Er is een complex synthetisch vaccin gemaakt op basis van DNA-moleculen

Op zoek naar manieren om veiligere en effectievere vaccins te ontwikkelen, hebben wetenschappers van het Biodesign Institute van de Arizona State University zich gericht op een veelbelovend vakgebied genaamd DNA-nanotechnologie. Ze hebben hiermee een geheel nieuw type synthetisch vaccin ontwikkeld.

In een onderzoek dat onlangs werd gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters, werkte immunoloog Yung Chang van het Institute of Bioengineering samen met collega's, waaronder de bekende DNA-nanotechnoloog Hao Yan, om 's werelds eerste vaccincomplex te synthetiseren. Dit vaccincomplex kan veilig en efficiënt op de juiste plekken worden afgeleverd door het te plaatsen op zelfassemblerende, driedimensionale DNA-nanostructuren.

"Toen Hao opperde dat we DNA niet als genetisch materiaal maar als een werkplatform zouden beschouwen, kwam ik op het idee om deze aanpak toe te passen op immunologie", zegt Chang, universitair hoofddocent aan de School of Life Sciences en onderzoeker bij het Center for Infectious Diseases and Vaccines van het Institute for Bioengineering. "Dit zou ons een geweldige kans bieden om DNA-dragers te gebruiken voor de ontwikkeling van een synthetisch vaccin."

De grote vraag was: is het veilig? We wilden een groep moleculen creëren die een veilige en krachtige immuunreactie in het lichaam konden opwekken. Omdat Hao's team de afgelopen jaren verschillende DNA-nanostructuren had ontworpen, zijn we gaan samenwerken om potentiële medische toepassingen voor deze structuren te vinden.

Het unieke aan de methode die wetenschappers uit Arizona voorstellen, is dat het antigeen dat als drager dient, een DNA-molecuul is.

Het multidisciplinaire onderzoeksteam bestond verder uit Xiaowei Liu, doctoraalstudent biochemie aan de Universiteit van Arizona en eerste auteur van het artikel, professor Yang Xu, docent biochemie Yan Liu, student aan de School of Biosciences Craig Clifford en Tao Yu, doctoraalstudent aan de Sichuan Universiteit in China.

Chang wijst erop dat de wijdverbreide acceptatie van vaccinatie heeft geleid tot een van de belangrijkste triomfen voor de volksgezondheid. De kunst van het ontwikkelen van vaccins is gebaseerd op genetische manipulatie om virusachtige deeltjes te construeren uit eiwitten die het immuunsysteem stimuleren. Deze deeltjes lijken qua structuur op echte virussen, maar bevatten geen gevaarlijke genetische componenten die ziekten veroorzaken.

Een belangrijk voordeel van DNA-nanotechnologie, waarmee een biomolecuul een twee- of driedimensionale vorm kan krijgen, is de mogelijkheid om moleculen te creëren met behulp van zeer precieze methoden, die functies kunnen uitvoeren die kenmerkend zijn voor natuurlijke moleculen in het lichaam.

"We experimenteerden met verschillende groottes en vormen van DNA-nanostructuren en voegden er biomoleculen aan toe om te zien hoe het lichaam zou reageren", legt Yang uit, directeur van de afdeling Chemie en Biochemie en onderzoeker bij het Center for Single Molecule Biophysics van het Institute of Bioengineering. Door middel van een aanpak die de wetenschappers 'biomimicry' noemen, benaderen de vaccincomplexen die ze testten de grootte en vorm van natuurlijke virusdeeltjes.

Om de haalbaarheid van hun concept aan te tonen, koppelden de onderzoekers het immuunstimulerende eiwit streptavidine (STV) en het immuunversterkende medicijn CpG oligodeoxynucleotide aan afzonderlijke piramidale vertakte DNA-structuren, waardoor ze uiteindelijk een synthetisch vaccincomplex konden verkrijgen.

Het team moest eerst bewijzen dat de doelcellen de nanostructuren konden absorberen. Door een lichtgevend tagmolecuul aan de nanostructuur te bevestigen, konden de wetenschappers verifiëren dat de nanostructuur zijn juiste plaats in de cel had gevonden en enkele uren stabiel bleef – lang genoeg om een immuunreactie op te wekken.

Vervolgens werkten de wetenschappers in experimenten met muizen aan het afleveren van de vaccinlading aan cellen die de eerste schakels vormen in de immuunreactieketen van het lichaam en die de interacties coördineren tussen verschillende componenten, zoals antigeenpresenterende cellen, waaronder macrofagen, dendritische cellen en B-cellen. Zodra de nanostructuren de cel binnendringen, worden ze geanalyseerd en op het celoppervlak weergegeven, zodat ze herkend kunnen worden door T-cellen, de witte bloedcellen die een centrale rol spelen bij het activeren van de afweerreactie van het lichaam. T-cellen helpen op hun beurt B-cellen bij de productie van antilichamen tegen lichaamsvreemde antigenen.

Om alle varianten betrouwbaar te testen, injecteerden de onderzoekers cellen met zowel het volledige vaccincomplex als alleen het STV-antigeen, en ook met het STV-antigeen gemengd met een CpG-enhancer.

Na een periode van 70 dagen ontdekten de wetenschappers dat muizen die waren geïmmuniseerd met het volledige vaccincomplex een immuunreactie vertoonden die 9 keer sterker was dan die geïnduceerd door het CpG/STV-mengsel. De meest opvallende reactie werd geïnitieerd door de tetraëdrische (piramidale) structuur. De immuunreactie op het vaccincomplex werd echter niet alleen herkend als specifiek (d.w.z. de reactie van het lichaam op een specifiek antigeen dat door de experimentatoren werd gebruikt) en effectief, maar ook als veilig. Dit werd bevestigd door de afwezigheid van een immuunreactie op het "lege" DNA (geen biomoleculen dragend) dat in de cellen werd ingebracht.

"We waren erg blij", zegt Chang. "Het was geweldig om de resultaten te zien die we voorspeld hadden. Dat gebeurt niet vaak in de biologie."

De toekomst van de farmaceutische industrie ligt in doelgerichte medicijnen

Nu overweegt het team de mogelijkheden van een nieuwe methode om specifieke immuuncellen te stimuleren een reactie op te wekken met behulp van een DNA-platform. De nieuwe technologie zou kunnen worden gebruikt om vaccins te ontwikkelen die bestaan uit meerdere actieve geneesmiddelen, en om doelwitten te veranderen om de immuunreactie te reguleren.

Bovendien heeft de nieuwe technologie het potentieel om nieuwe methoden voor gerichte therapie te ontwikkelen, met name de productie van ‘gerichte’ medicijnen die op strikt aangewezen plekken in het lichaam worden toegediend en daarom geen gevaarlijke bijwerkingen veroorzaken.

Hoewel het DNA-onderzoek nog in de kinderschoenen staat, heeft het wetenschappelijk werk van onderzoekers uit Arizona belangrijke praktische gevolgen voor de geneeskunde, elektronica en andere vakgebieden.

Chang en Yang erkennen dat er nog veel te leren en te optimaliseren valt over hun vaccinmethode, maar de waarde van hun ontdekking is onmiskenbaar. "Met het proof of concept in handen kunnen we nu synthetische vaccins produceren met een onbeperkt aantal antigenen", concludeert Chang.

Het onderzoek werd financieel ondersteund door het Amerikaanse Ministerie van Defensie en de National Institutes of Health.

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