Nano-ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben COVID-19-vaccinkandidaten ontwikkeld die tegen de hitte kunnen. Hun belangrijkste ingrediënten? Virussen van planten of bacteriën.

De nieuwe koelkastvrije COVID-19-vaccins bevinden zich nog in de beginfase van ontwikkeling. In muizen, de vaccinkandidaten veroorzaakten een hoge productie van neutraliserende antilichamen tegen SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt. Als ze veilig en effectief blijken te zijn bij mensen, de vaccins kunnen een grote game changer zijn voor wereldwijde distributie-inspanningen, inclusief die in landelijke gebieden of arme gemeenschappen.

"Het opwindende aan onze vaccintechnologie is dat deze thermisch stabiel is, zodat het gemakkelijk plaatsen kan bereiken waar diepvriezers met ultralage temperaturen worden opgesteld, of vrachtwagens laten rondrijden met deze vriezers, gaat niet lukken, " zei Nicole Steinmetz, een professor in nano-engineering en de directeur van het Center for Nano-ImmunoEngineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

De vaccins worden gedetailleerd beschreven in een paper gepubliceerd op 7 september in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De onderzoekers creëerden twee COVID-19-vaccinkandidaten. De ene is gemaakt van een plantenvirus, cowpea-mozaïekvirus genoemd. De andere is gemaakt van een bacterieel virus, of bacteriofaag, Q-bèta genoemd.

Beide vaccins zijn gemaakt met vergelijkbare recepten. De onderzoekers gebruikten cowpea-planten en E coli bacteriën om miljoenen kopieën van het plantenvirus en bacteriofaag te laten groeien, respectievelijk, in de vorm van bolvormige nanodeeltjes. De onderzoekers verzamelden deze nanodeeltjes en bevestigden vervolgens een klein stukje van het SARS-CoV-2 spike-eiwit aan het oppervlak. De afgewerkte producten zien eruit als een besmettelijk virus, zodat het immuunsysteem ze kan herkennen, maar ze zijn niet besmettelijk bij dieren en mensen. Het kleine stukje van het spike-eiwit dat aan het oppervlak is bevestigd, stimuleert het lichaam om een ​​​​immuunreactie tegen het coronavirus op te wekken.

De onderzoekers merken verschillende voordelen op van het gebruik van plantenvirussen en bacteriofagen om hun vaccins te maken. Voor een, ze kunnen gemakkelijk en goedkoop op grote schaal worden geproduceerd. "Het kweken van planten is relatief eenvoudig en vereist een niet al te geavanceerde infrastructuur, " zei Steinmetz. "En fermentatie met behulp van bacteriën is al een gevestigd proces in de biofarmaceutische industrie."

Een ander groot voordeel is dat het plantenvirus en de bacteriofaag nanodeeltjes extreem stabiel zijn bij hoge temperaturen. Als resultaat, de vaccins kunnen worden opgeslagen en verzonden zonder dat ze gekoeld hoeven te worden bewaard. Ze kunnen ook fabricageprocessen ondergaan waarbij warmte wordt gebruikt. Het team gebruikt dergelijke processen om hun vaccins te verpakken in polymeerimplantaten en micronaaldpleisters. Deze processen omvatten het mengen van de vaccinkandidaten met polymeren en het samensmelten ervan in een oven bij temperaturen rond de 100 graden Celsius. Doordat het plantenvirus en de bacteriofaag-nanodeeltjes vanaf het begin direct met de polymeren kunnen worden gemengd, is het gemakkelijk en ongecompliceerd om vaccinimplantaten en pleisters te maken.

Het doel is om mensen meer mogelijkheden te geven om een ​​COVID-19-vaccin te krijgen en het toegankelijker te maken. de implantaten, die onder de huid worden geïnjecteerd en het vaccin in de loop van een maand langzaam afgeven, hoeft maar één keer te worden toegediend. En de micronaaldpleisters, die zonder pijn of ongemak op de arm kan worden gedragen, mensen in staat zou stellen het vaccin zelf toe te dienen.

"Stel je voor dat vaccinpatches naar de brievenbussen van onze meest kwetsbare mensen zouden kunnen worden gestuurd, in plaats van dat ze hun huis verlaten en risico lopen op blootstelling, " zei Jon Pokorski, een professor in nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering, wiens team de technologie ontwikkelde om de implantaten en micronaaldpleisters te maken.

