Ingeniører designer programmerbare RNA-vacciner:Test i mus viser, at de virker mod ebola, influenza, og almindelig parasit

MIT-ingeniører har udviklet en ny type vaccine, der er let at tilpasse, og som kan fremstilles på en uge, gør det muligt hurtigt at implementere det som reaktion på sygdomsudbrud. Indtil nu, de har designet vacciner mod ebola, H1N1 influenza, og Toxoplasma gondii (en slægtning til parasitten, der forårsager malaria), som var 100 procent effektive i test på mus.

Vaccinen består af strenge af genetisk materiale kendt som messenger RNA, som kan designes til at kode for enhver viral, bakteriel, eller parasitisk protein. Disse molekyler pakkes derefter ind i et molekyle, der leverer RNA til celler, hvor det oversættes til proteiner, der fremkalder et immunrespons fra værten.

Ud over at målrette mod infektionssygdomme, forskerne bruger denne tilgang til at skabe kræftvacciner, der vil lære immunsystemet at genkende og ødelægge tumorer.

"Denne nanoformuleringstilgang giver os mulighed for at lave vacciner mod nye sygdomme på kun syv dage, giver mulighed for at håndtere pludselige udbrud eller foretage hurtige ændringer og forbedringer, siger Daniel Andersen, en lektor i MIT's Department of Chemical Engineering og medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research og Institute for Medical Engineering and Science (IMES).

Anderson er seniorforfatter til et papir, der beskriver de nye vacciner i Proceedings of the National Academy of Sciences ugen den 4. juli, 2016. Projektet blev ledet af Jasdave Chahal, en postdoc ved MIT's Whitehead Institute for Biomedical Research, og Omar Khan, en postdoc ved Koch Instituttet; begge er de første forfattere af papiret.

Skræddersyede vacciner

De fleste traditionelle vacciner består af en inaktiveret form af et virus eller et andet patogen. Disse vacciner tager normalt lang tid at fremstille, og for nogle sygdomme er de for risikable. Andre vacciner består af proteiner, der normalt produceres af mikroben, men disse inducerer ikke altid et stærkt immunrespons, kræver, at forskere søger en adjuvans (et kemikalie, der forbedrer responsen).

RNA-vacciner er tiltalende, fordi de får værtsceller til at producere mange kopier af de proteiner, de koder for, hvilket fremkalder en stærkere immunreaktion, end hvis proteinerne blev givet alene. Ideen om at bruge messenger-RNA-molekyler som vacciner har eksisteret i omkring 30 år, men en af ​​de største forhindringer har været at finde en sikker og effektiv måde at levere dem på.

Khan besluttede at pakke RNA-vacciner ind i en nanopartikel lavet af et forgrenet molekyle kendt som en dendrimer. En vigtig fordel ved dette materiale er, at forskerne kan give det en midlertidig positiv ladning, som tillader det at danne tætte forbindelser med RNA, som er negativt ladet. Khan kan også kontrollere størrelsen og mønsteret af den endelige struktur. Ved at inducere dendrimer-RNA-strukturen til at folde over sig selv mange gange, Khan genererede sfæriske vaccinepartikler med en diameter på omkring 150 nanometer. Det gør dem af samme størrelse som mange vira, gør det muligt for partiklerne at trænge ind i cellerne ved at udnytte de samme overfladeproteiner, som virus bruger til dette formål.

Ved at tilpasse RNA-sekvenserne, forskerne kan designe vacciner, der producerer næsten ethvert protein, de ønsker. RNA-molekylerne inkluderer også instruktioner til amplifikation af RNA'et, så cellen vil producere endnu mere af proteinet.

Vaccinen er designet til at blive leveret ved intramuskulær injektion, gør det nemt at administrere. Når partiklerne kommer ind i cellerne, RNA'et omsættes til proteiner, der frigives og stimulerer immunsystemet. Væsentligt, Vaccinerne var i stand til at stimulere begge arme af immunsystemet - et T-cellerespons og et antistofrespons.

I forsøg med mus, dyr, der fik en enkelt dosis af en af ​​vaccinerne, viste ingen symptomer efter eksponering for det virkelige patogen - ebola, H1N1 influenza, eller Toxoplasma gondii .

"Uanset hvilket antigen vi valgte, vi var i stand til at drive det fulde antistof- og T-celle-respons, " siger Khan.

Forskerne mener også, at deres vacciner ville være sikrere end DNA-vacciner, et andet alternativ, som videnskabsmænd forfølger, fordi i modsætning til DNA, RNA kan ikke integreres i værtsgenomet og forårsage mutationer.

"Muligheden for hurtigt at skabe en fuldstændig syntetisk formulering, der kan være effektiv som en vaccine, er en vigtig tilføjelse til de nuværende tilgængelige vaccinestrategier, " siger Hidde Ploegh, en MIT professor i biologi, medlem af Whitehead Institute, og en forfatter til avisen, som tilføjede, at det vil være vigtigt at vurdere sikkerhed og omkostninger.

Hurtig implementering

Evnen til hurtigt at designe og fremstille disse vacciner kan være særlig gavnlig til bekæmpelse af influenza, fordi den mest almindelige metode til fremstilling af influenzavaccine, som kræver, at vira dyrkes inde i hønseæg, tager måneder. Det betyder, at når en uventet influenza-belastning opstår, såsom den pandemi-fremkaldende H1N1-virus i 2009, der er ingen mulighed for hurtigt at fremstille en vaccine mod det.

"Typisk bliver en vaccine tilgængelig længe efter, at udbruddet er forbi, " siger Chahal. "Vi tror, ​​vi kan blive interventionelle i løbet af et rigtigt udbrud."

Khan og Chahal planlægger at starte et firma for at licensere og kommercialisere teknologien. Ud over de vacciner, de allerede har designet, de håber at skabe vacciner mod Zika-virus og Lyme-sygdom.

De arbejder også på kræftvacciner. Ved en nylig "Mission:Possible" konkurrence arrangeret af Koch Institute, Khan og Chahal var en del af et hold, der endte med at trække sig fra konkurrencen, fordi en ekstern finansierer, Advanced Medical Research Foundation, tilbudt at støtte dem.

Til det projekt, forskerne designet vacciner, der målretter mod gener, der normalt kun tændes under fosterudviklingen. Disse gener, hvilende hos voksne, bliver ofte reaktiveret i en form for kræft kendt som ikke-småcellede lungetumorer.

"Vi er alle begejstrede for potentialet i denne nye tilgang til at give en ny måde at levere vaccine på, " siger Robert Langer, David H. Koch Institute Professor ved MIT og forfatter til papiret.