Το DNA origami, κλειδί για αποτελεσματικό εμβόλιο κατά του HIV;
Επιστήμονες πλησιάζουν στην δημιουργία ενός εμβολίου για τον HIV ικανού να παράγει αντισώματα που μπορούν να σταματήσουν πολλές εκδοχές του ιού.
Ένα εμβόλιο σχεδιασμένο με “DNA origami” ενεργοποίησε περισσότερα από τα κύρια κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος που απαιτούνται για την καταπολέμηση του HIV, σε σχέση με τα παραδοσιακά εμβόλια που βασίζονται σε πρωτεϊνικούς σκελετούς, σύμφωνα με νέα μελέτη σε ποντίκια.
Ο όρος “DNA origami” αναφέρεται σε μια τρισδιάστατη σκαλωσιά ακριβείας, κατασκευασμένη από διπλωμένο DNA, η οποία μπορεί να συγκρατεί και να εμφανίζει ιικά αντιγόνα – κομμάτια ιών που το ανοσοποιητικό σύστημα μπορεί να αναγνωρίσει και να επιτεθεί.
Τα αποτελέσματα της νέας μελέτης σε ποντίκια, που δημοσιεύτηκε στις 5 Φεβρουαρίου στο περιοδικό Science, υποδηλώνουν μια “πιθανή σημαντική ανακάλυψη” που θα μπορούσε να “μεταμορφώσει τον τρόπο που σκεφτόμαστε τις ενεργές ανοσοθεραπείες και τον σχεδιασμό εμβολίων”, δήλωσε ο Mark Bathe, καθηγητής βιολογικής μηχανικής στο MIT και συν-συγγραφέας της μελέτης, σε σχετική ανακοίνωση.
Γιατί θα μπορούσε αυτή η προσέγγιση origami να είναι μετασχηματιστική; Η απάντηση μπορεί να έγκειται στον τρόπο με τον οποίο τα εμβόλια με βάση το DNA γίνονται αντιληπτά από το ανοσοποιητικό σύστημα, σε σύγκριση με τα παραδοσιακά εμβόλια.
Πώς λειτουργεί το εμβόλιο DNA origami
Συμβατικά, τα εμβόλια βασίζονται σε εξασθενημένους ή νεκρούς ιούς για να διεγείρουν τα ανοσοκύτταρα να παράγουν αντισώματα κατά των πρωτεϊνών που βρίσκονται στην επιφάνεια αυτού του ιού. Δεσμεύοντας τις πρωτεΐνες, τα αντισώματα εμποδίζουν τον ιό να εισβάλει στα ανθρώπινα κύτταρα και σηματοδοτούν το μικρόβιο για καταστροφή από άλλα ανοσοκύτταρα.
Αυτή η διαδικασία παρέχει ανοσία, ωθώντας το σώμα να δημιουργήσει “κύτταρα μνήμης Β”, τα οποία παραμένουν και ενεργοποιούνται πολύ πιο γρήγορα εάν συναντηθεί ξανά ο ίδιος παθογόνος παράγοντας.
Αλλά σήμερα, αντί να χρησιμοποιούν ολόκληρους ιούς, πολλά εμβόλια χρησιμοποιούν μόνο τα επιφανειακά αντιγόνα που είναι προσκολλημένα σε συνθετικά, ιόμορφα σωματίδια. Αυτές οι νανοδομές μιμούνται το μέγεθος και τη γεωμετρία των ιών, αλλά δεν μπορούν να προκαλέσουν μόλυνση.
Τα περισσότερα ιόμορφα σωματίδια που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι κατασκευασμένα με πρωτεϊνικούς σκελετούς που το ανοσοποιητικό σύστημα θεωρεί “ξένους”, επομένως προκαλούν μια “εκτός στόχου” αντίδραση αντισωμάτων κατά του ίδιου του σκελετού. Σε ορισμένα πλαίσια, αυτό μπορεί να αραιώσει τις αντιδράσεις κατά του αντιγόνου, όπως υποδεικνύουν προηγούμενες μελέτες.
Στη νέα μελέτη, οι επιστήμονες αντικατέστησαν τους πρωτεϊνικούς σκελετούς με έναν σκελετό που βασίζεται σε DNA και, με αυτόν τον τρόπο, μείωσαν απότομα αυτές τις εκτός στόχου αντιδράσεις. Αυτός ο νέος σχεδιασμός εμβολίου παρήγαγε έως και τρεις φορές περισσότερα από τα σημαντικά κύτταρα μνήμης Β από τα σύγχρονα εμβόλια πρωτεϊνικών σωματιδίων.
