Door DNA te vouwen tot een virusachtige structuur, MIT-onderzoekers hebben hiv-achtige deeltjes ontworpen die een sterke immuunrespons uitlokken van menselijke immuuncellen die in een laboratoriumschaal worden gekweekt. Dergelijke deeltjes kunnen uiteindelijk worden gebruikt als een HIV-vaccin.

De DNA-deeltjes, die de grootte en vorm van virussen nauw nabootsen, zijn bedekt met HIV-eiwitten, of antigenen, gerangschikt in precieze patronen die zijn ontworpen om een ​​sterke immuunrespons uit te lokken. De onderzoekers werken nu aan het aanpassen van deze aanpak om een ​​mogelijk vaccin voor SARS-CoV-2 te ontwikkelen, en ze verwachten dat het zou kunnen werken voor een breed scala aan virale ziekten.

"De ruwe ontwerpregels die uit dit werk beginnen te komen, moeten algemeen toepasbaar zijn op ziekte-antigenen en ziekten, " zegt Darrell Irvine, wie is de Underwood-Prescott Professor met benoemingen in de afdelingen Biological Engineering en Materials Science and Engineering; een associate director van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research; en lid van het Ragon Institute of MGH, MIT, en Harvard.

Irvine en Mark Baden, een MIT-professor biologische engineering en een geassocieerd lid van het Broad Institute of MIT en Harvard, zijn de senior auteurs van de studie, die vandaag verschijnt in Natuur Nanotechnologie. De hoofdauteurs van de paper zijn voormalig MIT-postdocs Rémi Veneziano en Tyson Moyer.

DNA-ontwerp

Omdat DNA-moleculen zeer programmeerbaar zijn, wetenschappers werken sinds de jaren tachtig aan methoden om DNA-moleculen te ontwerpen die kunnen worden gebruikt voor medicijnafgifte en vele andere toepassingen, meest recentelijk met behulp van een techniek genaamd DNA-origami die in 2006 werd uitgevonden door Paul Rothemund van Caltech.

in 2016, Bathe's lab ontwikkelde een algoritme dat automatisch willekeurige driedimensionale virusachtige vormen kan ontwerpen en bouwen met behulp van DNA-origami. Deze methode biedt nauwkeurige controle over de structuur van synthetisch DNA, waardoor onderzoekers een verscheidenheid aan moleculen kunnen hechten, zoals virale antigenen, op specifieke locaties.

"De DNA-structuur is als een pegboard waar de antigenen op elke positie kunnen worden bevestigd, " zegt Bathe. "Deze virusachtige deeltjes hebben ons nu in staat gesteld om voor het eerst fundamentele moleculaire principes van immuuncelherkenning te onthullen."

Natuurlijke virussen zijn nanodeeltjes met antigenen gerangschikt op het deeltjesoppervlak, en men denkt dat het immuunsysteem (vooral B-cellen) is geëvolueerd om dergelijke deeltjesvormige antigenen efficiënt te herkennen. Er worden nu vaccins ontwikkeld om natuurlijke virale structuren na te bootsen, en van dergelijke vaccins met nanodeeltjes wordt aangenomen dat ze zeer effectief zijn in het produceren van een immuunrespons van B-cellen, omdat ze de juiste grootte hebben om naar de lymfevaten te worden vervoerd, die ze rechtstreeks naar B-cellen sturen die in de lymfeklieren wachten. De deeltjes hebben ook de juiste grootte om te interageren met B-cellen en kunnen een dichte reeks virale deeltjes presenteren.

Echter, het bepalen van de juiste deeltjesgrootte, afstand tussen antigenen, en het aantal antigenen per deeltje om B-cellen optimaal te stimuleren (die via hun B-celreceptoren aan doelantigenen binden) was een uitdaging. Bathe en Irvine wilden deze DNA-steigers gebruiken om dergelijke virale en vaccindeeltjesstructuren na te bootsen, in de hoop de beste deeltjesontwerpen voor B-celactivering te ontdekken.

"Er is veel interesse in het gebruik van virusachtige deeltjesstructuren, waar je een vaccinantigeen neemt en het op het oppervlak van een deeltje plaatst, om optimale B-celreacties aan te sturen, "zegt Irvine. "Echter, de regels voor het ontwerpen van dat scherm zijn echt niet goed begrepen."

Andere onderzoekers hebben geprobeerd subeenheidvaccins te maken met behulp van andere soorten synthetische deeltjes, zoals polymeren, liposomen, of zelf-assemblerende eiwitten, maar met die materialen het is niet mogelijk om de plaatsing van virale eiwitten zo nauwkeurig te regelen als met DNA-origami.

Voor deze studie is de onderzoekers ontwierpen icosahedrale deeltjes met een vergelijkbare grootte en vorm als een typisch virus. Ze bevestigden een geconstrueerd HIV-antigeen dat verwant is aan het gp120-eiwit op verschillende afstanden en dichtheden aan de scaffold. Tot hun verbazing, ze ontdekten dat de vaccins die de sterkste respons op B-celreacties produceerden, niet noodzakelijk die waren die de antigenen zo dicht mogelijk op het oppervlak van de scaffold verpakten.

"Vaak wordt aangenomen dat hoe hoger de antigeendichtheid, des te beter, met het idee dat het zo dicht mogelijk bij elkaar brengen van B-celreceptoren de drijfveer is voor signalering. Echter, het experimentele resultaat, wat heel duidelijk was, was dat de kortst mogelijke afstand die we konden maken niet de beste was. En, en als je de afstand tussen twee antigenen vergroot, signalering verhoogd, ' zegt Irvine.

De bevindingen van deze studie hebben het potentieel om de ontwikkeling van hiv-vaccins te sturen, aangezien het hiv-antigeen dat in deze onderzoeken wordt gebruikt momenteel wordt getest in een klinische proef bij mensen, met behulp van een eiwit nanodeeltjes steiger.

Op basis van hun gegevens, de MIT-onderzoekers werkten samen met Jayajit Das, een professor in immunologie en microbiologie aan de Ohio State University, om een ​​model te ontwikkelen om te verklaren waarom grotere afstanden tussen antigenen betere resultaten opleveren. Wanneer antigenen binden aan receptoren op het oppervlak van B-cellen, de geactiveerde receptoren verknopen met elkaar in de cel, hun reactie versterken. Echter, het model suggereert dat als de antigenen te dicht bij elkaar liggen, deze reactie wordt minder.

Voorbij HIV

In de afgelopen maanden, Bathe's lab heeft een variant van dit vaccin gemaakt met de Aaron Schmidt en Daniel Lingwood labs van het Ragon Institute, waarin ze de hiv-antigenen verwisselden voor een eiwit dat op het oppervlak van het SARS-CoV-2-virus wordt gevonden. Ze testen nu of dit vaccin een effectieve reactie zal geven tegen het coronavirus SARS-CoV-2 in geïsoleerde B-cellen, en bij muizen.

"Onze platformtechnologie stelt u in staat om gemakkelijk verschillende subeenheidantigenen en peptiden van verschillende soorten virussen uit te wisselen om te testen of ze mogelijk functioneel kunnen zijn als vaccins, ' zegt Bath.

Omdat deze benadering het mogelijk maakt om antigenen van verschillende virussen op dezelfde DNA-steiger te dragen, het zou mogelijk kunnen zijn om varianten te ontwerpen die zich richten op meerdere soorten coronavirussen, inclusief eerdere en mogelijk toekomstige varianten die zich kunnen voordoen, zeggen de onderzoekers.