoup moins strictes, et leur durée de validité est plus grande que celle des vaccins vivants. Étant donné qu’ils ne contiennent pas de germes infectieux, les vaccins inactivés peuvent être combinés plus facilement : les interférences virales qui peuvent se produire quand on administre ensemble certains vaccins vivants n’existent pas avec les vaccins tués. Ainsi, le célèbre mélange « tétracoque » qui contient les vaccins inactivés contre la diphtérie, le tétanos, la poliomyélite, et la coqueluche, se trouve maintenant sous forme hexavalente, associé aux nouveaux vaccins contre les méningites à Hæmophilus influenzae de type b, et contre l’hépatite B.

Les vaccins inactivés sont néanmoins plus coûteux à produire. Ne se multipliant pas dans l’organisme, la charge antigénique de la préparation vaccinale doit être plus importante pour obtenir une réponse immunitaire satisfaisante, ce qui nécessite de plus importantes doses de vaccin et plusieurs administrations successives. L’ajout d’adjuvants dans certains vaccins inactivés entraîne également une augmentation de leur coût, ainsi que l’inquiétude du public quant à leur utilisation.

Les vaccins sous-unitaires sont composés de sous-parties antigéniques qui sont synthétisées en laboratoire : des sous-unités protéiques, des polysaccharides ou des peptides. C’est le principe des vaccins contre le tétanos, la diphtérie, la coqueluche, la méningite à méningocoque ou encore le virus de l’hépatite B et celui des papillomavirus humains, des vaccins qui sont administrés par milliards de doses aux nourrissons dans le monde.

Les premiers vaccins sous-unitaires ont été développés contre des toxines bactériennes. La toxine diphtérique, découverte en 1888 par le médecin bactériologiste Alexandre Yersin (1863-1943) et Émile Roux à l’Institut Pasteur, a permis le premier développement de ce type de vaccin. À la même époque, le médecin allemand Emil Von Behring (1854-1917) qui travaillait à Berlin avec Robert Koch (1843-1910), découvre avec le médecin bactériologiste japonais Kitasato Shibasaburo (1853-1931), l’antitoxine dans le sérum des animaux immunisés par la toxine diphtérique. L’antitoxine sera ensuite obtenue en grandes quantités par l’immunisation de chevaux, pour la sérothérapie des patients diphtériques, une technique efficace mais dont l’action est de courte durée. C’est en 1921, à l’Institut Pasteur, que Gaston Ramon observe que l’inactivation de la toxine diphtérique par un traitement au formol, ou par la chaleur, donne un dérivé inoffensif mais qui conserve intact son pouvoir vaccinant. Il lui donnera le nom d’anatoxine diphtérique. Après quelques essais, la vaccination par l’anatoxine diphtérique entrera dans la pratique clinique.

Les vaccins sous-unitaires antiviraux sont fabriqués par génie génétique. Les premiers d’entre eux, les vaccins contre l’hépatite B et contre les papillomavirus humains, ont été produits à partir d’un gène viral, exprimé par des cellules en culture, qui génère des particules virales vides. Les antigènes ainsi produits et purifiés sont naturellement immunogènes, du fait de leur assemblage multimérique qui constitue un puissant stimulant de l’immunité innée et de l’immunité adaptative. D’autres vaccins sous-unitaires contre des virus ont été plus récemment développés, contre la grippe ou le SARS-CoV-2. Celui contre la grippe est produit par l’expression du gène codant l’hémagglutinine du virus dans des cellules d’insectes infectées par un vecteur de type baculovirus [ 17 ]. Les vaccins développés contre le SARS-CoV-2 sont fondés, quant à eux, sur l’expression de la protéine d’enveloppe Spike du virus, sous sa forme la plus immunogène possible, dans des systèmes variés de culture cellulaire, y compris des plantes [ 18 ].

Les vaccins sous-unitaires sont totalement inoffensifs, du moins concernant l’antigène produit en fermenteur dans des cultures de bactéries, de levures ou de cellules de mammifères. Ils sont sans risque pour les immunodéprimés. Leur technique de production est parfaitement maîtrisée. Cependant, la recherche de la bonne combinaison de fragments antigéniques exige du temps. Leur fabrication est plus complexe que celle des autres vaccins, y compris certains vaccins à ARN. Enfin, ils nécessitent l’ajout d’adjuvants et des doses de rappel.