Polymeersteiger kan zelf assembleren in weefsel om in de loop van de tijd meerdere vaccincomponenten te leveren

Soms is de beste manier om een ​​groot resultaat te bereiken, klein te beginnen. Dat principe staat centraal in nieuw werk van een onderzoeker van de Universiteit van Virginia die gespecialiseerd is in nanotechnologie en gecontroleerde levering van medische behandelingen.

Evan Scott, professor in de biomedische techniek met dubbele afspraken in UVA’s School of Engineering and Applied Science and School of Medicine, schreef een recente publicatie in Natuurcommunicatie waarin hij en een team van collega’s een nieuwe manier creëerden om aanhoudende medische behandelingen te leveren. Ze onthulden een systeem op basis van polymeer dat zich in het lichaam assembleert om behandeling met precisie te geven en zonder immuunafwijzing te activeren of invasieve procedures te vereisen.

De technologie kan leiden tot grote verbeteringen op veel gebieden, waaronder vaccinontwikkeling. “Dit zou ons op een dag kunnen helpen nieuwe vaccinformuleringen te optimaliseren – en sneller,” zei Scott, Thomas A. Saunders III Family Jefferson Scholars Foundation Distinguised University Professor en leider van het Scott Research Lab.

Hoe het werkt

Voor het leveren van medicijnen in het lichaam heeft Scott’s Lab eerder in biomimicry gewerkt door het ontwerpen van nanoschaal, miljardste voertuigen van een meter die de structuur en functie van virussen “kopiëren”. Deze kleine deeltjes transporteren veilig geneesmiddelen naar specifieke cellen en weefsels, waardoor de therapeutische reacties snel worden veroorzaakt voor de behandeling van ziekte of zelfs naar Voorkom orgelafwijzing.

Maar zijn huidige onderzoek maakt in plaats daarvan gebruik van biomimicry voor langzame drugsafgifte om problemen aan te pakken die duurzame modulatie van het immuunsysteem vereisen. Hier kopieert hij het vermogen van de natuur om hiërarchie te gebruiken: waar zeer eenvoudige componenten zelf kunnen organiseren in grotere, complexere structuren.

Stel je bijvoorbeeld voor dat je kleine LEGO -bakstenen met elkaar verbindt om een ​​grotere baksteen te bouwen en vervolgens deze Lego -bakstenen te gebruiken om een ​​kasteel te bouwen. In deze hiërarchie vormden de kleine Lego -bakstenen de basis van een veel complexere structuur, een kasteel, dat een tussenliggende component vereiste voor montage, de grotere bakstenen.

“De meeste dingen die erg ingewikkeld zijn, zijn eigenlijk gemaakt van zeer eenvoudige kleine stukjes,” legde Scott uit. “Je kunt op een top-down manier een zeer gecompliceerde structuur maken, maar het is niet altijd de beste of enige manier om het groot en gecompliceerd te bouwen. Bij het maken van materialen op nanoschaal, is het vaak efficiënter om een ​​bottom-up strategie te gebruiken door eerst eenvoudige kleinschalige componenten te maken die vervolgens kunnen combineren en schalen om een ​​veel groter complex mechanisme te maken.”

Neem bijvoorbeeld collageen, die het grootste deel van onze huid uitmaakt en pezen, botten, ligamenten en andere soorten weefsel ondersteunt. Collageen bestaat echt uit zeer kleine aminozuren die aan elkaar verbinden en zich organiseren in grotere eiwitten, die vervolgens worden geassembleerd in lange spoelen.

Om de sterkte en stabiliteit te maximaliseren, combineren deze spoelen zelf in fibrillen die uiteindelijk de dikke collageenvezels vormen die ons weefsel vormen. Door deze hiërarchische strategie kan de natuur uiterst efficiënt zijn, omdat deze zelfde aminozuren de basis kunnen vormen van alle verschillende eiwitten, weefsels en organen in ons lichaam.

In het nieuwe onderzoek creëerde Scott’s Lab een klein synthetisch polymeer – propyleensulfon – dat door meerdere stappen van hiërarchische assemblage kan gaan om verschillende soorten steigers in het lichaam te maken die geneesmiddelen kunnen laden en ze langzaam in de loop van de tijd kunnen vrijgeven. Het kan bijvoorbeeld synthetische bouwstenen combineren om een ​​gel onder de huid te maken voor het leveren van medicijnen die geen immuunrespons veroorzaken.

Het idee om medicijnen te leveren van gels en steigers voor aanhoudende behandeling is niet nieuw, maar het is vaak duur en moeilijk, en in sommige gevallen vereist invasieve methoden zoals chirurgie, zei Scott.

