Deze koelkastvrije COVID-19-vaccins worden gekweekt in planten en bacteriën

Nano-ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben COVID-19-vaccinkandidaten ontwikkeld die tegen de hitte kunnen. Hun belangrijkste ingrediënten? Virussen van planten of bacteriën.

De nieuwe koelkastvrije COVID-19-vaccins bevinden zich nog in de beginfase van ontwikkeling. Bij muizen veroorzaakten de vaccinkandidaten een hoge productie van neutraliserende antilichamen tegen SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt. Als ze veilig en effectief blijken te zijn bij mensen, kunnen de vaccins een grote game changer zijn voor wereldwijde distributie-inspanningen, inclusief die in landelijke gebieden of arme gemeenschappen.

“Het opwindende aan onze vaccintechnologie is dat deze thermisch stabiel is, zodat het gemakkelijk plaatsen kan bereiken waar het niet mogelijk is om diepvriezers met ultralage temperaturen te plaatsen of om vrachtwagens met deze vriezers te laten rondrijden”, zegt Nicole Steinmetz, een hoogleraar nanoengineering en directeur van het Center for Nano-ImmunoEngineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

De vaccins worden gedetailleerd beschreven in een paper gepubliceerd op 7 september in de Tijdschrift van de American Chemical Society.

De onderzoekers creëerden twee COVID-19-vaccinkandidaten. De ene is gemaakt van een plantenvirus, het cowpea-mozaïekvirus. De andere is gemaakt van een bacterieel virus, of bacteriofaag, genaamd Q beta.

Beide vaccins zijn gemaakt met vergelijkbare recepten. De onderzoekers gebruikten cowpea-planten en E coli bacteriën om miljoenen kopieën van respectievelijk het plantenvirus en bacteriofaag te laten groeien in de vorm van bolvormige nanodeeltjes. De onderzoekers verzamelden deze nanodeeltjes en bevestigden vervolgens een klein stukje van het SARS-CoV-2 spike-eiwit aan het oppervlak. De afgewerkte producten zien eruit als een besmettelijk virus zodat het immuunsysteem ze kan herkennen, maar ze zijn niet besmettelijk bij dieren en mensen. Het kleine stukje van het spike-eiwit dat aan het oppervlak is bevestigd, stimuleert het lichaam om een ​​​​immuunreactie tegen het coronavirus op te wekken.

De onderzoekers merken verschillende voordelen op van het gebruik van plantenvirussen en bacteriofagen om hun vaccins te maken. Ten eerste kunnen ze gemakkelijk en goedkoop op grote schaal te produceren zijn. “Het kweken van planten is relatief eenvoudig en omvat een niet al te geavanceerde infrastructuur”, zegt Steinmetz. “En fermentatie met bacteriën is al een ingeburgerd proces in de biofarmaceutische industrie.”

Een ander groot voordeel is dat het plantenvirus en de bacteriofaag nanodeeltjes extreem stabiel zijn bij hoge temperaturen. Hierdoor kunnen de vaccins worden opgeslagen en verzonden zonder dat ze gekoeld hoeven te worden bewaard. Ze kunnen ook fabricageprocessen ondergaan waarbij warmte wordt gebruikt. Het team gebruikt dergelijke processen om hun vaccins te verpakken in polymeerimplantaten en micronaaldpleisters. Deze processen omvatten het mengen van de vaccinkandidaten met polymeren en het samensmelten ervan in een oven bij temperaturen rond de 100 graden Celsius. Doordat het plantenvirus en de bacteriofaag-nanodeeltjes vanaf het begin direct met de polymeren kunnen worden gemengd, is het gemakkelijk en ongecompliceerd om vaccinimplantaten en pleisters te maken.

Het doel is om mensen meer mogelijkheden te geven om een ​​COVID-19-vaccin te krijgen en het toegankelijker te maken. De implantaten, die onder de huid worden geïnjecteerd en in de loop van een maand het vaccin langzaam afgeven, hoeven maar één keer te worden toegediend. En de micronaaldpleisters, die zonder pijn of ongemak op de arm kunnen worden gedragen, zouden mensen in staat stellen het vaccin zelf toe te dienen.

“Stel je voor dat vaccinpatches naar de brievenbussen van onze meest kwetsbare mensen kunnen worden gestuurd, in plaats van dat ze hun huis verlaten en risico lopen”, zegt Jon Pokorski, een professor in nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering, wiens team ontwikkelde de technologie om de implantaten en micronaaldpleisters te maken.

