Złożona syntetyczna szczepionka oparta na cząsteczkach DNA

W poszukiwaniu sposobów na stworzenie bezpieczniejszego i bardziej skutecznych szczepionek, naukowcy z Instytutu Bioproektirovaniya Uniwersytecie Stanowym w Arizonie (Biodesign Institute na Arizona State University) okazał się obiecujący kierunek nazywa nanotechnologii DNA (nanotechnologia DNA), aby uzyskać zupełnie nowy typ szczepionek syntetycznych.

Praca na badania opublikowanego niedawno w czasopiśmie Nano Letters, immunologiem Yung Chang (Yung Chang) z Instytutu Bioproektirovaniya współpracę z kolegami, wśród których wymienić tylko wybitny znawca nanotechnologii DNA Hao Yang (Hao Yan), do syntezy pierwszej światowy kompleks szczepionek, który można bezpiecznie i skutecznie dostarczać do pożądanych miejsc, umieszczając go na samoorganizujących się, masowych nanostrukturach DNA.

„Kiedy Hao zaproponowała rozważenie DNA nie jako materiału genetycznego, ale jako platformy roboczej, miałem pomysł, aby zastosować to podejście w Immunology” - mówi Chang, Associate Professor of Life Sciences School (Szkoły Nauk Przyrodniczych) i badaczem w Centrum Chorób Zakaźnych i szczepionki w Instytucie Bio-Projekcji. "To miało dać nam doskonałą okazję do użycia nosicieli DNA do stworzenia syntetycznej szczepionki".

"Główne pytanie brzmiało: czy jest to bezpieczne? Chcieliśmy odtworzyć grupę cząsteczek, które mogłyby spowodować bezpieczną i silną odpowiedź immunologiczną w ciele. Ponieważ zespół kierowany przez Hao w ciągu ostatnich kilku lat był zaangażowany w projektowanie różnych nanostruktur DNA, zaczęliśmy wspólnie pracować nad znalezieniem potencjalnych obszarów zastosowania takich struktur w dziedzinie medycyny. "

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

Wielodyscyplinarny zespół badawczy obejmował również: student biochemii na Uniwersytecie w Arizonie, pierwszy autor artykułu Syaovey Liu (Xiaowei Liu), profesor Yang Su (Yang Xu), Biochemistry wykładowca Yang Liu (Yan Liu), student z Wydziału Nauk Biologicznych Craig Clifford (Craig Clifford) i Tao Yu (Tao Yu), absolwentka Uniwersytetu Sichuan w Chinach.

Chang podkreśla, że powszechne wprowadzenie szczepień ludności doprowadziło do jednego z najważniejszych triumfów publicznej medycyny. Sztuka tworzenia szczepionek polega na inżynierii genetycznej w konstruowaniu cząstek wirusopodobnych z białek, które stymulują układ odpornościowy. Takie cząsteczki mają podobną strukturę do rzeczywistych wirusów, ale nie zawierają niebezpiecznych składników genetycznych, które powodują chorobę.

Ważną zaletą nanotechnologii DNA, w której biomolekułę można nadać dwu- lub trójwymiarowy kształt, jest zdolność do tworzenia bardzo precyzyjnych metod dla cząsteczek zdolnych do wykonywania funkcji charakterystycznych dla naturalnych cząsteczek w ciele.

„Mamy eksperymentował z różnych rozmiarach i kształtach nanostruktur DNA i dołączyć biomolekuł, aby zobaczyć, jak reagują na ciele” - mówi Yang, dyrektor Wydziału Chemii i Biochemii, badacz w Centrum Biofizyki pojedynczych cząsteczek (Centrum pojedynczej cząsteczki Biofizyki) w Instytucie Bio-Projekcji. Dzięki podejściu, które naukowcy nazywają "biomimikrą", kompleksy szczepionek testowane przez nich zbliżają się pod względem wielkości i kształtu do naturalnych cząstek wirusa.

