Вакцина состоит из цепочек генетического материала, известного как информационная РНК, которая может быть разработана для кодирования любого вирусного, бактериального или паразитарного белка. Затем эти молекулы упаковываются в молекулу, которая доставляет РНК в клетки, где она транслируется в белки, которые вызывают иммунный ответ со стороны хозяина.
Помимо борьбы с инфекционными заболеваниями, исследователи используют этот подход для создания противораковых вакцин, которые научат иммунную систему распознавать и уничтожать опухоли.
«Такой подход с использованием наноформулировок позволяет нам создавать вакцины против новых болезней всего за семь дней, что позволяет бороться с внезапными вспышками или вносить быстрые модификации и улучшения», – говорит Дэниел Андерсон, доцент кафедры химической инженерии Массачусетского технологического института и член Институт Коха при Массачусетском технологическом институте для интегративных исследований рака и Институт медицинской инженерии и науки (IMES).
Андерсон – старший автор статьи с описанием новых вакцин в Proceedings of the National Academy of Sciences за неделю от 4 июля 2016 г. Проект возглавляли Джасдейв Чахал, постдок из Института биомедицинских исследований Массачусетского технологического института им. Уайтхеда, и Омар Хан, постдок из Института Коха; оба являются первыми авторами статьи.
Настраиваемые вакцины
Большинство традиционных вакцин состоят из инактивированной формы вируса или другого патогена.
Производство этих вакцин обычно занимает много времени, а при некоторых заболеваниях они слишком опасны. Другие вакцины состоят из белков, которые обычно вырабатываются микробом, но они не всегда вызывают сильный иммунный ответ, что требует от исследователей поиска адъюванта (химического вещества, усиливающего реакцию).
РНК-вакцины привлекательны, потому что они побуждают клетки-хозяева производить множество копий кодируемых ими белков, что вызывает более сильную иммунную реакцию, чем если бы белки вводились сами по себе.
Идея использования молекул матричной РНК в качестве вакцин существует уже около 30 лет, но одним из основных препятствий является поиск безопасного и эффективного способа их доставки.
Хан решил упаковать РНК-вакцины в наночастицы, состоящие из разветвленной молекулы, известной как дендример.
Одним из ключевых преимуществ этого материала является то, что исследователи могут дать ему временный положительный заряд, что позволяет ему образовывать тесные ассоциации с РНК, которая заряжена отрицательно. Хан также может управлять размером и рисунком окончательной конструкции. Вынуждая структуру дендример-РНК многократно складываться, Хан создал сферические частицы вакцины диаметром около 150 нанометров.
Это делает их такого же размера, что и многие вирусы, что позволяет частицам проникать в клетки, используя те же поверхностные белки, которые вирусы используют для этой цели.
Настраивая последовательности РНК, исследователи могут создавать вакцины, которые производят практически любой белок, который они хотят. Молекулы РНК также включают инструкции по амплификации РНК, чтобы клетка производила еще больше белка.
Вакцина предназначена для внутримышечной инъекции, что упрощает введение. Как только частицы попадают в клетки, РНК транслируется в белки, которые высвобождаются и стимулируют иммунную систему. Примечательно, что вакцины были способны стимулировать оба звена иммунной системы – ответ Т-клеток и ответ антител.
В тестах на мышах животные, получившие однократную дозу одной из вакцин, не показали никаких симптомов после контакта с настоящим патогеном – Эбола, грипп H1N1 или Toxoplasma gondii.
«Независимо от того, какой антиген мы выбрали, мы смогли вызвать полный ответ антител и Т-клеток», – говорит Хан.
Исследователи также считают, что их вакцины будут более безопасными, чем ДНК-вакцины, что является еще одной альтернативой, которую преследуют ученые, потому что, в отличие от ДНК, РНК не может быть интегрирована в геном хозяина и вызывать мутации.
«Возможность быстрого создания полностью синтетической рецептуры, которая может быть эффективной в качестве вакцины, является важным дополнением к доступным в настоящее время стратегиям вакцинации», – говорит Хидде Плоег, профессор биологии Массачусетского технологического института, член Института Уайтхеда и автор книги paper, который добавил, что будет важно оценить безопасность и стоимость.
Быстрое развертывание
Возможность быстро разрабатывать и производить эти вакцины может быть особенно полезной для борьбы с гриппом, потому что наиболее распространенный метод производства вакцины от гриппа, требующий выращивания вирусов внутри куриных яиц, занимает месяцы. Это означает, что при появлении неожиданного штамма гриппа, такого как вирус H1N1, вызвавший пандемию 2009 г., невозможно быстро создать вакцину против него.
«Обычно вакцина становится доступной спустя долгое время после окончания вспышки», – говорит Чахал. "Мы думаем, что сможем вмешаться в реальную вспышку болезни."
Хан и Чахал планируют создать компанию по лицензированию и коммерциализации технологии. В дополнение к вакцинам, которые они уже разработали, они надеются создать вакцины против вируса Зика и болезни Лайма.
Они также работают над противораковыми вакцинами. На недавнем конкурсе «Миссия: возможно», организованном Институтом Коха, Хан и Чахал были частью команды, которая в конечном итоге вышла из конкурса, потому что внешний спонсор, Фонд перспективных медицинских исследований, предложил им поддержку.
Для этого проекта исследователи разработали вакцины, нацеленные на гены, которые обычно включаются только во время эмбрионального развития. Эти гены, неактивные у взрослых, часто реактивируются при типе рака, известном как немелкоклеточные опухоли легких.
«Мы все воодушевлены потенциалом этого нового подхода к обеспечению нового способа доставки вакцины», – говорит Роберт Лангер, исследователь Дэвида Х. Профессор института Коха в Массачусетском технологическом институте и автор статьи.