Forskere udforsker ny klasse af syntetiske vacciner

I en stræben efter at gøre sikrere og mere effektive vacciner, forskere ved Biodesign Institute ved Arizona State University har vendt sig til et lovende felt kaldet DNA -nanoteknologi for at lave en helt ny klasse af syntetiske vacciner.

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , Biodesign -immunolog Yung Chang gik sammen med sine kolleger, herunder DNA -nanoteknologi -innovator Hao Yan, at udvikle det første vaccinkompleks, der kunne leveres sikkert og effektivt ved piggybacking på selvsamlede, tredimensionelle DNA-nanostrukturer.

"Når Hao behandlede DNA ikke som et genetisk materiale, men som et stilladsmateriale, der fik mig til at tænke på mulige anvendelser inden for immunologi, "sagde Chang, en lektor på School of Life Sciences og en forsker i Biodesign Instituts Center for Infektionssygdomme og Vaccinologi. "Dette gav en fantastisk mulighed for at prøve at bruge disse DNA -stilladser til at lave en syntetisk vaccine."

"Den største bekymring var:Er det sikkert? Vi ville efterligne samling af molekyler, der kan udløse et sikkert og kraftfuldt immunrespons i kroppen. Da Haos team har udviklet en række interessante DNA -nanostrukturer i løbet af de sidste par år, Vi har samarbejdet mere og mere med det formål at undersøge nogle lovende menneskelige sundhedsanvendelser af denne teknologi yderligere. "

De centrale tværfaglige forskergruppemedlemmer omfattede også:ASU kemi og biokemi kandidatstuderende og papirforfatter, Xiaowei Liu, gæsteprofessor Yang Xu, assisterende professor i kemi og biokemi Yan Liu, School of Life Sciences bachelor Craig Clifford og Tao Yu, besøgende kandidatstuderende fra Sichuan University.

Chang påpeger, at vacciner har ført til nogle af de mest effektive folkesundheds -triumfer inden for al medicin. Den nyeste teknik inden for vaccineudvikling er afhængig af genteknologi til at samle immunsystemstimulerende proteiner til viruslignende partikler (VLP'er), der efterligner strukturen af ​​naturlige vira --- minus de skadelige genetiske komponenter, der forårsager sygdom.

DNA -nanoteknologi, hvor livsmolekylet kan samles i 2-D og 3-D former, har en fordel ved at være et programmerbart system, der præcist kan organisere molekyler for at efterligne de naturlige molekylers handlinger i kroppen.

"Vi ville teste flere forskellige størrelser og former af DNA -nanostrukturer og vedhæfte molekyler til dem for at se, om de kunne udløse et immunrespons, "sagde Yan, Milton D. Glick Distinguished Chair i Institut for Kemi og Biokemi og forsker i Biodesigns Center for Single Molecule Biophysics. Med deres biomimik tilgang, vaccinkomplekserne, de testede, lignede tæt på naturlige virale partikler i størrelse og form.

Som bevis på konceptet, de knyttet til separate pyramideformede og forgrenede DNA-strukturer et modelimmunstimulerende protein kaldet streptavidin (STV) og immunresponsforstærkende forbindelse kaldet en adjuvans (CpG-oligo-deoxynucletider) for at lave deres syntetiske vaccinkomplekser.

Først, gruppen måtte bevise, at målcellerne kunne sluge nanostrukturer. Ved at vedhæfte et lysemitterende sporstofmolekyle til nanostrukturer, de fandt nanostrukturer, der befandt sig komfortabelt i det passende rum i cellerne og stabile i flere timer ---- længe nok til at sætte en immun kaskade i gang.

Næste, i en mus udfordring, de målrettede levering af deres vaccinelast til celler, der først reagerer på at starte et effektivt immunrespons, koordinerende interaktion mellem vigtige komponenter, såsom:antigenpræsenterende celler, herunder makrofager, dendritiske celler og B -celler. Efter at lasten er internaliseret i cellen, de behandles og "vises" på celleoverfladen til T -celler, hvide blodlegemer, der spiller en central rolle i udløsningen af ​​et beskyttende immunrespons. T -cellerne, på tur, hjælpe B -celler med at producere antistoffer mod et målantigen.

For at teste alle variabler korrekt de injicerede:1) det fulde vaccinkompleks 2) STV (antigen) alene 3) CpG (adjuvans) blandet med STV.

I løbet af 70 dage, gruppen fandt ud af, at mus immuniseret med det fulde vaccinkompleks udviklede et mere robust immunrespons op til 9 gange højere end CpG blandet med STV. Den pyramideformede struktur (tetraedrisk) genererede det største immunrespons. Ikke alene var immunrespons på vaccinkomplekset specifikt og effektivt, men også sikkert, som forskergruppen viste, ved hjælp af to uafhængige metoder, at ingen immunrespons udløste ved indførelse af DNA -platformen alene.

"Vi var meget tilfredse, "sagde Chang." Det var så dejligt at se resultaterne, som vi havde forudsagt. Mange gange i biologien ser vi det ikke. "

Med evnen til at målrette mod specifikke immunceller for at generere et respons, teamet er begejstrede for udsigterne til denne nye platform. De forestiller sig applikationer, hvor de kan udvikle vacciner, der kræver flere komponenter, eller tilpasse deres mål for at skræddersy immunresponset.

Desuden, der er potentiale til at udvikle målrettet terapi på lignende måde som nogle af den nye generation af kræftlægemidler.

Samlet set, selvom DNA -feltet stadig er ungt, forskningen skrider frem i et voldsomt tempo mod translationel videnskab, der har indflydelse på sundhedsplejen, elektronik, og andre applikationer.

Mens Chang og Yan er enige om, at der stadig er meget plads til at undersøge manipulation og optimering af nanoteknologien, det har også et stort løfte. "Med dette bevis på konceptet, rækkevidden af ​​antigener, som vi kunne bruge til udvikling af syntetisk vaccine, er virkelig ubegrænset, "sagde Chang.