Створено комплексну синтетичну вакцину на основі молекул ДНК

У пошуках способів створення безпечніших та ефективніших вакцин, вчені з Інституту біодизайну при Університеті штату Аризона звернулися до перспективної галузі під назвою ДНК-нанотехнологія, щоб створити абсолютно новий тип синтетичної вакцини.

У дослідженні, опублікованому нещодавно в журналі Nano Letters, імунолог Юн Чанг з Інституту біоінженерії об'єднався з колегами, включаючи відомого ДНК-нанотехнолога Хао Яна, щоб синтезувати перший у світі вакцинний комплекс, який можна безпечно та ефективно доставляти до цільових ділянок шляхом розміщення на самозбірних тривимірних наноструктурах ДНК.

«Коли Хао запропонував розглядати ДНК не як генетичний матеріал, а як робочу платформу, у мене виникла ідея застосувати цей підхід до імунології», — каже Чанг, доцент Школи наук про життя та дослідник Центру інфекційних захворювань та вакцин Інституту біоінженерії. «Це дало б нам чудову можливість використовувати носії ДНК для створення синтетичної вакцини».

«Головне питання полягало в тому, чи безпечно це? Ми хотіли створити групу молекул, які могли б викликати безпечну та потужну імунну відповідь в організмі. Оскільки команда Хао протягом останніх кількох років розробляла різні наноструктури ДНК, ми почали співпрацювати, щоб знайти потенційні медичні застосування для цих структур».

Унікальність методу, запропонованого вченими з Аризони, полягає в тому, що носієм антигену є молекула ДНК.

До складу багатопрофільної дослідницької групи також входили аспірантка біохімії Університету Аризони та перший автор статті Сяовей Лю, професор Ян Сюй, викладач біохімії Ян Лю, студент Школи біологічних наук Крейг Кліффорд та Тао Ю, аспірантка Сичуанського університету в Китаї.

Чанг зазначає, що широке впровадження вакцинації призвело до одного з найважливіших тріумфів громадської охорони здоров'я. Мистецтво створення вакцин спирається на генну інженерію для створення вірусоподібних частинок з білків, що стимулюють імунну систему. Ці частинки за структурою схожі на справжні віруси, але не містять небезпечних генетичних компонентів, що викликають захворювання.

Важливою перевагою ДНК-нанотехнології, яка дозволяє надати біомолекулі дво- або тривимірну форму, є здатність створювати молекули за допомогою дуже точних методів, які можуть виконувати функції, типові для природних молекул в організмі.

«Ми експериментували з різними розмірами та формами наноструктур ДНК і додавали до них біомолекули, щоб побачити, як відреагує організм», – пояснює Ян, директор кафедри хімії та біохімії та дослідник Центру біофізики окремих молекул в Інституті біоінженерії. Завдяки підходу, який вчені називають «біомімікрією», вакцинні комплекси, які вони протестували, наближаються до розміру та форми природних вірусних частинок.

Щоб продемонструвати життєздатність своєї концепції, дослідники приєднали імуностимулюючий білок стрептавідин (STV) та імуностимулюючий препарат CpG олігодезоксинуклеотид до окремих пірамідальних розгалужених структур ДНК, що зрештою дозволило б їм отримати синтетичний вакцинний комплекс.

Спочатку команді потрібно було довести, що клітини-мішені можуть поглинати наноструктури. Прикріпивши до наноструктури молекулу-мітку, що випромінює світло, вчені змогли переконатися, що наноструктура знайшла своє належне місце в клітині та залишалася стабільною протягом кількох годин – достатньо довго, щоб викликати імунну відповідь.

Потім, в експериментах на мишах, вчені працювали над доставкою «корисного навантаження» вакцини до клітин, які є першими ланками в ланцюзі імунної відповіді організму, координуючи взаємодію між різними компонентами, такими як антигенпрезентуючи клітини, включаючи макрофаги, дендритні клітини та B-клітини. Після потрапляння наноструктури в клітину вони «аналізуються» та «відображаються» на поверхні клітини, щоб їх могли розпізнати Т-клітини – лейкоцити, які відіграють центральну роль у запуску захисної реакції організму. Т-клітини, у свою чергу, допомагають B-клітинам виробляти антитіла проти чужорідних антигенів.

Щоб надійно протестувати всі варіанти, дослідники ввели клітини як повним комплексом вакцини, так і лише антигеном STV, а також антигеном STV, змішаним з підсилювачем CpG.

Через 70 днів вчені виявили, що миші, імунізовані повним комплексом вакцини, продемонстрували імунну відповідь, яка була в 9 разів сильніша за ту, що була викликана сумішшю CpG/STV. Найбільш помітну реакцію ініціювала тетраедрична (пірамідальна) структура. Однак імунну відповідь на комплекс вакцини було визнано не лише специфічною (тобто реакцією організму на певний антиген, який використовували експериментатори) та ефективною, але й безпечною, що підтверджується відсутністю імунної реакції на «порожню» ДНК (що не несе біомолекул), введену в клітини.

«Ми були дуже задоволені», — каже Чанг. «Було чудово побачити результати, які ми передбачали. У біології таке трапляється нечасто».

Майбутнє фармацевтичної промисловості полягає в цільових препаратах

Зараз команда розглядає потенціал нового методу стимуляції певних імунних клітин для запуску імунної відповіді за допомогою ДНК-платформи. Нова технологія може бути використана для створення вакцин, що складаються з кількох активних препаратів, а також для зміни мішеней для регулювання імунної відповіді.

Крім того, нова технологія має потенціал для розробки нових методів цільової терапії, зокрема виробництва «цільових» препаратів, які доставляються до суворо визначених ділянок тіла і тому не викликають небезпечних побічних ефектів.

Зрештою, хоча галузь ДНК все ще перебуває на початковій стадії розвитку, наукова робота дослідників з Аризони має значне практичне значення для медицини, електроніки та інших галузей.

Чанг і Ян визнають, що їх метод вакцинації ще багато чого потрібно вивчити та оптимізувати, але цінність їхнього відкриття незаперечна. «Маючи доведену концепцію, ми тепер можемо виробляти синтетичні вакцини з необмеженою кількістю антигенів», – підсумовує Чанг.

Фінансову підтримку цьому дослідженню надали Міністерство оборони США та Національні інститути охорони здоров'я.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ]