De oorspronkelijke taak van de onderzoekers was om erachter te komen hoe bepaalde polymere nanomaterialen zorgden voor een laag-inflammatoire immuunrespons en toch in staat waren om de productie van antilichamen te stimuleren als onderdeel van een enkele dosis vaccin.

Toen ze eenmaal leerden hoe deze nanomaterialen, die slechts 20 tot 30 miljardste van een meter groot waren, als vaccinhulpmiddelen fungeerden, ze besloten de volgende wetenschappelijke stap te zetten.

Zouden deze zelfde kleine hulpstoffen real-world antigenen naar de B-cellen van het immuunsysteem kunnen dragen en ze kunnen veranderen in antilichaam-afscheidende fabrieken? In aanvulling, zou dit een alternatieve manier kunnen zijn om laboratoriumantilichamen te produceren voor diagnostische en therapeutische toepassingen?

De antwoorden waren ja. Celcultuurexperimenten met de techniek produceerden antilichamen tegen belangrijke antigenen van het coronavirus dat COVID-19 veroorzaakt en de bacterie die longpest veroorzaakt.

De eerste observatie en daaropvolgende ontdekking laten zien hoe onderzoekers verbonden aan het Nanovaccine Institute, gevestigd aan de Iowa State University, hun onderzoek vanuit vele perspectieven bekijken:

"Dit is een geweldig voorbeeld van het gezonde touwtrekken tussen een fundamentele onderzoeksbevinding over het mechanisme van antilichaamproductie en een translationeel voordeel dat we mogelijk een nieuw antilichaamproductieplatform hebben uitgevonden, " zei Balaji Narasimhan, de directeur van het Nanovaccin Instituut, een Iowa State Anson Marston Distinguished Professor in Engineering en de Vlasta Klima Balloun Faculty Chair. "Het Nanovaccin Institute brandt beide kanten van die kaars."

Het journaal wetenschappelijke vooruitgang publiceerden onlangs de bevindingen van de onderzoekers. Eerste auteur is Sujata Senapati, een voormalige doctoraatsstudent in de staat Iowa in chemische en biologische technologie. Corresponderende auteurs zijn Narasimhan en Surya Mallapragada, een Iowa State Anson Marston Distinguished Professor in Engineering, een associate vice-president voor onderzoek en de Carol Vohs Johnson-leerstoel in chemische en biologische technologie. (Zie zijbalk voor het volledige onderzoeksteam.)

Subsidies van het National Institute of Allergy and Infectious Diseases, een onderdeel van de National Institutes of Health, ondersteunde het werk van de onderzoekers.

Het is als een ladder

Het was de onderzoekers duidelijk dat deze nanomaterialen - "pentablokcopolymeermicellen, "Volgens het artikel van de onderzoekers hielpen B-cellen de productie van antilichamen op gang te brengen. (Micellen zijn structuren die zichzelf assembleren in water of oliën terwijl hun moleculen op één lijn liggen vanwege hun waterminnende of water-hatende eigenschappen.)

"Van onze studies we begrepen al heel vroeg dat deze zelf-assemblerende micellen verschillen van de andere soorten hulpstoffen die er zijn, " zei Senapati. "Wat we niet wisten, was de reden achter dit unieke type immuunrespons dat door hen werd gegenereerd en dat was voor mij het meest intrigerende deel van dit project."

Mallapragada zei dat de onderzoekers de chemie van de nanomaterialen konden aanpassen, het creëren van "micellen met toegevoegde functionaliteit."

Een van die functies is het vermogen van positief geladen micellen om te associëren met meerdere antigenen en direct te interageren met receptoren op B-cellen, volgens het papier. Deze verknoping van de B-celreceptoren leidde tot een betere productie van antilichamen en een verhoogde immuunrespons op een vaccin.

"Deze micellen werken als een stellage om twee receptoren te verknopen, " zei Michael Wannemühler, een associate director van het Nanovaccine Institute en een hoogleraar veterinaire microbiologie en preventieve geneeskunde in Iowa State.

Hij zei dat de crosslink sterk en stabiel is, als een ladder die aan beide uiteinden is vastgehaakt, en is effectief bij het stimuleren van antilichaamproductie door de B-cellen.

Die cellulaire activering kwam zonder de ontstekingsreactie die gepaard gaat met andere vaccinadjuvantia, mogelijk een "precies juiste" immuunrespons produceren die "van cruciaal belang zou kunnen zijn in het rationele ontwerp van vaccins voor oudere volwassenen" die vaak lijden aan chronische ontstekingen, volgens het papier.

Laboratoriumantilichamen maken

Nu de onderzoekers het 'achter de schermen'-mechanisme van de antilichaamversterking van de micellen begrepen, Senapati zei dat ze wilden zien wat ze nog meer konden vinden.

"De volgende voor de hand liggende stap was om onze hypothese te testen met antigenen van enkele echte pathogenen en te kijken of deze micellen mogelijk zouden kunnen worden gebruikt om antilichamen tegen hen te produceren, " ze zei.

Ze gebruikten de micelsteigers om antigenen voor SARS-CoV-2 te presenteren, het virus dat COVID-19 veroorzaakt, en Yersinia pestis, de bacterie die longpest veroorzaakt, naar B-cellen in kweek.

Die cellen begonnen "hoeveelheden therapeutische antilichamen" op laboratoriumschaal te genereren tegen de twee antigenen, "de waarde van deze nanomaterialen verder uitbreiden om snel tegenmaatregelen tegen infectieziekten te ontwikkelen, "volgens de krant.

Die antilichamen kunnen mogelijk worden gebruikt voor diagnostische testkits of voor behandelingen zoals de monoklonale antilichamen die zijn ontwikkeld om COVID-19 te behandelen, zei Wannemühler.

"Er zijn verschillende manieren om antilichamen aan te maken, " Zei Narasimhan. "De methode die we hebben gevonden is een alternatief dat behoorlijk krachtig zou kunnen zijn als het wordt gegeneraliseerd naar andere ziekten. Het zou een plug-and-play-platform kunnen zijn."

Omdat het een effectieve vaccinadjuvans en antilichaamproducent is, de krant zegt dat het door het onderzoeksteam ontwikkelde nanomateriaalplatform "een zeer veelzijdig hulpmiddel is bij de ontwikkeling van meerdere tegenmaatregelen tegen opkomende en opnieuw opduikende infectieziekten."