“Het is eigenlijk een groot probleem,” zei hij. “Als u een grote gel buiten het lichaam vooraf maakt, vereist dit een operatie voor implantatie, die lange hersteltijden en een risico op infectie inhoudt. Hier gebruiken we propyleensulfonbouwstenen om de gel in weefsel in weefsel te verzamelen na een eenvoudige niet-invasieve injectie.”

Wat het zou kunnen betekenen voor de ontwikkeling van vaccin

In het nieuwe artikel gebruikten Scott en zijn team hun nieuwe synthetische materialen als een vaccinafgiftesysteem dat het immuunsysteem van het lichaam instrueert om snel antilichamen tegen aanval te genereren. Omdat deze materialen zichzelf in het lichaam kunnen assembleren, kunnen ze precieze, stabiele structuren vormen die in de loop van de tijd meerdere vaccincomponenten vasthouden en vrijgeven. Dit maakt het mogelijk om vaccins te ontwerpen die zowel complex als sterk gecontroleerd zijn zonder chirurgie of complexe productiestappen.

De meeste vaccins werken op twee manieren: ze gebruiken de hele ziekteverwekker, of specifieke stukken die kunnen worden gezuiverd of gesynthetiseerd, om een ​​immuunrespons veilig te activeren zonder ziekten te veroorzaken. In de eerste inactiveren wetenschappers een hele ziekteverwekker door het te doden of meerdere generaties te kweken in verschillende cultuuromgevingen totdat ze evolueren naar de gewenste versie. Dit worden respectievelijk geïnactiveerde en verzwakte vaccins genoemd, die veel verschillende componenten uit de bacteriën hebben voor het stimuleren van een robuuste immuunrespons.

De tweede benadering, een subeenheidvaccin genoemd, is meestal waar twee zorgvuldig geselecteerde componenten – zoals het koppelen van een enkel antigeen en een adjuvans, bedoeld om de respons te stimuleren – in het lichaam worden geïnjecteerd om de infectie te behandelen. “En deze subeenheidvaccinformuleringen zijn meestal zeer eenvoudig en beperkt in mogelijkheden,” zei Scott.

Momenteel zijn verzwakte vaccins meestal effectiever voor de behandeling, waarschijnlijk omdat hun hogere complexiteit meer realistische stimulatie van het immuunsysteem mogelijk maakt. Maar ze zijn ook moeilijker te produceren en duurt veel langer om te maken dan subeenheidvaccins.

Door een zelfassemblerende polymeersteiger te gebruiken, kan de benadering van Scott een deel van die complexiteit nabootsen door meerdere antigenen en adjuvantia in één injectie efficiënt te dragen-en precies te regelen hoe en wanneer elk wordt vrijgegeven.

Het nieuwe onderzoek van Scott toont een pad vooruit voor subeenheidvaccins die ze zowel effectiever als sneller kunnen maken, terwijl ze een hogere complexiteit bereiken die reacties van verzwakte vaccins nabootst.

“Onze vraag was: kunnen we een synthetisch subeenheidvaccin maken met meer componenten uit de bacteriën, misschien vijf of zes, in plaats van alleen de typische twee. Maar je moet ook weten welke stukken daar zijn, en hoe je de hoeveelheid van elke component kunt regelen om te reguleren wat ze kunnen doen.”

Dat is waar de nieuwe doorbraak van materialenwetenschappen in hun onderzoek kan helpen. In plaats van elementen te combineren met twee functies, introduceerde het team van Scott met succes vijf componenten en specificeerde het bedrag en de release -snelheid van elk. Hierdoor kunnen ze een effectiever vaccin maken en snel optimaliseren – met meerdere aanvalspunten op infecties – op een gecontroleerde manier, met snellere productietijd.

Het is een beetje zoals het gebruik van de LEGO -bakstenen -aanpak opnieuw te gebruiken – beginnend met kleine bouwstenen die samen in een grotere, functionele structuur klikken. Hier zijn die “blokken” de individuele vaccincomponenten, en het “kasteel” is het volledig geassembleerde leveringssysteem dat ze in de juiste volgorde vrijgeeft.

“Dit is echt groot voor ons omdat het een nieuw multi-drugs leveringssysteem demonstreert,” zei Scott. “Het kan geneesmiddelen leveren in nieuwe combinaties; inclusief antigeen, adjuvans, antilichamen en enzymen; maar het kan ook een langdurige impact hebben op het ontwerp en de levering van vaccin in het algemeen.”