En kompleks syntetisk vaksine basert på DNA-molekyler har blitt laget

I jakten på måter å lage tryggere og mer effektive vaksiner har forskere ved Biodesign Institute ved Arizona State University vendt seg til et lovende felt kalt DNA-nanoteknologi for å lage en helt ny type syntetisk vaksine.

I en studie som nylig ble publisert i tidsskriftet Nano Letters, slo immunolog Yung Chang ved Institute of Bioengineering seg sammen med kolleger, inkludert den anerkjente DNA-nanoteknologen Hao Yan, for å syntetisere verdens første vaksinekompleks som trygt og effektivt kan leveres til målsteder ved å plasseres på selvsamlende, tredimensjonale DNA-nanostrukturer.

«Da Hao foreslo at vi skulle se på DNA ikke som genetisk materiale, men som en arbeidsplattform, fikk jeg ideen om å anvende denne tilnærmingen innen immunologi», sier Chang, førsteamanuensis ved School of Life Sciences og forsker ved Center for Infectious Diseases and Vaccines ved Institute for Bioengineering. «Dette ville gi oss en flott mulighet til å bruke DNA-bærere til å lage en syntetisk vaksine.»

«Det store spørsmålet var: Er det trygt? Vi ønsket å lage en gruppe molekyler som kunne utløse en trygg og kraftig immunrespons i kroppen. Siden Haos team hadde designet ulike DNA-nanostrukturer de siste årene, begynte vi å samarbeide for å finne potensielle medisinske anvendelser for disse strukturene.»

Det unike med metoden som er foreslått av forskere fra Arizona, er at antigenbæreren er et DNA-molekyl.

Det tverrfaglige forskerteamet inkluderte også biokjemistudent og førsteforfatter av artikkelen ved University of Arizona, Xiaowei Liu, professor Yang Xu, biokjemiforeleser Yan Liu, student ved School of Biosciences, Craig Clifford, og Tao Yu, en masterstudent fra Sichuan University i Kina.

Chang påpeker at den utbredte bruken av vaksinasjon har ført til en av de viktigste triumfene innen folkehelsen. Kunsten å lage vaksiner er avhengig av genteknologi for å konstruere viruslignende partikler fra proteiner som stimulerer immunforsvaret. Disse partiklene har en struktur som ligner på ekte virus, men inneholder ikke farlige genetiske komponenter som forårsaker sykdom.

En viktig fordel med DNA-nanoteknologi, som gjør det mulig å gi et biomolekyl en to- eller tredimensjonal form, er muligheten til å lage molekyler ved hjelp av svært presise metoder som kan utføre funksjoner som er typiske for naturlige molekyler i kroppen.

«Vi eksperimenterte med forskjellige størrelser og former på DNA-nanostrukturer og tilsatte biomolekyler for å se hvordan kroppen ville reagere», forklarer Yang, direktør for Institutt for kjemi og biokjemi og forsker ved Center for Single Molecule Biophysics ved Institute of Bioengineering. Gjennom en tilnærming forskerne kaller «biomimikk», tilnærmer vaksinekompleksene de testet seg størrelsen og formen til naturlige viruspartikler.

For å demonstrere levedyktigheten til konseptet sitt, festet forskerne det immunstimulerende proteinet streptavidin (STV) og det immunforsterkende legemidlet CpG-oligodeoksynukleotid til separate pyramideformede, forgrenede DNA-strukturer, noe som til slutt ville tillate dem å oppnå et syntetisk vaksinekompleks.

Teamet måtte først bevise at målcellene kunne absorbere nanostrukturene. Ved å feste et lysende merkemolekyl til nanostrukturen, kunne forskerne bekrefte at nanostrukturen fant sin rette plass i cellen og forble stabil i flere timer – lenge nok til å utløse en immunrespons.

I eksperimenter på mus jobbet forskerne deretter med å levere vaksinens «nyttelast» til celler som er de første leddene i kroppens immunresponskjede, og koordinerer interaksjoner mellom ulike komponenter som antigenpresenterende celler, inkludert makrofager, dendrittiske celler og B-celler. Når nanostrukturene kommer inn i cellen, blir de «analysert» og «vist» på celleoverflaten slik at de kan gjenkjennes av T-celler, de hvite blodcellene som spiller en sentral rolle i å utløse kroppens forsvarsrespons. T-celler hjelper igjen B-celler med å produsere antistoffer mot fremmede antigener.

For å teste alle variantene pålitelig, injiserte forskerne celler med både hele vaksinekomplekset og STV-antigenet alene, samt STV-antigenet blandet med en CpG-forsterker.

Etter en periode på 70 dager fant forskerne at mus immunisert med hele vaksinekomplekset viste en immunrespons som var 9 ganger sterkere enn den som ble indusert av CpG/STV-blandingen. Den mest merkbare reaksjonen ble initiert av den tetraedriske (pyramideformede) strukturen. Immunresponsen på vaksinekomplekset ble imidlertid ikke bare anerkjent som spesifikk (dvs. kroppens reaksjon på et spesifikt antigen brukt av forsøkslederne) og effektiv, men også som trygg, noe som bekreftes av fraværet av en immunreaksjon på det "tomme" DNA-et (som ikke inneholder biomolekyler) som ble introdusert i cellene.

«Vi var veldig fornøyde», sier Chang. «Det var fantastisk å se resultatene vi forutså. Det skjer ikke så ofte i biologi.»

Legemiddelindustriens fremtid ligger i målrettede legemidler

Nå vurderer teamet potensialet i en ny metode for å stimulere spesifikke immunceller til å utløse en respons ved hjelp av en DNA-plattform. Den nye teknologien kan brukes til å lage vaksiner som består av flere aktive legemidler, samt til å endre mål for å regulere immunresponsen.

I tillegg har den nye teknologien potensial til å utvikle nye metoder for målrettet terapi, spesielt produksjon av «målrettede» legemidler som leveres til strengt bestemte områder av kroppen og derfor ikke gir farlige bivirkninger.

Til slutt, selv om DNA-feltet fortsatt er i sin spede begynnelse, har det vitenskapelige arbeidet til forskere i Arizona betydelige praktiske implikasjoner for medisin, elektronikk og andre felt.

Chang og Yang erkjenner at det fortsatt er mye å lære og optimalisere om vaksinemetoden deres, men verdien av oppdagelsen deres er ubestridelig. «Med konseptbevis i hånden kan vi nå produsere syntetiske vaksiner med et ubegrenset antall antigener», konkluderer Chang.

Det amerikanske forsvarsdepartementet og National Institutes of Health har gitt økonomisk støtte til denne forskningen.

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