Ingeniører bruger DNA-origami til at identificere regler for vaccinedesign

Ved at folde DNA til en viruslignende struktur, MIT-forskere har designet HIV-lignende partikler, der fremkalder et stærkt immunrespons fra menneskelige immunceller dyrket i en laboratoriefad. Sådanne partikler kan i sidste ende blive brugt som en HIV-vaccine.

DNA-partiklerne, som tæt efterligner størrelsen og formen af ​​vira, er belagt med HIV-proteiner, eller antigener, arrangeret i præcise mønstre designet til at fremkalde et stærkt immunrespons. Forskerne arbejder nu på at tilpasse denne tilgang til at udvikle en potentiel vaccine mod SARS-CoV-2, og de forventer, at det kan virke for en lang række virussygdomme.

"De grove designregler, der begynder at komme ud af dette arbejde, bør være generisk anvendelige på tværs af sygdomsantigener og sygdomme, " siger Darrell Irvine, hvem er Underwood-Prescott-professor med ansættelser i afdelingerne for Biologisk Engineering og Materials Science and Engineering; en associeret direktør for MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research; og medlem af Ragon Institute of MGH, MIT, og Harvard.

Irvine og Mark Bathe, en MIT-professor i biologisk ingeniørvidenskab og et associeret medlem af Broad Institute of MIT og Harvard, er de ledende forfattere af undersøgelsen, som vises i dag i Natur nanoteknologi. Avisens hovedforfattere er tidligere MIT postdocs Rémi Veneziano og Tyson Moyer.

DNA design

Fordi DNA-molekyler er meget programmerbare, videnskabsmænd har arbejdet siden 1980'erne på metoder til at designe DNA-molekyler, der kunne bruges til medicinafgivelse og mange andre applikationer, senest ved at bruge en teknik kaldet DNA-origami, der blev opfundet i 2006 af Paul Rothemund fra Caltech.

I 2016 Bathes laboratorium udviklede en algoritme, der automatisk kan designe og bygge vilkårlige tredimensionelle viruslignende former ved hjælp af DNA-origami. Denne metode giver præcis kontrol over strukturen af ​​syntetisk DNA, giver forskere mulighed for at vedhæfte en række forskellige molekyler, såsom virale antigener, på bestemte steder.

"DNA-strukturen er som en pegboard, hvor antigenerne kan fæstnes i enhver position, " siger Bathe. "Disse viruslignende partikler har nu gjort os i stand til at afsløre grundlæggende molekylære principper for immuncellegenkendelse for første gang."

Naturlige vira er nanopartikler med antigener opstillet på partikeloverfladen, og det menes, at immunsystemet (især B-celler) har udviklet sig til effektivt at genkende sådanne partikelformige antigener. Vacciner udvikles nu til at efterligne naturlige virale strukturer, og sådanne nanopartikelvacciner menes at være meget effektive til at producere en B-celle immunrespons, fordi de har den rigtige størrelse til at blive transporteret til lymfekarrene, som sender dem direkte til B-celler, der venter i lymfeknuderne. Partiklerne har også den rigtige størrelse til at interagere med B-celler og kan præsentere en tæt række af virale partikler.

Imidlertid, at bestemme den rigtige partikelstørrelse, afstand mellem antigener, og antallet af antigener pr. partikel for optimalt at stimulere B-celler (som binder sig til målantigener gennem deres B-cellereceptorer) har været en udfordring. Bathe og Irvine satte sig for at bruge disse DNA-stilladser til at efterligne sådanne virus- og vaccinepartikelstrukturer, i håb om at opdage de bedste partikeldesigns til B-celleaktivering.

"Der er stor interesse for brugen af ​​viruslignende partikelstrukturer, hvor du tager et vaccineantigen og arrayerer det på overfladen af ​​en partikel, at drive optimale B-celle-responser, " siger Irvine. "Men, reglerne for, hvordan man designer den skærm, er virkelig ikke velforståede."

Andre forskere har forsøgt at skabe underenhedsvacciner ved hjælp af andre slags syntetiske partikler, såsom polymerer, liposomer, eller selvsamlende proteiner, men med de materialer, det er ikke muligt at kontrollere placeringen af ​​virale proteiner så præcist som med DNA-origami.

Til denne undersøgelse, forskerne designede icosaedriske partikler med samme størrelse og form som en typisk virus. De vedhæftede et konstrueret HIV-antigen relateret til gp120-proteinet til stilladset i en række forskellige afstande og tætheder. Til deres overraskelse, de fandt ud af, at de vacciner, der producerede det stærkeste respons B-celle-respons, ikke nødvendigvis var dem, der pakkede antigenerne så tæt som muligt på stilladsets overflade.

"Det antages ofte, at jo højere antigen-densiteten er, des bedre, med tanken om, at det at bringe B-celle-receptorer så tæt sammen som muligt er det, der driver signalering. Imidlertid, forsøgsresultatet, hvilket var meget tydeligt, var, at den tættest mulige afstand, vi kunne lave, ikke var den bedste. Og, og når du udvider afstanden mellem to antigener, signalering øget, " siger Irvine.

Resultaterne fra denne undersøgelse har potentialet til at vejlede udviklingen af ​​HIV-vaccine, da HIV-antigenet brugt i disse undersøgelser i øjeblikket testes i et klinisk forsøg med mennesker, ved hjælp af et protein nanopartikel stillads.

Baseret på deres data, MIT-forskerne arbejdede med Jayajit Das, professor i immunologi og mikrobiologi ved Ohio State University, at udvikle en model til at forklare, hvorfor større afstande mellem antigener giver bedre resultater. Når antigener binder til receptorer på overfladen af ​​B-celler, de aktiverede receptorer tværbinder med hinanden inde i cellen, forbedre deres respons. Imidlertid, modellen antyder, at hvis antigenerne er for tæt på hinanden, denne respons er formindsket.

Ud over HIV

I de seneste måneder har Bathes laboratorium har skabt en variant af denne vaccine med Aaron Schmidt og Daniel Lingwood laboratorier på Ragon Institute, hvor de byttede HIV-antigenerne ud med et protein fundet på overfladen af ​​SARS-CoV-2-virus. De tester nu, om denne vaccine vil give en effektiv respons mod coronavirus SARS-CoV-2 i isolerede B-celler, og i mus.

"Vores platformsteknologi giver dig mulighed for nemt at udskifte forskellige underenhedsantigener og peptider fra forskellige typer vira for at teste, om de potentielt kan fungere som vacciner, " siger Bade.

Fordi denne tilgang tillader, at antigener fra forskellige vira kan transporteres på det samme DNA-stillads, det kunne være muligt at designe varianter, der retter sig mod flere typer af coronavirus, herunder tidligere og potentielt fremtidige varianter, der kan dukke op, siger forskerne.