Aby pokazać perspektywy jego koncepcji, naukowcy mocowane imunnostimuliruyuschy streptawidynę białek (STV), jak również wzmocnienie odpowiedzi immunologicznej na lek w poszczególnych CpG oligodeoksinukletid piramidalnych rozgałęzionych struktur DNA, która pozwoliłaby im uzyskać w końcu syntetyczny kompleks szczepionki.

Przede wszystkim grupa naukowa musiała udowodnić, że komórki docelowe mogą absorbować nanostruktury. Poprzez przyłączenie cząsteczki emitującej światło do nanostruktury naukowcy stwierdzili, że nanostruktura znajduje właściwe miejsce w komórce i pozostaje stabilna przez kilka godzin - wystarczająco długo, aby wywołać odpowiedź immunologiczną.

Następnie, w doświadczeniach na myszach, naukowcy praktykowane dostarczania szczepionek „obciążenie” dla komórek, które są najpierw w łańcuchu działa odpowiedź immunologiczną koordynujący interakcji pomiędzy różnymi komponetntami jak komórkach prezentujących antygen, w tym makrofagi, komórki dendrytyczne i komórki B. Po nanostruktury wnikają do komórki, są one „analizowane” i „wyświetla się” na powierzchni komórki, tak aby rozpoznać komórki T, białych krwinek (czerwonych krwinek), które odgrywają kluczową rolę w procesie uruchamiania odpowiedź ochronną organizmu. Komórki T z kolei pomagają komórkom B wytwarzać przeciwciała przeciwko obcym antygenom.

Aby wiarygodnie przetestować wszystkie warianty, naukowcy wstrzyknęli do komórek zarówno kompletny kompleks szczepionkowy, jak i antygen STV osobno, jak również antygen STV zmieszany ze wzmacniaczem CpG.

Po 70 dniach badacze odkryli, że myszy immunizowane kompletnym kompleksem szczepionkowym wykazywały 9-krotnie silniejszą odpowiedź immunologiczną niż związek indukowany CpG-c-STV. Najbardziej zauważalna reakcja została zainicjowana przez strukturę formy tetraedrycznej (piramidalnej). Jednakże, odpowiedź immunologiczna na kompleksie szczepionki są znane nie tylko swoiste (czyli reakcja organizmu na specyficzny antygen, stosowane przez eksperymentatorów) i skuteczne, lecz również bezpieczne, o czym świadczy brak odpowiedzi immunologicznej są podawane do komórek „pustych” DNA (brak biocząsteczek nośnych).

"Byliśmy bardzo zadowoleni" - mówi Chang. "Wspaniale jest widzieć wyniki, które sami przewidzieliśmy. Nie zdarza się to często w biologii. "

Przyszłość przemysłu farmakologicznego dla leków celowanych

Obecnie zespół naukowców zastanawia się nad możliwymi perspektywami nowej metody stymulacji określonych komórek odpornościowych w celu wywołania reakcji za pomocą platformy DNA. W oparciu o nową technologię możliwe jest tworzenie szczepionek składających się z kilku substancji czynnych, a także zmiana celów w zakresie regulacji odpowiedzi immunologicznej.

Ponadto nowa technologia może potencjalnie opracować nowe metody terapii celowanej, w szczególności produkcję "ukierunkowanych" leków dostarczanych do ściśle określonych obszarów ciała, a zatem nie powodujących niebezpiecznych skutków ubocznych.

Wreszcie, mimo że kierunek DNA wciąż się rozwija, praca naukowa naukowców z Arizony ma poważne znaczenie dla medycyny, elektroniki i innych dziedzin.

Chang i Yang zdają sobie sprawę, że o wiele więcej trzeba się nauczyć i zoptymalizować w przedstawianej przez nich szczepionce, ale wartość odkrycia jest niezaprzeczalna. "Dzięki praktycznemu potwierdzeniu naszej koncepcji możemy teraz produkować syntetyczne szczepionki z nieograniczoną liczbą antygenów" - podsumowuje Chang.

Wsparcie finansowe na prace naukowe zapewnił Departament Obrony Stanów Zjednoczonych i National Institutes of Health.

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