Alla ricerca di vaccini più sicuri ed efficaci, gli scienziati del Biodesign Institute dell'Arizona State University si sono rivolti a un campo promettente chiamato nanotecnologia del DNA per creare una classe completamente nuova di vaccini sintetici.

In uno studio pubblicato sulla rivista Nano lettere , L'immunologa del biodesign Yung Chang ha unito le forze con i suoi colleghi, tra cui l'innovatore della nanotecnologia del DNA Hao Yan, sviluppare il primo complesso di vaccini che potrebbe essere consegnato in modo sicuro ed efficace trasportando sulle spalle su autoassemblati, nanostrutture di DNA tridimensionali.

"Quando Hao ha trattato il DNA non come un materiale genetico, ma come materiale da impalcatura, che mi ha fatto pensare a possibili applicazioni in immunologia, " disse Chang, professore associato presso la School of Life Sciences e ricercatore presso il Center for Infectious Diseases and Vaccinology del Biodesign Institute. "Ciò ha fornito una grande opportunità per provare a utilizzare questi scaffold di DNA per creare un vaccino sintetico".

"La preoccupazione principale era:è sicuro? Volevamo imitare l'assemblaggio di molecole che possono innescare una risposta immunitaria sicura e potente nel corpo. Poiché il team di Hao ha sviluppato una serie di interessanti nanostrutture di DNA negli ultimi anni, stiamo collaborando sempre di più con l'obiettivo di esplorare ulteriormente alcune promettenti applicazioni per la salute umana di questa tecnologia".

I membri principali del team di ricerca multidisciplinare includevano anche:lo studente laureato in chimica e biochimica dell'ASU e primo autore di articoli Xiaowei Liu, professore in visita Yang Xu, assistente professore di chimica e biochimica Yan Liu, Craig Clifford e Tao Yu, studente universitario della School of Life Sciences, studente laureato in visita presso l'Università di Sichuan.

Chang sottolinea che i vaccini hanno portato ad alcuni dei più efficaci trionfi di salute pubblica in tutta la medicina. Lo stato dell'arte nello sviluppo di vaccini si basa sull'ingegneria genetica per assemblare proteine ​​​​stimolanti il ​​sistema immunitario in particelle simili a virus (VLP) che imitano la struttura dei virus naturali, meno i componenti genetici dannosi che causano la malattia.

nanotecnologia del DNA, dove la molecola della vita può essere assemblata in forme 2-D e 3-D, ha il vantaggio di essere un sistema programmabile in grado di organizzare con precisione le molecole per imitare le azioni delle molecole naturali nel corpo.

"Volevamo testare diverse dimensioni e forme di nanostrutture di DNA e attaccarvi delle molecole per vedere se potevano innescare una risposta immunitaria, " ha detto Yan, il Milton D. Glick Distinguished Chair nel Dipartimento di Chimica e Biochimica e ricercatore nel Centro di Biodesign per la Biofisica delle Singole Molecole. Con il loro approccio biomimetico, i complessi vaccinali che hanno testato assomigliavano molto alle particelle virali naturali per dimensioni e forma.

Come prova del concetto, hanno legato a strutture di DNA separate a forma di piramide e ramificate una proteina modello immunostimolante chiamata streptavidina (STV) e un composto che stimola la risposta immunitaria chiamato adiuvante (oligo-deossinucletidi CpG) per creare i loro complessi vaccinali sintetici.

Primo, il gruppo doveva dimostrare che le cellule bersaglio potevano divorare le nanostrutture. Attaccando una molecola tracciante che emette luce alle nanostrutture, hanno scoperto che le nanostrutture risiedono comodamente all'interno del compartimento appropriato delle cellule e sono stabili per diverse ore, abbastanza a lungo da mettere in moto una cascata immunitaria.

Prossimo, in una sfida al topo, hanno mirato alla consegna del loro carico di vaccini alle cellule che sono i primi soccorritori nell'iniziare una risposta immunitaria efficace, coordinare l'interazione di componenti importanti, come:cellule presentanti l'antigene, compresi i macrofagi, cellule dendritiche e cellule B. Dopo che il carico è stato interiorizzato nella cella, vengono elaborati e "visualizzati" sulla superficie cellulare alle cellule T, globuli bianchi che svolgono un ruolo centrale nell'innescare una risposta immunitaria protettiva. Le cellule T, a sua volta, assistere le cellule B con la produzione di anticorpi contro un antigene bersaglio.

Per testare correttamente tutte le variabili, hanno iniettato:1) il complesso vaccinale completo 2) STV (antigene) da solo 3) il CpG (adiuvante) miscelato con STV.

In 70 giorni, il gruppo ha scoperto che i topi immunizzati con il complesso vaccinale completo hanno sviluppato una risposta immunitaria più robusta fino a 9 volte superiore rispetto al CpG mescolato con STV. La struttura a forma di piramide (tetraedrica) ha generato la maggiore risposta immunitaria. Non solo la risposta immunitaria al complesso vaccinale era specifica ed efficace, ma anche sicuro, come ha dimostrato il gruppo di ricerca, utilizzando due metodi indipendenti, che nessuna risposta immunitaria è stata innescata dall'introduzione della sola piattaforma del DNA.

"Siamo rimasti molto soddisfatti, " ha detto Chang. "E 'stato così bello vedere i risultati come avevamo previsto. Molte volte in biologia non lo vediamo".

Con la capacità di colpire cellule immunitarie specifiche per generare una risposta, il team è entusiasta delle prospettive di questa nuova piattaforma. Prevedono applicazioni in cui potrebbero sviluppare vaccini che richiedono più componenti, o personalizzare i loro bersagli per adattare la risposta immunitaria.

Per di più, esiste il potenziale per sviluppare terapie mirate in modo simile a quello di alcuni farmaci antitumorali di nuova generazione.

Globale, sebbene il campo del DNA sia ancora giovane, la ricerca sta avanzando a un ritmo vertiginoso verso la scienza traslazionale che sta avendo un impatto sull'assistenza sanitaria, elettronica, e altre applicazioni.

Mentre Chang e Yan concordano sul fatto che c'è ancora molto spazio per esplorare la manipolazione e l'ottimizzazione della nanotecnologia, contiene anche grandi promesse. "Con questa dimostrazione di concetto, la gamma di antigeni che potremmo usare per lo sviluppo di vaccini sintetici è davvero illimitata, " disse Chang.