Transformatie van de manier waarop kankervaccins worden ontworpen en gemaakt

Een nieuwe manier om de potentie van bijna elk vaccin aanzienlijk te vergroten, is ontwikkeld door onderzoekers van het International Institute for Nanotechnology (IIN) aan de Northwestern University. De wetenschappers gebruikten chemie en nanotechnologie om de structurele locatie van adjuvantia en antigenen op en binnen een vaccin op nanoschaal te veranderen, waardoor de vaccinprestaties aanzienlijk werden verbeterd. Het antigeen richt zich op het immuunsysteem en het adjuvans is een stimulator die de effectiviteit van het antigeen verhoogt.

De studie werd op 30 januari gepubliceerd Natuur Biomedische Technologie.

“Het werk toont aan dat de structuur van het vaccin en niet alleen de componenten een cruciale factor is bij het bepalen van de werkzaamheid van het vaccin”, zei hoofdonderzoeker Chad A. Mirkin, directeur van het IIN. “Waar en hoe we de antigenen en het adjuvans binnen een enkele architectuur positioneren, verandert duidelijk hoe het immuunsysteem het herkent en verwerkt.

Mirkin is ook de George B. Rathmann Professor of Chemistry aan het Weinberg College of Arts and Sciences en een professor in de geneeskunde aan de Northwestern University Feinberg School of Medicine.

Deze nieuwe verhoogde nadruk op structuur heeft het potentieel om de effectiviteit van conventionele kankervaccins te verbeteren, die historisch gezien niet goed hebben gewerkt, zei Mirkin.

Het team van Mirkin heeft tot nu toe het effect van de vaccinstructuur bestudeerd in de context van zeven verschillende soorten kanker, waaronder triple-negatieve borstkanker, papillomavirus-geïnduceerde baarmoederhalskanker, melanoom, colonkanker en prostaatkanker om de meest effectieve architectuur te bepalen om elk te behandelen. ziekte.

Conventionele vaccins hebben een blenderbenadering

Bij de meeste conventionele vaccins worden het antigeen en het adjuvans gemengd en in een patiënt geïnjecteerd. Er is geen controle over de structuur van het vaccin, en bijgevolg beperkte controle over de handel in en verwerking van de vaccincomponenten. Er is dus geen controle over hoe goed het vaccin werkt.

“Een uitdaging met conventionele vaccins is dat uit die gemengde mengelmoes een immuuncel 50 antigenen en één adjuvans of één antigeen en 50 adjuvanten kan oppikken”, zegt studieauteur en voormalig Northwestern postdoctoraal medewerker Michelle Teplensky, die nu assistent is. hoogleraar aan de Universiteit van Boston. “Maar er moet een optimale verhouding van elk zijn die de effectiviteit van het vaccin zou maximaliseren.”

Voer SNA’s (sferische nucleïnezuren) in, het structurele platform – uitgevonden en ontwikkeld door Mirkin – dat wordt gebruikt in deze nieuwe klasse van modulaire vaccins. Met SNA’s kunnen wetenschappers precies bepalen hoeveel antigenen en adjuvantia aan cellen worden afgeleverd. SNA’s stellen wetenschappers ook in staat om aan te passen hoe deze vaccincomponenten worden gepresenteerd en de snelheid waarmee ze worden verwerkt. Dergelijke structurele overwegingen, die een grote invloed hebben op de effectiviteit van vaccins, worden grotendeels genegeerd in conventionele benaderingen.

Vaccins ontwikkeld door middel van ‘rationele vaccinologie’ bieden nauwkeurige dosering voor maximale effectiviteit

Deze benadering om antigeen- en adjuvanslocaties binnen modulaire vaccinarchitecturen systematisch te controleren, is bedacht door Mirkin, die de term rationele vaccinologie bedacht om het te beschrijven. Het is gebaseerd op het concept dat de structurele presentatie van vaccincomponenten net zo belangrijk is als de componenten zelf bij het stimuleren van de werkzaamheid.

“Vaccins ontwikkeld door middel van rationele vaccinologie leveren de precieze dosis antigeen en adjuvans aan elke immuuncel, dus ze zijn allemaal even goed voorbereid om kankercellen aan te vallen,” zei Mirkin, die ook lid is van het Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center van Northwestern Universiteit. “Als je immuuncellen soldaten zijn, laat een traditioneel vaccin sommigen ongewapend; ons vaccin bewapent ze allemaal met een krachtig wapen waarmee ze kanker kunnen doden. Welke ‘soldaten’ van de immuuncel wil je je kankercellen aanvallen?” vroeg Mirkin retorisch.

Bouwen aan een (nog) beter vaccin

Het team ontwikkelde een kankervaccin dat het aantal antigeen-specifieke T-cellen voor kanker verdubbelde en de activering van deze cellen met 30% verhoogde door de architectuur van het vaccin opnieuw te configureren om meerdere doelen te bevatten om het immuunsysteem te helpen tumorcellen te vinden.

Het team onderzocht verschillen in hoe goed twee antigenen door het immuunsysteem werden herkend, afhankelijk van hun plaatsing – op de kern of omtrek – van de SNA-structuur. Voor een SNA met optimale plaatsing zouden ze de immuunrespons kunnen verhogen en hoe snel het nanovaccin de productie van cytokine (een immuunceleiwit) activeerde om T-cellen die de kankercellen aanvallen te stimuleren. De wetenschappers bestudeerden ook hoe de verschillende plaatsingen van invloed waren op het vermogen van het immuunsysteem om de indringer te onthouden, en of het geheugen langdurig was.

“Waar en hoe we de antigenen en het adjuvans binnen een enkele architectuur positioneren, verandert duidelijk hoe het immuunsysteem het herkent en verwerkt,” zei Mirkin.

De krachtigste structuur gooit twee klappen uit om de sluwe, muterende tumor te slim af te zijn

De onderzoeksgegevens tonen aan dat het koppelen van twee verschillende antigenen aan een SNA die een omhulsel van adjuvans omvat, de krachtigste benadering was voor een kankervaccinstructuur. Het leidde tot een toename van 30% in antigeenspecifieke T-celactivering en verdubbelde het aantal prolifererende T-cellen in vergelijking met een structuur waarin dezelfde twee antigenen aan twee afzonderlijke SNA’s waren bevestigd.

Deze gemanipuleerde SNA-nanostructuren stopten de tumorgroei in meerdere diermodellen.

“Het is opmerkelijk,” zei Mirkin. “Bij het veranderen van de plaatsing van antigenen in twee vaccins die qua samenstelling bijna identiek zijn, verandert het behandelingsvoordeel tegen tumoren drastisch. Het ene vaccin is krachtig en nuttig, terwijl het andere veel minder effectief is.”

Veel huidige kankervaccins zijn ontworpen om voornamelijk cytotoxische T-cellen te activeren, slechts één verdediging tegen een kankercel. Omdat tumorcellen altijd muteren, kunnen ze gemakkelijk aan deze immuuncelbewaking ontsnappen, waardoor het vaccin snel ineffectief wordt. De kans is groter dat de T-cel een muterende kankercel herkent als hij meer manieren heeft – meerdere antigenen – om hem te herkennen.

“Je hebt meer dan één type geactiveerde T-cel nodig, zodat je gemakkelijker een tumorcel kunt aanvallen,” zei Teplensky. “Hoe meer soorten cellen het immuunsysteem achter tumoren aan moet gaan, hoe beter. Vaccins die bestaan ​​uit meerdere antigenen die gericht zijn op meerdere soorten immuuncellen zijn nodig om verbeterde en langdurige tumorremissie te induceren.”

Een ander voordeel van de rationele vaccinologiebenadering, vooral wanneer deze wordt gebruikt met een nanostructuur zoals een SNA, is dat het gemakkelijk is om de structuur van een vaccin te veranderen om een ​​ander type ziekte aan te pakken. Mirkin zei dat ze simpelweg een peptide uitwisselden, een fragment van een kankereiwit met een chemisch handvat dat op de structuur “klikt”, vergelijkbaar met het toevoegen van een nieuwe bedel aan een armband.

Weg naar het meest effectieve vaccin voor elk type kanker

“Het collectieve belang van dit werk is dat het de basis legt voor de ontwikkeling van de meest effectieve vormen van vaccin voor bijna elke vorm van kanker,” zei Teplensky. “Het gaat om het herdefiniëren van hoe we vaccins over de hele linie ontwikkelen, ook voor infectieziekten.”

In een eerder gepubliceerd artikel demonstreerden Mirkin, Teplensky en collega’s het belang van de vaccinstructuur voor COVID-19 door vaccins te maken die bij 100% van de dieren een beschermende immuniteit vertoonden tegen een dodelijke virale infectie.

“Kleine veranderingen in de plaatsing van antigeen op een vaccin verhogen de cel-tot-cel-communicatie, overspraak en celsynergie aanzienlijk”, zei Mirkin. “De ontwikkelingen die in dit werk zijn gemaakt, bieden een pad voorwaarts om het ontwerp van vaccins voor kanker en andere ziekten als geheel te heroverwegen.”

Noordwestelijke Ph.D. kandidaat Michael Evangelopoulos is ook een auteur van het artikel, getiteld “Multi-Antigen Spherical Nucleic Acid Cancer Vaccines.”