En kompleks syntetisk vaccine baseret på DNA-molekyler er blevet skabt

I jagten på måder at skabe sikrere og mere effektive vacciner har forskere ved Biodesign Institute ved Arizona State University vendt sig mod et lovende felt kaldet DNA-nanoteknologi for at skabe en helt ny type syntetisk vaccine.

I et studie, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Nano Letters, har immunolog Yung Chang fra Institute of Bioengineering slået sig sammen med kolleger, herunder den berømte DNA-nanoteknolog Hao Yan, for at syntetisere verdens første vaccinekompleks, der sikkert og effektivt kan leveres til målsteder ved at blive placeret på selvsamlende, tredimensionelle DNA-nanostrukturer.

"Da Hao foreslog, at vi ikke skulle betragte DNA som genetisk materiale, men som en arbejdsplatform, fik jeg ideen til at anvende denne tilgang inden for immunologi," siger Chang, lektor ved School of Life Sciences og forsker ved Center for Infektionssygdomme og Vacciner ved Institute for Bioengineering. "Dette ville give os en fantastisk mulighed for at bruge DNA-bærere til at skabe en syntetisk vaccine."

"Det store spørgsmål var: Er det sikkert? Vi ønskede at skabe en gruppe molekyler, der kunne udløse et sikkert og kraftfuldt immunrespons i kroppen. Da Haos team havde designet forskellige DNA-nanostrukturer i de seneste par år, begyndte vi at samarbejde for at finde potentielle medicinske anvendelser af disse strukturer."

Det unikke ved den metode, der er foreslået af forskere fra Arizona, er, at antigenbæreren er et DNA-molekyle.

Det tværfaglige forskerhold bestod også af Xiaowei Liu, kandidatstuderende i biokemi fra University of Arizona og førsteforfatter til artiklen, professor Yang Xu, biokemilektor Yan Liu, studerende fra School of Biosciences, Craig Clifford, og Tao Yu, en kandidatstuderende fra Sichuan University i Kina.

Chang påpeger, at den udbredte anvendelse af vaccination har ført til en af de mest betydningsfulde triumfer inden for folkesundheden. Kunsten at skabe vacciner er afhængig af genteknologi for at konstruere viruslignende partikler fra proteiner, der stimulerer immunsystemet. Disse partikler har en struktur, der ligner rigtige vira, men indeholder ikke farlige genetiske komponenter, der forårsager sygdom.

En vigtig fordel ved DNA-nanoteknologi, som gør det muligt at give et biomolekyle en to- eller tredimensionel form, er evnen til at skabe molekyler ved hjælp af meget præcise metoder, der kan udføre funktioner, der er typiske for naturlige molekyler i kroppen.

"Vi eksperimenterede med forskellige størrelser og former af DNA-nanostrukturer og tilføjede biomolekyler til dem for at se, hvordan kroppen ville reagere," forklarer Yang, direktør for Institut for Kemi og Biokemi og forsker ved Center for Single Molecule Biophysics ved Institut for Bioengineering. Gennem en tilgang, som forskerne kalder "biomimicry", tilnærmer de vaccinekomplekser, de testede, sig størrelsen og formen af naturlige viruspartikler.

For at demonstrere konceptets levedygtighed, fastgjorde forskerne det immunstimulerende protein streptavidin (STV) og det immunforstærkende lægemiddel CpG-oligodeoxynukleotid til separate pyramideformede, forgrenede DNA-strukturer, hvilket i sidste ende ville give dem mulighed for at opnå et syntetisk vaccinekompleks.

Holdet skulle først bevise, at målcellerne kunne absorbere nanostrukturerne. Ved at fastgøre et lysudstrålende tagmolekyle til nanostrukturen kunne forskerne verificere, at nanostrukturen fandt sin rette plads i cellen og forblev stabil i flere timer – længe nok til at udløse et immunrespons.

I eksperimenter på mus arbejdede forskerne derefter på at levere vaccinens "nyttelast" til celler, der er de første led i kroppens immunresponskæde, og koordinerer interaktioner mellem forskellige komponenter såsom antigenpræsenterende celler, herunder makrofager, dendritiske celler og B-celler. Når nanostrukturerne kommer ind i cellen, "analyseres" de og "vises" på celleoverfladen, så de kan genkendes af T-celler, de hvide blodlegemer, der spiller en central rolle i at udløse kroppens forsvarsrespons. T-celler hjælper til gengæld B-celler med at producere antistoffer mod fremmede antigener.

For pålideligt at teste alle varianter injicerede forskerne celler med både det fulde vaccinekompleks og STV-antigenet alene, samt STV-antigenet blandet med en CpG-forstærker.

Efter en periode på 70 dage fandt forskerne, at mus immuniseret med det fulde vaccinekompleks udviste et immunrespons, der var 9 gange stærkere end det, der blev induceret af CpG/STV-blandingen. Den mest bemærkelsesværdige reaktion blev initieret af den tetraedriske (pyramideformede) struktur. Immunresponset på vaccinekomplekset blev imidlertid ikke kun genkendt som specifikt (dvs. kroppens reaktion på et specifikt antigen, der blev brugt af forsøgslederne) og effektivt, men også som sikkert, hvilket bekræftes af fraværet af en immunreaktion på det "tomme" DNA (som ikke bærer biomolekyler), der blev introduceret i cellerne.

"Vi var meget tilfredse," siger Chang. "Det var vidunderligt at se de resultater, vi havde forudsagt. Det sker ikke særlig ofte i biologi."

Fremtiden for medicinalindustrien ligger i målrettede lægemidler

Nu undersøger teamet potentialet i en ny metode til at stimulere specifikke immunceller til at udløse en reaktion ved hjælp af en DNA-platform. Den nye teknologi kan bruges til at skabe vacciner bestående af flere aktive lægemidler, samt til at ændre mål for at regulere immunresponset.

Derudover har den nye teknologi potentiale til at udvikle nye metoder til målrettet terapi, især produktion af "målrettede" lægemidler, der leveres til nøje udpegede områder af kroppen og derfor ikke producerer farlige bivirkninger.

Endelig, selvom DNA-feltet stadig er i sin vorden, har Arizona-forskernes videnskabelige arbejde betydelige praktiske implikationer for medicin, elektronik og andre områder.

Chang og Yang erkender, at der stadig er meget at lære og optimere om deres vaccinemetode, men værdien af deres opdagelse er ubestridelig. "Med proof of concept i hånden kan vi nu producere syntetiske vacciner med et ubegrænset antal antigener," konkluderer Chang.

Finansiel støtte til denne forskning blev ydet af det amerikanske forsvarsministerium og National Institutes of Health.

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