“Als klinieken een implantaat met één dosis zouden kunnen aanbieden aan degenen die het heel moeilijk zouden hebben om hun tweede injectie te halen, zou dat bescherming bieden aan een groter deel van de bevolking en zouden we een betere kans hebben om de overdracht te stoppen”, voegde Pokorski eraan toe. , die ook een van de oprichters van de faculteit is van het Institute for Materials Discovery and Design van de universiteit.

In tests werden de COVID-19-vaccinkandidaten van het team aan muizen toegediend via implantaten, micronaaldpleisters of als een reeks van twee schoten. Alle drie de methoden produceerden hoge niveaus van neutraliserende antilichamen in het bloed tegen SARS-CoV-2.

Potentieel pan-coronavirusvaccin

Diezelfde antilichamen neutraliseerden ook tegen het SARS-virus, vonden de onderzoekers.

Het komt allemaal neer op het stukje van het coronavirus spike-eiwit dat aan het oppervlak van de nanodeeltjes is bevestigd. Een van deze stukken die het team van Steinmetz koos, een epitoop genaamd, is bijna identiek tussen SARS-CoV-2 en het originele SARS-virus.

“Het feit dat neutralisatie zo diepgaand is met een epitoop dat zo goed geconserveerd is onder een ander dodelijk coronavirus, is opmerkelijk”, zei co-auteur Matthew Shin, een nano-engineering Ph.D. student in het laboratorium van Steinmetz. “Dit geeft ons hoop op een potentieel pan-coronavirusvaccin dat bescherming zou kunnen bieden tegen toekomstige pandemieën.”

Een ander voordeel van dit specifieke epitoop is dat het niet wordt beïnvloed door een van de SARS-CoV-2-mutaties die tot nu toe zijn gemeld. Dat komt omdat dit epitoop afkomstig is uit een gebied van het spike-eiwit dat niet direct aan cellen bindt. Dit is anders dan de epitopen in de momenteel toegediende COVID-19-vaccins, die afkomstig zijn uit het bindingsgebied van het spike-eiwit. Dit is een regio waar veel van de mutaties zijn opgetreden. En sommige van deze mutaties hebben het virus besmettelijker gemaakt.

Epitopen uit een niet-bindende regio zullen deze mutaties minder snel ondergaan, legt Oscar Ortega-Rivera uit, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Steinmetz en de eerste auteur van het onderzoek. “Op basis van onze sequentieanalyses is het epitoop dat we hebben gekozen sterk geconserveerd onder de SARS-CoV-2-varianten.”

Dit betekent dat de nieuwe COVID-19-vaccins mogelijk effectief kunnen zijn tegen de varianten van zorg, zei Ortega-Rivera, en er worden momenteel tests uitgevoerd om te zien welk effect ze hebben tegen bijvoorbeeld de Delta-variant.

Plug en play vaccin

Een ander ding dat Steinmetz erg enthousiast maakt over deze vaccintechnologie, is de veelzijdigheid die het biedt om nieuwe vaccins te maken. “Zelfs als deze technologie geen impact heeft op COVID-19, kan ze snel worden aangepast voor de volgende dreiging, het volgende virus X”, aldus Steinmetz.

Het maken van deze vaccins, zegt ze, is “plug and play:” kweek plantenvirus of bacteriofaag nanodeeltjes uit planten of bacteriën, en bevestig vervolgens een stuk van het doelvirus, pathogeen of biomarker aan het oppervlak.

“We gebruiken dezelfde nanodeeltjes, dezelfde polymeren, dezelfde apparatuur en dezelfde chemie om alles samen te voegen. De enige variabele is echt het antigeen dat we aan het oppervlak plakken”, zei Steinmetz.

De resulterende vaccins hoeven niet koud te worden bewaard. Ze kunnen worden verpakt in implantaten of micronaaldpleisters. Of ze kunnen direct op de traditionele manier worden toegediend via shots.

De laboratoria van Steinmetz en Pokorski hebben dit recept in eerdere onderzoeken gebruikt om kandidaat-vaccins te maken voor ziekten zoals: HPV en cholesterol. En nu hebben ze aangetoond dat het ook werkt voor het maken van COVID-19-vaccinkandidaten.

Volgende stappen

De vaccins hebben nog een lange weg te gaan voordat ze in klinische proeven komen. In de toekomst zal het team in vivo testen of de vaccins beschermen tegen infectie door COVID-19, evenals zijn varianten en andere dodelijke coronavirussen.