In een zoektocht om veiligere en effectievere vaccins te maken, wetenschappers van het Biodesign Institute van de Arizona State University hebben zich tot een veelbelovend gebied gewend, genaamd DNA-nanotechnologie, om een ​​geheel nieuwe klasse synthetische vaccins te maken.

In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , Biodesign-immunoloog Yung Chang bundelde de krachten met haar collega's, waaronder DNA-nanotechnologie-innovator Hao Yan, om het eerste vaccincomplex te ontwikkelen dat veilig en effectief kan worden afgeleverd door mee te liften op zelf-geassembleerde, driedimensionale DNA-nanostructuren.

"Toen Hao DNA niet als genetisch materiaal behandelde, maar als steigermateriaal, dat deed me denken aan mogelijke toepassingen in de immunologie, " zei Chang, een universitair hoofddocent aan de School of Life Sciences en een onderzoeker in het Centrum voor Infectieziekten en Vaccinologie van het Biodesign Institute. "Dit bood een geweldige kans om te proberen deze DNA-steigers te gebruiken om een ​​synthetisch vaccin te maken."

"De grootste zorg was:is het veilig? We wilden de assemblage van moleculen nabootsen die een veilige en krachtige immuunrespons in het lichaam kunnen veroorzaken. Aangezien het team van Hao de afgelopen jaren een verscheidenheid aan interessante DNA-nanostructuren heeft ontwikkeld, we werken steeds meer samen met als doel enkele veelbelovende toepassingen van deze technologie voor de menselijke gezondheid verder te onderzoeken."

De leden van het multidisciplinaire kernonderzoeksteam waren ook:ASU-student scheikunde en biochemie en eerste auteur Xiaowei Liu, gasthoogleraar Yang Xu, assistent-professor scheikunde en biochemie Yan Liu, School of Life Sciences undergraduate Craig Clifford en Tao Yu, bezoekende afgestudeerde student van Sichuan University.

Chang wijst erop dat vaccins hebben geleid tot enkele van de meest effectieve triomfen op het gebied van de volksgezondheid in de hele geneeskunde. De state-of-the-art in de ontwikkeling van vaccins is gebaseerd op genetische manipulatie om het immuunsysteem stimulerende eiwitten te assembleren tot virusachtige deeltjes (VLP's) die de structuur van natuurlijke virussen nabootsen --- minus de schadelijke genetische componenten die ziekte veroorzaken.

DNA-nanotechnologie, waar de molecule van het leven kan worden samengevoegd tot 2D- en 3D-vormen, heeft het voordeel dat het een programmeerbaar systeem is dat moleculen precies kan organiseren om de acties van natuurlijke moleculen in het lichaam na te bootsen.

"We wilden verschillende maten en vormen van DNA-nanostructuren testen en er moleculen aan hechten om te zien of ze een immuunrespons konden veroorzaken, " zei Jan, de Milton D. Glick Distinguished Chair in de afdeling Scheikunde en Biochemie en onderzoeker in het Biodesign Center for Single Molecule Biophysics. Met hun biomimicry-aanpak, de vaccincomplexen die ze testten, leken qua grootte en vorm sterk op natuurlijke virale deeltjes.

Als proof-of-concept, ze bonden aan afzonderlijke piramidevormige en vertakte DNA-structuren een model immuunstimulerend eiwit genaamd streptavidine (STV) en een immuunresponsversterkende verbinding genaamd een adjuvans (CpG-oligo-deoxynucletiden) om hun synthetische vaccincomplexen te maken.

Eerst, de groep moest bewijzen dat de doelcellen de nanostructuren konden opslokken. Door een lichtgevend tracermolecuul aan de nanostructuren te hechten, ze vonden dat de nanostructuren comfortabel in het juiste compartiment van de cellen verbleven en enkele uren stabiel waren - lang genoeg om een ​​immuuncascade in gang te zetten.

Volgende, in een muisuitdaging, ze richtten zich op de levering van hun vaccinlading op cellen die als eerste reageren bij het initiëren van een effectieve immuunrespons, coördineren van interactie van belangrijke componenten, zoals:antigeenpresenterende cellen, inclusief macrofagen, dendritische cellen en B-cellen. Nadat de lading in de cel is geïnternaliseerd, ze worden verwerkt en "weergegeven" op het celoppervlak naar T-cellen, witte bloedcellen die een centrale rol spelen bij het opwekken van een beschermende immuunrespons. De T-cellen, beurtelings, helpen B-cellen bij het produceren van antilichamen tegen een doelantigeen.

Om alle variabelen goed te testen, ze injecteerden:1) het volledige vaccincomplex 2) STV (antigeen) alleen 3) het CpG (adjuvans) gemengd met STV.

In de loop van 70 dagen, de groep ontdekte dat muizen die waren geïmmuniseerd met het volledige vaccincomplex een robuustere immuunrespons ontwikkelden die tot 9 keer hoger was dan de CpG gemengd met STV. De piramide (tetraëdrische) structuur genereerde de grootste immuunrespons. Niet alleen was de immuunrespons op het vaccincomplex specifiek en effectief, maar ook veilig zoals het onderzoeksteam liet zien, met behulp van twee onafhankelijke methoden, dat er geen immuunrespons werd opgewekt door alleen het DNA-platform te introduceren.

"Wij waren zeer tevreden, " zei Chang. "Het was zo leuk om de resultaten te zien zoals we hadden voorspeld. In de biologie zien we dat vaak niet."

Met het vermogen om zich op specifieke immuuncellen te richten om een ​​reactie te genereren, het team is enthousiast over de vooruitzichten van dit nieuwe platform. Ze bedenken toepassingen waar ze vaccins kunnen ontwikkelen waarvoor meerdere componenten nodig zijn, of hun doelen aanpassen om de immuunrespons aan te passen.

Verder, er is het potentieel om gerichte therapieën te ontwikkelen op een vergelijkbare manier als sommige van de nieuwe generatie kankermedicijnen.

Algemeen, hoewel het veld van DNA nog jong is, het onderzoek vordert in een razend tempo in de richting van translationele wetenschap die een impact heeft op de gezondheidszorg, elektronica, en andere toepassingen.

Hoewel Chang en Yan het erover eens zijn dat er nog veel ruimte is om de manipulatie en optimalisatie van de nanotechnologie te onderzoeken, het houdt ook een grote belofte in. "Met dit proof of concept, de reeks antigenen die we zouden kunnen gebruiken voor de ontwikkeling van synthetische vaccins is echt onbeperkt, " zei Chang.