Disse køleskabsfrie COVID-19-vacciner dyrkes i planter og bakterier

Nanoingeniører ved University of California San Diego har udviklet COVID-19-vaccinekandidater, der kan tage varmen. Deres nøgleingredienser? Virus fra planter eller bakterier.

De nye køleskabsfrie COVID-19-vacciner er stadig i det tidlige udviklingsstadium. Hos mus, vaccinekandidaterne udløste høj produktion af neutraliserende antistoffer mod SARS-CoV-2, virus, der forårsager COVID-19. Hvis de viser sig at være sikre og effektive hos mennesker, Vaccinerne kan være en stor game changer for den globale distributionsindsats, herunder dem i landdistrikter eller ressourcesvage samfund.

"Det spændende ved vores vaccineteknologi er, at den er termisk stabil, så det nemt kunne nå steder, hvor der opstilles frysere med ultralav temperatur, eller lade lastbiler køre rundt med disse frysere, vil ikke være muligt, " sagde Nicole Steinmetz, en professor i nanoengineering og direktør for Center for Nano-ImmunoEngineering ved UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Vaccinerne er beskrevet detaljeret i et papir offentliggjort 7. september i Journal of the American Chemical Society .

Forskerne skabte to COVID-19-vaccinekandidater. Den ene er lavet af en plantevirus, kaldet cowpea mosaik virus. Den anden er lavet af en bakteriel virus, eller bakteriofag, kaldet Q beta.

Begge vacciner blev fremstillet ved hjælp af lignende opskrifter. Forskerne brugte cowpea planter og E coli bakterier til at dyrke millioner af kopier af plantevirus og bakteriofag, henholdsvis, i form af kugleformede nanopartikler. Forskerne høstede disse nanopartikler og fastgjorde derefter et lille stykke af SARS-CoV-2-pigproteinet til overfladen. De færdige produkter ligner en smitsom virus, så immunsystemet kan genkende dem, men de er ikke smitsomme hos dyr og mennesker. Det lille stykke af spidsproteinet, der er knyttet til overfladen, er det, der stimulerer kroppen til at generere et immunrespons mod coronavirus.

Forskerne bemærker flere fordele ved at bruge plantevirus og bakteriofager til at lave deres vacciner. For en, de kan være nemme og billige at producere i stor skala. "At dyrke planter er relativt let og involverer infrastruktur, der ikke er for sofistikeret, " sagde Steinmetz. "Og fermentering ved hjælp af bakterier er allerede en etableret proces i den biofarmaceutiske industri."

En anden stor fordel er, at plantevirus og bakteriofag nanopartikler er ekstremt stabile ved høje temperaturer. Som resultat, Vaccinerne kan opbevares og sendes uden at skulle opbevares koldt. De kan også udsættes for fremstillingsprocesser, der bruger varme. Holdet bruger sådanne processer til at pakke deres vacciner ind i polymerimplantater og mikronåleplastre. Disse processer går ud på at blande vaccinekandidaterne med polymerer og smelte dem sammen i en ovn ved temperaturer tæt på 100 grader Celsius. At være i stand til direkte at blande plantevirus og bakteriofag nanopartikler med polymererne fra starten gør det nemt og ligetil at skabe vaccineimplantater og -plastre.

Målet er at give folk flere muligheder for at få en COVID-19-vaccine og gøre den mere tilgængelig. Implantaterne, som injiceres under huden og langsomt frigiver vaccine i løbet af en måned, skal kun administreres én gang. Og mikronålelapperne, som kan bæres på armen uden smerte eller ubehag, ville give folk mulighed for selv at administrere vaccinen.

"Tænk, hvis vaccineplastre kunne sendes til vores mest sårbare menneskers postkasser, i stedet for at få dem til at forlade deres hjem og risikere eksponering, " sagde Jon Pokorski, en professor i nanoingeniør ved UC San Diego Jacobs School of Engineering, hvis team udviklede teknologien til at lave implantaterne og mikronåleplastrene.

"Hvis klinikker kunne tilbyde et én-dosis implantat til dem, der ville have rigtig svært ved at klare deres andet skud, som ville tilbyde beskyttelse for flere af befolkningen, og vi kunne have en bedre chance for at bremse smitte, " tilføjede Pokorski, som også er et stiftende fakultetsmedlem af universitetets Institut for Materialeopdagelse og Design.

I test, holdets COVID-19-vaccinekandidater blev administreret til mus enten via implantater, mikronåle plastre, eller som en serie af to skud. Alle tre metoder producerede høje niveauer af neutraliserende antistoffer i blodet mod SARS-CoV-2.

Potentiel pan-coronavirus vaccine

De samme antistoffer neutraliserede også mod SARS-virussen, fandt forskerne.

Det hele kommer ned til stykket af coronavirus-spidsproteinet, der er knyttet til overfladen af ​​nanopartiklerne. En af disse stykker, som Steinmetz' team valgte, kaldet en epitop, er næsten identisk mellem SARS-CoV-2 og den originale SARS-virus.

"Det faktum, at neutralisering er så dyb med en epitop, der er så velbevaret blandt en anden dødbringende coronavirus, er bemærkelsesværdig, " sagde medforfatter Matthew Shin, en nanoingeniør Ph.D. studerende i Steinmetz' laboratorium. "Dette giver os håb om en potentiel pan-coronavirus-vaccine, der kan tilbyde beskyttelse mod fremtidige pandemier."

En anden fordel ved denne særlige epitop er, at den ikke er påvirket af nogen af ​​de SARS-CoV-2-mutationer, der hidtil er blevet rapporteret. Det skyldes, at denne epitop kommer fra en region af spidsproteinet, der ikke binder sig direkte til celler. Dette er forskelligt fra epitoperne i de aktuelt administrerede COVID-19-vacciner, som kommer fra spidsproteinets bindingsområde. Dette er et område, hvor mange af mutationerne er opstået. Og nogle af disse mutationer har gjort virussen mere smitsom.

Epitoper fra en ikke-bindende region er mindre tilbøjelige til at gennemgå disse mutationer, forklarede Oscar Ortega-Rivera, en postdoc-forsker i Steinmetz' laboratorium og undersøgelsens førsteforfatter. "Baseret på vores sekvensanalyser, epitopen, som vi valgte, er meget konserveret blandt SARS-CoV-2-varianterne."

Det betyder, at de nye COVID-19-vacciner potentielt kan være effektive mod de bekymringsvarianter, sagde Ortega-Rivera, og test er i gang for at se, hvilken effekt de har mod Delta-varianten, for eksempel.

Plug and play-vaccine

En anden ting, der gør Steinmetz virkelig begejstret for denne vaccineteknologi, er den alsidighed, den tilbyder til at lave nye vacciner. "Selv hvis denne teknologi ikke har en indvirkning på COVID-19, det kan hurtigt tilpasses til den næste trussel, den næste virus X, sagde Steinmetz.

Fremstilling af disse vacciner, hun siger, er "plug and play:" dyrke plantevirus eller bakteriofag nanopartikler fra planter eller bakterier, henholdsvis, vedhæft derefter et stykke af målviruset, patogen, eller biomarkør til overfladen.

"Vi bruger de samme nanopartikler, de samme polymerer, det samme udstyr, og den samme kemi til at sætte alt sammen. Den eneste variabel er virkelig antigenet, som vi klæber til overfladen, sagde Steinmetz.

De resulterende vacciner behøver ikke opbevares koldt. De kan pakkes ind i implantater eller mikronåleplastre. Eller, de kan administreres direkte på traditionel vis via skud.

Steinmetz og Pokorskis laboratorier har brugt denne opskrift i tidligere undersøgelser til at gøre vaccinekandidater mod sygdomme som HPV og kolesterol. Og nu har de vist, at det også virker til at gøre COVID-19-vaccinekandidater.

Næste skridt

Vaccinerne har stadig et stykke vej igen, før de kommer ind i kliniske forsøg. Bevæger sig fremad, holdet vil teste, om vaccinerne beskytter mod infektion fra COVID-19, såvel som dens varianter og andre dødelige coronavirus, in vivo.