Ο John Moore, ερευνητής του HIV στην Weill Cornell Medicine που δεν συμμετείχε στην εργασία, περιέγραψε τη μελέτη ως “κομψή”. Καταδεικνύει σαφώς πώς η εξάλειψη των ανοσολογικών αποκρίσεων που σχετίζονται με τον σκελετό ωθεί την ανοσολογική απόκριση “στη σωστή κατεύθυνση”, δήλωσε στο Live Science.
Προειδοποίησε, ωστόσο, ότι μένει να δούμε εάν ο ίδιος βαθμός ανοσολογικής εστίασης θα συμβεί στους ανθρώπους.
Ένα πλεονέκτημα έναντι του ανταγωνισμού;
Ο HIV διαφεύγει από το ανοσοποιητικό σύστημα αναδιαμορφώνοντας συνεχώς τις επιφανειακές του πρωτεΐνες, έτσι ώστε τα αντισώματα που δουλεύουν εναντίον ενός στελέχους συχνά αποτυγχάνουν εναντίον άλλων. Γι’ αυτό ο σχεδιασμός εμβολίου HIV είναι “απίστευτα προκλητικός”, δήλωσε ο Adam Wheatley, ανοσολόγος στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Αυτό που πρέπει να παράγει το εμβόλιο είναι “ευρέως εξουδετερωτικά αντισώματα” έναντι του ιού, είπε. Αυτά τα αντισώματα κλειδώνουν σε μέρη του ιού που αλλάζουν ελάχιστα από στέλεχος σε στέλεχος.
Ένα παράδειγμα ενός τέτοιου αντισώματος είναι το VRC01, το οποίο έχει εντοπιστεί σε έναν μικρό αριθμό ατόμων που ζουν με HIV των οποίων τα σώματα παράγουν ευρείες αντιδράσεις αντισωμάτων. Το VRC01 στοχεύει μια ευάλωτη περιοχή στον εξωτερικό φάκελο του HIV που ονομάζεται θέση δέσμευσης CD4. Αυτό είναι το “κλειδί” που χρησιμοποιεί ο ιός για να εισέλθει στα ανθρώπινα ανοσοκύτταρα και δεν διαφέρει πολύ μεταξύ των στελεχών.
Η πρόκληση είναι ότι τα Β κύτταρα που είναι ικανά να παράγουν αντισώματα τύπου VRC01 είναι εξαιρετικά σπάνια στο ανθρώπινο σώμα, δήλωσε ο Raiees Andrabi, ανοσολόγος στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. Η ενεργοποίηση αυτών των άπιαστων κυττάρων “γίνεται ένα πρόβλημα μηχανικής”, είπε στο Live Science.
Για να στοχεύσουν αυτά τα σπάνια Β κύτταρα, οι ερευνητές σχεδίασαν προσεκτικά το εμβόλιο χρησιμοποιώντας ένα αντιγόνο HIV στη σκαλωσιά DNA. Το αντιγόνο που ανέπτυξαν περίπου πριν από μια δεκαετία μιμείται τη θέση δέσμευσης CD4 και δεσμεύει επιλεκτικά τους υποδοχείς των σπάνιων Β κυττάρων, ξεκινώντας έτσι την παραγωγή ευρέως εξουδετερωτικών αντισωμάτων.
Οι ερευνητές είχαν την ιδέα να συνδυάσουν το αντιγόνο με το DNA origami αφού δοκίμασαν την προσέγγιση origami σε ένα πειραματικό εμβόλιο COVID-19. Είχαν διαπιστώσει ότι το ανοσοποιητικό σύστημα δεν έδειξε ουσιαστικά καμία αντίδραση στη σκαλωσιά DNA.
“Αυτή η ιδιότητα φαινόταν ιδιαίτερα χρήσιμη για μια περίπτωση όπως ο HIV, όπου τα Β κύτταρα ενδιαφέροντος είναι εξαιρετικά σπάνια”, δήλωσε η πρώτη συγγραφέας της μελέτης Anna Romanov, ερευνήτρια ανοσολογίας στο MIT, σε ανακοίνωση.
Υπέθεσαν ότι η παράδοση του αντιγόνου σε μια σιωπηλή σκαλωσιά θα μπορούσε να μειώσει τον ανταγωνισμό με άλλα άσχετα Β κύτταρα, ενισχύοντας έτσι την “επί του στόχου” απόκριση κατά του HIV. Και στη μελέτη, διαπίστωσαν ότι η προσέγγιση της σιωπηλής σκαλωσιάς είχε όντως ενισχύσει τα Β κύτταρα που παράγουν ευρέως εξουδετερωτικά αντισώματα. (Τούτου λεχθέντος, δεν έχουν ακόμη αξιολογήσει πόσα ευρέως εξουδετερωτικά αντισώματα παράγονται στην πραγματικότητα· αυτό θα πρέπει να αντιμετωπιστεί σε μελλοντική εργασία.)
“Όλοι εκπλαγήκαμε” που το DNA origami ξεπέρασε τα τυπικά ιόμορφα σωματίδια που χρησιμοποιούνται για την πρόκληση των επιθυμητών αντιδράσεων των Β κυττάρων, είπε ο Bathe.
Γενικά, δεν είναι σαφές πόσο κακό είναι για το σώμα να δημιουργήσει μια ανοσολογική απόκριση κατά της σκαλωσιάς, είπε ο Wheatley. Αλλά στην περίπτωση του HIV, τα επιθυμητά Β κύτταρα είναι τόσο σπάνια που ακόμη και μια μέτρια εκτός στόχου απόκριση φαίνεται να υπονομεύει την απόκριση κατά του αντιγόνου-στόχου.
Ο δρόμος μπροστά
Η μηχανική του εμβολίου DNA-origami δεν ήταν απλή· οι πρώτες εκδόσεις παρήγαγαν ασθενείς ανοσολογικές αντιδράσεις. Αυτό οφειλόταν εν μέρει στο γεγονός ότι, μετά την ένεση, αυτά τα εμβόλια δεν κατάφεραν να φτάσουν σε εξειδικευμένα ανοσοκύτταρα μέσα στους λεμφαδένες, όπου εκπαιδεύονται τα Β κύτταρα.
Για να το διορθώσει αυτό, η ομάδα επανασχεδίασε τα σωματίδια DNA ώστε να συσκευάζουν τα αντιγόνα HIV με μεγαλύτερη ακρίβεια και σφιχτότητα. Αυτό τους επέτρεψε να μεταφερθούν στις σωστές περιοχές μέσα στους λεμφαδένες. Οι ερευνητές πρόσθεσαν επίσης ένα μόριο για να βοηθήσουν στην ενεργοποίηση των Τ κυττάρων – τα ανοσοκύτταρα βοηθούν στην ανάπτυξη της κρίσιμης ανοσολογικής απόκρισης. Αυτή η στρατολόγηση Τ-κυττάρων συμβαίνει φυσικά με τα εμβόλια πρωτεϊνικής σκαλωσιάς.
“Νομίζω ότι είναι αρκετά εντυπωσιακό το πόσο αποτελεσματικά τροποποίησαν τη σκαλωσιά DNA τους με διάφορους τρόπους για να την κάνουν να λειτουργήσει”, είπε ο Wheatley. “Υποθέτω ότι η κύρια χρησιμότητά του είναι [ότι] είναι πραγματικά συντονίσιμο.”
Πέρα από τον HIV, οι συγγραφείς της μελέτης προτείνουν ότι το DNA origami θα μπορούσε να εφαρμοστεί για την παρασκευή εμβολίων κατά άλλων ταχέως μεταλλασσόμενων ιών, όπως η γρίπη, όπου η αποτελεσματικότητα του εμβολίου θα μπορούσε να βελτιωθεί εστιάζοντας την ανοσολογική απόκριση που προκαλεί.
Ωστόσο, μένει να δούμε πόσο καλά θα μεταφραστεί αυτή η τεχνική στους ανθρώπους. Ο εμβολιασμός κατά του HIV είναι “πολύ δύσκολος” και μπορεί να έχει πολλαπλά στοιχεία για να βοηθήσει στην ανάπτυξη της ανοσολογικής απόκρισης με την πάροδο του χρόνου, εξήγησε ο Andrabi, προσθέτοντας, “Δεν πρόκειται να είναι ένα ή δύο μόνο εμβόλια”.
Ωστόσο, είπε, “έχουν καταλάβει το πρώτο βήμα”.