Ett komplext syntetiskt vaccin baserat på DNA-molekyler har skapats

I jakt på sätt att skapa säkrare och mer effektiva vacciner har forskare vid Biodesign Institute vid Arizona State University vänt sig till ett lovande område som kallas DNA-nanoteknik för att skapa en helt ny typ av syntetiskt vaccin.

I en studie som nyligen publicerades i tidskriften Nano Letters samarbetade immunologen Yung Chang vid Institute of Bioengineering med kollegor, inklusive den välkände DNA-nanoteknikern Hao Yan, för att syntetisera världens första vaccinkomplex som säkert och effektivt kan levereras till målställen genom att placeras på självorganiserande, tredimensionella DNA-nanostrukturer.

”När Hao föreslog att vi skulle se DNA inte som genetiskt material utan som en arbetsplattform, fick jag idén att tillämpa detta tillvägagångssätt inom immunologi”, säger Chang, docent vid Institutionen för livsvetenskaper och forskare vid Centrum för infektionssjukdomar och vacciner vid Institutet för bioteknik. ”Detta skulle ge oss en utmärkt möjlighet att använda DNA-bärare för att skapa ett syntetiskt vaccin.”

"Den stora frågan var: Är det säkert? Vi ville skapa en grupp molekyler som kunde utlösa ett säkert och kraftfullt immunsvar i kroppen. Eftersom Haos team hade designat olika DNA-nanostrukturer under de senaste åren började vi samarbeta för att hitta potentiella medicinska tillämpningar för dessa strukturer."

Det unika med metoden som föreslagits av forskare från Arizona är att antigenbäraren är en DNA-molekyl.

Det tvärvetenskapliga forskarteamet inkluderade även biokemistudenten Xiaowei Liu vid University of Arizona och förstaförfattaren till artikeln, professor Yang Xu, biokemiföreläsaren Yan Liu, studenten Craig Clifford vid School of Biosciences och Tao Yu, en doktorand från Sichuan University i Kina.

Chang påpekar att den utbredda användningen av vaccination har lett till en av folkhälsans mest betydande framgångar. Konsten att skapa vacciner bygger på genteknik för att konstruera virusliknande partiklar från proteiner som stimulerar immunförsvaret. Dessa partiklar har en liknande struktur som riktiga virus men innehåller inte farliga genetiska komponenter som orsakar sjukdom.

En viktig fördel med DNA-nanoteknik, som gör det möjligt att ge en biomolekyl en två- eller tredimensionell form, är möjligheten att med mycket precisa metoder skapa molekyler som kan utföra funktioner som är typiska för naturliga molekyler i kroppen.

”Vi experimenterade med olika storlekar och former av DNA-nanostrukturer och lade till biomolekyler för att se hur kroppen skulle reagera”, förklarar Yang, chef för institutionen för kemi och biokemi och forskare vid Center for Single Molecule Biophysics vid Institute of Bioengineering. Genom en metod som forskarna kallar ”biomimicry” approximerar vaccinkomplexen de testade storleken och formen på naturliga viruspartiklar.

För att demonstrera konceptets genomförbarhet fäste forskarna det immunstimulerande proteinet streptavidin (STV) och det immunstärkande läkemedlet CpG-oligodeoxynukleotiden till separata pyramidala grenade DNA-strukturer, vilket så småningom skulle göra det möjligt för dem att erhålla ett syntetiskt vaccinkomplex.

Teamet behövde först bevisa att målcellerna kunde absorbera nanostrukturerna. Genom att fästa en ljusemitterande taggmolekyl på nanostrukturen kunde forskarna verifiera att nanostrukturen hittade sin rätta plats i cellen och förblev stabil i flera timmar – tillräckligt länge för att utlösa ett immunsvar.

I experiment på möss arbetade forskarna sedan med att leverera vaccinets "nyttolast" till celler som är de första länkarna i kroppens immunsvarskedja, och koordinerar interaktioner mellan olika komponenter såsom antigenpresenterande celler, inklusive makrofager, dendritiska celler och B-celler. När nanostrukturerna väl kommer in i cellen "analyseras" de och "visas" på cellytan så att de kan kännas igen av T-celler, de vita blodkroppar som spelar en central roll i att utlösa kroppens försvarssvar. T-celler hjälper i sin tur B-celler att producera antikroppar mot främmande antigener.

För att tillförlitligt testa alla varianter injicerade forskarna celler med både hela vaccinkomplexet och enbart STV-antigenet, samt STV-antigenet blandat med en CpG-förstärkare.

Efter en 70-dagarsperiod fann forskarna att möss immuniserade med hela vaccinkomplexet uppvisade ett immunsvar som var 9 gånger starkare än det som inducerades av CpG/STV-blandningen. Den mest märkbara reaktionen initierades av den tetraedriska (pyramidala) strukturen. Immunsvaret på vaccinkomplexet erkändes dock inte bara som specifikt (dvs. kroppens reaktion på ett specifikt antigen som användes av försöksledarna) och effektivt, utan också som säkert, vilket bekräftas av avsaknaden av en immunreaktion på det "tomma" DNA:t (som inte bär biomolekyler) som introducerades i cellerna.

"Vi var väldigt nöjda", säger Chang. "Det var underbart att se resultat som vi förutspådde. Det händer inte särskilt ofta inom biologi."

Läkemedelsindustrins framtid ligger i riktade läkemedel

Nu undersöker teamet potentialen i en ny metod för att stimulera specifika immunceller att utlösa ett svar med hjälp av en DNA-plattform. Den nya tekniken skulle kunna användas för att skapa vacciner som består av flera aktiva läkemedel, samt för att ändra mål för att reglera immunsvaret.

Dessutom har den nya tekniken potential att utveckla nya metoder för riktad terapi, i synnerhet produktion av ”riktade” läkemedel som levereras till strikt utsedda områden i kroppen och därför inte ger farliga biverkningar.

Slutligen, även om DNA-området fortfarande är i sin linda, har Arizona-forskarnas vetenskapliga arbete betydande praktiska konsekvenser för medicin, elektronik och andra områden.

Chang och Yang medger att det fortfarande finns mycket att lära sig och optimera om deras vaccinmetod, men värdet av deras upptäckt är obestridligt. ”Med konceptbevis i handen kan vi nu producera syntetiska vacciner med ett obegränsat antal antigener”, avslutar Chang.

Ekonomiskt stöd för denna forskning tillhandahölls av det amerikanska försvarsdepartementet och National Institutes of Health.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ]