Stworzono złożoną syntetyczną szczepionkę opartą na cząsteczkach DNA

W poszukiwaniu sposobów na stworzenie bezpieczniejszych i skuteczniejszych szczepionek naukowcy z Biodesign Institute na Uniwersytecie Stanowym Arizony zwrócili się ku obiecującej dziedzinie zwanej nanotechnologią DNA, aby stworzyć zupełnie nowy typ syntetycznej szczepionki.

W badaniu opublikowanym niedawno w czasopiśmie „Nano Letters” immunolog Yung Chang z Instytutu Bioinżynierii nawiązał współpracę z kolegami, m.in. uznanym nanotechnologiem DNA Hao Yanem, w celu zsyntetyzowania pierwszego na świecie kompleksu szczepionkowego, który można bezpiecznie i skutecznie dostarczać do miejsc docelowych, umieszczając go na samoorganizujących się, trójwymiarowych nanostrukturach DNA.

„Kiedy Hao zasugerował, żebyśmy traktowali DNA nie jako materiał genetyczny, ale jako platformę roboczą, wpadłem na pomysł zastosowania tego podejścia do immunologii” – mówi Chang, adiunkt w School of Life Sciences i badacz w Center for Infectious Diseases and Vaccines w Institute for Bioengineering. „Dałoby nam to świetną okazję do wykorzystania nośników DNA do stworzenia syntetycznej szczepionki”.

„Najważniejsze pytanie brzmiało: Czy to bezpieczne? Chcieliśmy stworzyć grupę cząsteczek, które mogłyby wywołać bezpieczną i silną odpowiedź immunologiczną w organizmie. Ponieważ zespół Hao projektował różne nanostruktury DNA przez ostatnie kilka lat, zaczęliśmy współpracować, aby znaleźć potencjalne zastosowania medyczne dla tych struktur”.

Wyjątkowość metody zaproponowanej przez naukowców z Arizony polega na tym, że nośnikiem antygenu jest cząsteczka DNA.

W skład interdyscyplinarnego zespołu badawczego weszli również: studentka biochemii na Uniwersytecie Arizony i pierwsza autorka artykułu Xiaowei Liu, profesor Yang Xu, wykładowca biochemii Yan Liu, student Szkoły Nauk Biologicznych Craig Clifford i Tao Yu, studentka Uniwersytetu Syczuańskiego w Chinach.

Chang wskazuje, że powszechne przyjęcie szczepień doprowadziło do jednego z najważniejszych triumfów zdrowia publicznego. Sztuka tworzenia szczepionek opiera się na inżynierii genetycznej, aby konstruować cząsteczki wirusopodobne z białek, które stymulują układ odpornościowy. Cząsteczki te mają strukturę podobną do prawdziwych wirusów, ale nie zawierają niebezpiecznych składników genetycznych, które powodują choroby.

Ważną zaletą nanotechnologii DNA, która pozwala nadać biocząsteczkom dwu- lub trójwymiarowy kształt, jest możliwość tworzenia cząsteczek przy użyciu bardzo precyzyjnych metod, które mogą pełnić funkcje typowe dla naturalnych cząsteczek w organizmie.

„Eksperymentowaliśmy z różnymi rozmiarami i kształtami nanostruktur DNA i dodaliśmy do nich biocząsteczki, aby zobaczyć, jak zareaguje organizm” – wyjaśnia Yang, dyrektor Wydziału Chemii i Biochemii oraz badacz w Centrum Biofizyki Pojedynczych Cząsteczek w Instytucie Bioinżynierii. Dzięki podejściu, które naukowcy nazywają „biomimikrą”, testowane przez nich kompleksy szczepionek przybliżają rozmiar i kształt naturalnych cząsteczek wirusa.

Aby udowodnić wykonalność swojej koncepcji, naukowcy połączyli stymulujące odporność białko streptawidynę (STV) i wzmacniający odporność lek CpG oligodeoksyrybonukleotyd do oddzielnych piramidalnych rozgałęzionych struktur DNA, co ostatecznie umożliwi im uzyskanie syntetycznego kompleksu szczepionki.

Zespół najpierw musiał udowodnić, że komórki docelowe mogą absorbować nanostruktury. Poprzez dołączenie emitującej światło cząsteczki znacznika do nanostruktury naukowcy byli w stanie zweryfikować, że nanostruktura znalazła swoje właściwe miejsce w komórce i pozostała stabilna przez kilka godzin – wystarczająco długo, aby wywołać odpowiedź immunologiczną.

Następnie, w eksperymentach na myszach, naukowcy pracowali nad dostarczeniem „ładunku” szczepionki do komórek, które są pierwszymi ogniwami w łańcuchu odpowiedzi immunologicznej organizmu, koordynując interakcje między różnymi składnikami, takimi jak komórki prezentujące antygeny, w tym makrofagi, komórki dendrytyczne i komórki B. Gdy nanostruktury dostaną się do komórki, są „analizowane” i „wyświetlane” na powierzchni komórki, tak aby mogły zostać rozpoznane przez komórki T, białe krwinki, które odgrywają centralną rolę w wyzwalaniu odpowiedzi obronnej organizmu. Z kolei komórki T pomagają komórkom B wytwarzać przeciwciała przeciwko obcym antygenom.

Aby wiarygodnie przetestować wszystkie warianty, naukowcy wstrzyknęli komórkom zarówno pełen kompleks szczepionkowy, jak i sam antygen STV, a także antygen STV zmieszany ze wzmacniaczem CpG.

Po 70 dniach naukowcy odkryli, że myszy zaszczepione pełnym kompleksem szczepionkowym wykazywały odpowiedź immunologiczną 9 razy silniejszą niż ta wywołana przez mieszankę CpG/STV. Najbardziej zauważalną reakcję zapoczątkowała struktura tetraedryczna (piramidalna). Jednak odpowiedź immunologiczna na kompleks szczepionkowy została uznana nie tylko za specyficzną (tj. reakcję organizmu na specyficzny antygen użyty przez eksperymentatorów) i skuteczną, ale także za bezpieczną, co potwierdza brak reakcji immunologicznej na „puste” DNA (nieprzenoszące biocząsteczek) wprowadzone do komórek.

„Byliśmy bardzo zadowoleni” – mówi Chang. „Wspaniale było zobaczyć wyniki, które przewidzieliśmy. To nie zdarza się zbyt często w biologii”.

Przyszłość przemysłu farmaceutycznego leży w lekach ukierunkowanych

Teraz zespół rozważa potencjał nowej metody stymulacji określonych komórek odpornościowych do wywołania odpowiedzi przy użyciu platformy DNA. Nowa technologia mogłaby zostać wykorzystana do tworzenia szczepionek składających się z kilku aktywnych leków, a także do zmiany celów w celu regulacji odpowiedzi immunologicznej.

Ponadto nowa technologia ma potencjał, aby opracować nowe metody terapii celowanej, w szczególności produkcję leków „ukierunkowanych”, które są dostarczane do ściśle określonych obszarów ciała i dzięki temu nie powodują niebezpiecznych skutków ubocznych.

Chociaż dziedzina badań nad DNA jest jeszcze w powijakach, praca naukowa badaczy z Arizony ma istotne praktyczne zastosowanie w medycynie, elektronice i innych dziedzinach.

Chang i Yang przyznają, że wciąż jest wiele do nauczenia się i zoptymalizowania w ich metodzie szczepionki, ale wartość ich odkrycia jest niezaprzeczalna. „Mając dowód koncepcji w ręku, możemy teraz produkować syntetyczne szczepionki z nieograniczoną liczbą antygenów” – podsumowuje Chang.

Wsparcia finansowego dla badań udzieliły Departament Obrony USA i Narodowe Instytuty Zdrowia.

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