Nanosponzen die een gevaarlijk porievormend toxine opnemen dat wordt geproduceerd door MRSA (methicilline-resistente) Staphylococcus aureus ) zou kunnen dienen als een veilig en effectief vaccin tegen dit toxine. Dit "nanosponsvaccin" stelde het immuunsysteem van muizen in staat de nadelige effecten van het alfa-hemolysinetoxine van MRSA te blokkeren, zowel in de bloedbaan als op de huid. Nano-ingenieurs van de Universiteit van Californië, San Diego beschreef de veiligheid en werkzaamheid van dit nanosponsvaccin in het nummer van 1 december van: Natuur Nanotechnologie .

De nanosponzen aan de basis van het experimentele "toxoïde vaccin"-platform zijn biocompatibele deeltjes gemaakt van een polymeerkern gewikkeld in een rode-bloedcelmembraan. Het rode-bloedcelmembraan van elke nanospons grijpt en houdt de Staphylococcus aureus (stafylokok) toxine alfa-hemolysine zonder de structurele integriteit van het toxine in gevaar te brengen door verhitting of chemische verwerking. Deze met toxine bezaaide nanosponzen dienden als vaccins die neutraliserende antilichamen konden activeren en anders dodelijke doses van het toxine bij muizen konden afweren.

Toxoïde vaccins beschermen tegen een toxine of een reeks toxines, in plaats van het organisme dat de toxine(n) produceert. Naarmate het probleem van antibioticaresistentie verergert, Toxoïde vaccins bieden een veelbelovende aanpak om infecties te bestrijden zonder afhankelijk te zijn van antibiotica.

"Met ons toxoïdevaccin, we hoeven ons geen zorgen te maken over antibioticaresistentie. We richten ons direct op het alfa-hemolysine-toxine, " zei Liangfang Zhang, een professor in nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en de senior auteur van het papier. Het direct richten op het alfa-hemolysine-toxine heeft nog een ander voordeel. "Deze toxines creëren een giftige omgeving die dient als een afweermechanisme waardoor het voor het immuunsysteem moeilijker wordt om stafylokokbacteriën te bestrijden, " legde Zhang uit.

Naast MRSA en andere stafylokokbesmettingen, de benadering van het nanosponsvaccin zou kunnen worden gebruikt om vaccins te maken die beschermen tegen een breed scala aan toxines, inclusief die geproduceerd door E coli en H. pylori .

Dit werk van Zhang's Nanomaterials and Nanomedicine Laboratory aan de UC San Diego omvatte nano-engineering postdoctoraal onderzoeker Che-Ming "Jack" Hu, nano-engineering afgestudeerde student Ronnie Fang, en afgestudeerde bio-ingenieur Brian Luk.

De onderzoekers ontdekten dat hun nanosponsvaccin veilig en effectiever was dan toxoïdevaccins gemaakt van warmtebehandeld stafylokoktoxine. Na één injectie, slechts 10 procent van de met stafylokok geïnfecteerde muizen die werden behandeld met de verwarmde versie overleefde, vergeleken met 50 procent voor degenen die het nanosponsvaccin kregen. Met nog twee boosterschoten, overlevingspercentages met het nanosponsvaccin waren tot 100 procent, vergeleken met 90 procent met het warmtebehandelde toxine.

"Het nanosponsvaccin was ook in staat om de schade van het toxine in de huid volledig te voorkomen, waar vaak MRSA-infecties plaatsvinden, " zei Zhang, die ook is aangesloten bij het Moores Cancer Center van UC San Diego.

Vechten tegen porievormende gifstoffen

Dit werk is een draai aan een project dat de nano-ingenieurs van UC San Diego eerder dit jaar presenteerden:een nanospons die een verscheidenheid aan porievormende toxines - van bacteriële eiwitten tot slangengif - in het lichaam kan opzuigen.

Poriënvormende gifstoffen werken door gaten in het celmembraan te slaan en de cel in wezen dood te laten lekken. Maar wanneer gifstoffen het rode bloedcelmembraan aanvallen dat over het nanodeeltje is gedrapeerd, "Er zal niets gebeuren. Het sluit het gif daar gewoon af, ' legde Zhang uit.

De nano-ingenieurs vroegen zich af wat er zou gebeuren als ze een van hun nanosponzen op deze manier zouden laden met stafylokok, en presenteerde het hele pakket aan een essentieel onderdeel van het immuunsysteem, dendritische cellen genaamd. Kunnen de geladen deeltjes een immuunrespons veroorzaken en werken als een toxoïde vaccin?

Stafylokoktoxine is zo krachtig dat het immuuncellen in zijn ongewijzigde vorm doodt. De meeste vaccinkandidaten, daarom, gebruik een hitte- of chemisch bewerkte versie van het toxine dat sommige van zijn eiwitten ontrafelt en het een beetje zwakker maakt. Maar dit proces maakt ook de immuunrespons op het toxine een beetje zwakker.

"Hoe meer je het verwarmt, hoe veiliger het toxine is, maar hoe meer je het verwarmt, hoe meer je de structuur van het eiwit beschadigt, " legde Zhang uit. "En deze structuur is wat de immuuncel herkent, en bouwt zijn antistoffen tegen."

Het nanospons-toxoïdvaccin omzeilt dit probleem door het stafylokoktoxine vast te houden, maar niet te veranderen. Als een gevaarlijke maar geboeide gevangene, het stafylokoktoxine kan zonder schade naar de dendritische cellen van het immuunsysteem worden geleid.

Voor dit, "there was no way you could deliver a native toxin to the immune cells without damaging the cells, " Zhang said. "But this technology allows us to do this."

Each vaccine particle is approximately 85 nanometers in diameter; for comparison, about 1000 of them would fit across the width of a single human hair. They are cleared from the body after injection in about two weeks, vonden de onderzoekers.

Staphylococcus aureus

Staph bacteria are one of the most common causes of skin infections, and can cause blood poisoning and surgical infections as well as pneumonia. Volgens de Centers for Disease Control and Prevention, about 80, 000 Americans suffer from invasive MRSA infections each year, and over 11, 000 of those individuals die. Momenteel, there are no vaccines approved to protect humans against the toxins associated with staph infections, including those caused by MRSA strains.

The idea for a staph vaccine came about when the researchers considered the success of their nanosponge. If the particle was so good at collecting toxins, they wondered, what were the potential uses of a particle full of toxin? "To be honest, we never thought about the vaccine use from the beginning, " Zhang noted. "But when we do research, we always want to look at a problem in reverse."

In a way, the toxoid vaccine hearkens back to their first use for the particles, as a cancer drug delivery device, Zhang noted.

The particles "work so beautifully, " Zhang said, that it might be possible to detain several toxins at once on them, creating "one vaccine against many types of pore-forming toxins, " from staph to snake venom.