Forskere programmerer RNA-nanopartikler, der kan beskytte mod Zika

Ved at bruge en ny strategi, der hurtigt kan generere skræddersyede RNA-vacciner, MIT-forskere har udtænkt en ny vaccinekandidat mod Zika-virus.

Vaccinen består af strenge af genetisk materiale kendt som messenger RNA, som er pakket ind i en nanopartikel, der leverer RNA'et ind i celler. En gang inde i celler, RNA'et oversættes til proteiner, der fremkalder et immunrespons fra værten, men RNA'et integrerer ikke sig selv i værtsgenomet, gør det potentielt sikrere end en DNA-vaccine eller vaccination med selve virussen.

"Det fungerer næsten som en syntetisk virus, bortset fra at det ikke er sygdomsfremkaldende og det spreder sig ikke, " siger Omar Khan, en postdoc ved MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research og en forfatter til det nye studie. "Vi kan kontrollere, hvor længe det bliver udtrykt, og det er RNA, så det vil aldrig integreres i værtsgenomet."

Denne forskning gav også et nyt benchmark til evaluering af effektiviteten af ​​andre Zika-vaccinekandidater, som kunne hjælpe andre, der arbejder hen imod samme mål.

Jasdave Chahal, en postdoc ved MIT's Whitehead Institute for Biomedical Research, er avisens første forfatter, som optræder i Videnskabelige rapporter . Avisens seniorforfatter er Hidde Ploegh, en tidligere MIT-biologiprofessor og Whitehead Institute-medlem, som nu er seniorforsker i programmet i cellulær og molekylær medicin på Boston Children's Hospital.

Andre forfattere af papiret er Tao Fang og Andrew Woodham, begge tidligere Whitehead Institute postdocs i Ploegh lab; Jingjing Ling, en MIT -kandidatstuderende; og Daniel Anderson, en lektor i MIT's Institut for Kemiteknik og medlem af Koch Institute og MIT's Institute for Medical Engineering and Science (IMES).

Programmerbare vacciner

MIT-teamet rapporterede først sin nye tilgang til programmerbare RNA-vacciner sidste år. RNA-vacciner er tiltalende, fordi de inducerer værtsceller til at producere mange kopier af de proteiner, der kodes af RNA. Dette fremkalder en stærkere immunreaktion, end hvis proteinerne blev administreret alene. Imidlertid, at finde en sikker og effektiv måde at levere disse vacciner på har vist sig at være udfordrende.

Forskerne udtænkte en tilgang, hvor de pakker RNA-sekvenser ind i en nanopartikel lavet af et forgrenet molekyle, der er baseret på fraktale mønstrede dendrimerer. Denne modificerede-dendrimer-RNA-struktur kan induceres til at folde sig selv mange gange, producerer en sfærisk partikel på omkring 150 nanometer i diameter. Dette svarer i størrelse til en typisk virus, tillader partiklerne at komme ind i celler gennem de samme virale indgangsmekanismer. I deres papir fra 2016 forskerne brugte denne nanopartikelmetode til at generere eksperimentelle vacciner mod Ebola, H1N1 influenza, og parasitten Toxoplasma gondii.

I den nye undersøgelse, forskerne tacklede Zika -virus, der opstod som en epidemi centreret i Brasilien i 2015 og siden har spredt sig rundt om i verden, forårsager alvorlige fødselsdefekter hos babyer født af inficerede mødre. Da MIT-metoden ikke kræver arbejde med selve virussen, forskerne mener, at de måske er i stand til at udforske potentielle vacciner hurtigere end forskere, der forfølger en mere traditionel tilgang.

I stedet for at bruge virale proteiner eller svækkede former af virussen som vacciner, hvilke er de mest almindelige strategier, forskerne programmerede simpelthen deres RNA-nanopartikler med de sekvenser, der koder for Zika-virusproteiner. Når den er injiceret i kroppen, disse molekyler replikerer sig selv inde i celler og instruerer celler til at producere de virale proteiner.

Hele processen med at designe, producerer, og at teste vaccinen i mus tog mindre tid, end det tog for forskerne at få tilladelse til at arbejde med prøver af Zika-virus, som de til sidst fik.

"Det er det smukke ved det, " siger Chahal. "Når vi besluttede at gøre det, på to uger var vi klar til at vaccinere mus. Adgang til virus i sig selv var ikke nødvendig."

Måling af respons

Når man udvikler en vaccine, forskere sigter normalt efter at generere et svar fra begge arme af immunsystemet - den adaptive arm, medieret af T-celler og antistoffer, og den medfødte arm, hvilket er nødvendigt for at forstærke den adaptive respons. For at måle, om en eksperimentel vaccine har genereret et stærkt T-cellerespons, forskere kan fjerne T-celler fra kroppen og derefter måle, hvordan de reagerer på fragmenter af det virale protein.

Indtil nu, forskere, der arbejder på Zika-vacciner, har været nødt til at købe biblioteker med forskellige proteinfragmenter og derefter teste T-celler på dem, hvilket er en dyr og tidskrævende proces. Fordi MIT-forskerne kunne generere så mange T-celler fra deres vaccinerede mus, de var i stand til hurtigt at screene dem mod dette bibliotek. De identificerede en sekvens på otte aminosyrer, som de aktiverede T-celler i musen reagerer på. Nu hvor denne sekvens, også kaldet en epitop, er kendt, andre forskere kan bruge det til at teste deres egne eksperimentelle Zika-vacciner i de passende musemodeller.

"Vi kan syntetisk fremstille disse vacciner, der næsten er som at inficere nogen med den faktiske virus, og derefter generere et immunrespons og bruge dataene fra det svar til at hjælpe andre mennesker med at forudsige, om deres vacciner ville virke, hvis de binder til de samme epitoper, " siger Khan. Forskerne håber i sidste ende at kunne flytte deres Zika-vaccine til test på mennesker.

"Identifikationen og karakteriseringen af ​​CD8 T-celleepitoper i mus immuniseret med en Zika RNA-vaccine er en meget nyttig reference for alle dem, der arbejder inden for Zika-vaccineudvikling, siger Katja Fink, en hovedforsker ved A*STAR Singapore Immunology Network. "RNA-vacciner har fået meget opmærksomhed i de sidste par år, og mens det store gennembrud hos mennesker ikke er opnået endnu, teknologien lover at blive en fleksibel platform, der kan levere hurtige løsninger til nye vira. "

Fink, som ikke var involveret i forskningen, tilføjede, at de "indledende data er lovende, men den beskrevne Zika RNA-vaccinemetode kræver yderligere test for at bevise effektiviteten."

Et andet stort fokusområde for forskerne er kræftvacciner. Mange forskere arbejder på vacciner, der kan programmere en patients immunsystem til at angribe tumorceller, men for at gøre det, de skal vide, hvad vaccinen skal målrettes mod. Den nye MIT-strategi kunne give forskere mulighed for hurtigt at generere personlige RNA-vacciner baseret på den genetiske sekvens af en individuel patients tumorceller.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.