"Als klinieken een implantaat met één dosis zouden kunnen aanbieden aan degenen die het heel moeilijk zouden hebben om hun tweede injectie te halen, dat zou bescherming bieden aan een groter deel van de bevolking en we zouden een betere kans hebben om de overdracht in te dammen, " voegde Pokorski eraan toe, die ook een van de oprichters van de faculteit is van het Institute for Materials Discovery and Design van de universiteit.

Bij testen, de COVID-19-vaccinkandidaten van het team werden via implantaten aan muizen toegediend, micronaald flarden, of als een reeks van twee opnamen. Alle drie de methoden produceerden hoge niveaus van neutraliserende antilichamen in het bloed tegen SARS-CoV-2.

Potentieel pan-coronavirusvaccin

Deze zelfde antilichamen neutraliseerden ook tegen het SARS-virus, vonden de onderzoekers.

Het komt allemaal neer op het stukje van het coronavirus spike-eiwit dat aan het oppervlak van de nanodeeltjes is bevestigd. Een van deze stukken die het team van Steinmetz koos, een epitoop genoemd, is bijna identiek tussen SARS-CoV-2 en het oorspronkelijke SARS-virus.

"Het feit dat neutralisatie zo diepgaand is met een epitoop dat zo goed geconserveerd is onder een ander dodelijk coronavirus, is opmerkelijk, " zei co-auteur Matthew Shin, een nano-engineering Ph.D. student in het laboratorium van Steinmetz. "Dit geeft ons hoop op een potentieel pan-coronavirusvaccin dat bescherming zou kunnen bieden tegen toekomstige pandemieën."

Een ander voordeel van dit specifieke epitoop is dat het niet wordt beïnvloed door een van de SARS-CoV-2-mutaties die tot nu toe zijn gemeld. Dat komt omdat dit epitoop afkomstig is uit een gebied van het spike-eiwit dat niet direct aan cellen bindt. Dit is anders dan de epitopen in de momenteel toegediende COVID-19-vaccins, die afkomstig zijn van het bindingsgebied van het spike-eiwit. Dit is een regio waar veel van de mutaties zijn opgetreden. En sommige van deze mutaties hebben het virus besmettelijker gemaakt.

Epitopen uit een niet-bindend gebied ondergaan deze mutaties minder snel, verklaarde Oscar Ortega-Rivera, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Steinmetz en de eerste auteur van de studie. "Op basis van onze sequentieanalyses, het epitoop dat we hebben gekozen, is sterk geconserveerd onder de SARS-CoV-2-varianten."

Dit betekent dat de nieuwe COVID-19-vaccins mogelijk effectief kunnen zijn tegen de varianten van zorg, zei Ortega-Rivera, en er wordt momenteel getest welk effect ze hebben op de Delta-variant, bijvoorbeeld.

Plug en play vaccin

Een ander ding dat Steinmetz erg enthousiast maakt over deze vaccintechnologie, is de veelzijdigheid die het biedt om nieuwe vaccins te maken. "Zelfs als deze technologie geen impact heeft op COVID-19, het kan snel worden aangepast voor de volgende dreiging, het volgende virus X, ' zei Steinmetz.

Het maken van deze vaccins, ze zegt, is "plug and play:" kweek plantenvirus of bacteriofaag nanodeeltjes uit planten of bacteriën, respectievelijk, bevestig dan een stuk van het doelvirus, pathogeen, of biomarker naar het oppervlak.

"We gebruiken dezelfde nanodeeltjes, dezelfde polymeren, dezelfde apparatuur, en dezelfde chemie om alles samen te voegen. De enige variabele is eigenlijk het antigeen dat we aan het oppervlak plakken, ' zei Steinmetz.

De resulterende vaccins hoeven niet koud te worden bewaard. Ze kunnen worden verpakt in implantaten of micronaaldpleisters. Of, ze kunnen direct op de traditionele manier worden toegediend via shots.

De laboratoria van Steinmetz en Pokorski hebben dit recept in eerdere onderzoeken gebruikt om kandidaat-vaccins te maken voor ziekten zoals HPV en cholesterol. En nu hebben ze aangetoond dat het ook werkt voor het maken van COVID-19-vaccinkandidaten.

Volgende stappen

De vaccins hebben nog een lange weg te gaan voordat ze in klinische proeven komen. Vooruit gaan, het team zal testen of de vaccins beschermen tegen infectie door COVID-19, evenals zijn varianten en andere dodelijke coronavirussen, in levende lijve.