Ученые Института биодизайна (Biodesign Institute) Университета штата Аризона (Arizona State University) активно занимаются разработкой более безопасных и эффективных вакцин. Для создания совершенно нового класса синтетических вакцин они обратились к перспективной области – ДНК-нанотехнологии.

Для создания синтетического вакцинного комплекса
ученые Института биодизайна связали с
разветвленной 3-D структурой ДНК пирамидальной
формы (зеленая) модельный иммуностимулирующий
белок стрептавидин (красный) и усиливающее
иммунный ответ соединение-адъювант
олигодеоксинуклеотид CpG (фиолетовый).
(Biodesign Institute at Arizona State University)

Чтобы разработать первый вакцинный комплекс, включающий в себя самоорганизующуюся трехмерную ДНК-наноструктуру, способную в качестве «нагрузки» безопасно и эффективно доставлять в клетки-мишени антиген и адъювант, свои усилия объединили иммунолог Юнг Чанг (Yung Chang), MD, PhD, и специалист в области ДНК-нанотехнологии Хао Ян (Hao Yan), PhD.

Их исследование только что опубликовано в журнале Nano Letters.

Успехи в борьбе с инфекционными заболеваниями, достигнутые благодаря разработке и широкому применению вакцин, можно смело отнести к наиболее значимым триумфам медицины. Технологии создания современных вакцин основаны на генной инженерии, с помощью которой стимулирующие иммунную систему белки собираются в вирусоподобные частицы, имитирующие структуру природных вирусов за минусом генетических компонентов, вызывающих заболевание.

ДНК-нанотехнология, позволяющая собирать из молекул жизни двух- и трехмерные структуры, дает в руки ученых большое преимущество: она создает программируемые системы, с помощью которых молекулы можно организовывать таким образом, чтобы имитировать действие в организме природных биополимеров. Используя такой «биомимикрический» подход, ученые создали и протестировали вакцинные комплексы, по размеру и форме близкие к природным вирусным частицам.

В качестве доказательства концепции они связали с отдельной разветвленной структурой ДНК, имеющей форму пирамиды, модельный иммуностимулирующий белок стрептавидин (STV) и усиливающее иммунный ответ соединение-адъювант (олигодеоксинуклеотид CpG).

Первое, что требовалось доказать, это то, что клетки-мишени могут поглощать такие наноструктуры. Связав их со светоизлучающими молекулами, исследователи убедились, что наноструктуры находились в соответствующих компартментах клеток и оставались стабильными в течение нескольких часов – достаточно долго, чтобы вызвать необходимый каскад иммунных реакций.

Затем, в экспериментах на мышах, они запрограммировали свои наноструктуры на доставку вакцинного груза в клетки, отвечающие за инициацию иммунного ответа и координирующие взаимодействие его важных компонентов, – так называемые антигенпредставляющие клетки: макрофаги, дендритные и В-клетки. После поглощения груза антигенпредставляющими клетками антиген обрабатывается и его фрагменты «выставляются» на их поверхности. Таким образом фрагменты антигена-мишени представляются Т-клеткам (отсюда и говорящее само за себя название антигенпредставляющих клеток) – белым клеткам крови, играющим ключевую роль в организации защитного иммунного ответа. Т-клетки, в свою очередь, помогают В-клеткам в выработке антител против антигена-мишени.

Результаты, полученные на иммунизированных мышах показали, что, по сравнению со смесью антигена и молекул CpG, собранные антиген-адъювант-ДНК-комплексы
вызывают активную и длительную выработку антител против антигена, не стимулируя реакцию на сами ДНК-наноструктуры. Этот результат демонстрирует потенциал ДНК-наноструктур
в качестве общей платформы для рационального проектирования целого ряда вакцин. (Рис. Nano Letters)

Чтобы должным образом проверить все возможные варианты реакции организма, мышам вводили полный вакцинный комплекс (антиген-адъювант-ДНК), только антиген STV и антиген STV вместе адъювантом CpG.

По истечении 70 дней ученые констатировали, что у мышей, иммунизированных полным вакцинным комплексом, развился наиболее сильный иммунный ответ – до 9 раз выше, чем при введении простой смеси CpG и антигена STV. Иммунный ответ на вакцинный комплекс с тетраэдрической ДНК-пирамидой показал себя не только как специфичный и эффективный, но и как безопасный: двумя независимыми методами исследователи подтвердили, что введение только ДНК-наноплатформы не вызывает никакой реакции со стороны иммунной системы.

«Мы были очень рады», – делится своими чувствами Чанг, адъюнкт-профессор Школы биологических наук и научный сотрудник Центра инфекционных болезней и вакцинологии Института биодизайна. «Было так приятно видеть результаты такими, как мы их и предсказывали. В биологии это происходит не так уж и часто. Теперь, когда состоятельность нашей концепции доказана, диапазон антигенов, которые можно использовать для разработки синтетических вакцин, становится практически неограниченным».

Возможность выбирать мишенями определенные иммунные клетки делает разработанную систему очень перспективной. Ученые предвидят ее успешное использование при создании, например, многокомпонентных вакцин, а также адресных терапевтических препаратов, основанных на том же принципе, что и некоторые из противораковых средств последнего поколения.

Аннотация к статье

A DNA Nanostructure Platform for Directed Assembly of Synthetic Vaccines