I en strävan efter att göra säkrare och effektivare vacciner, forskare vid Biodesign Institute vid Arizona State University har vänt sig till ett lovande område som kallas DNA -nanoteknik för att göra en helt ny klass av syntetiska vacciner.

I en studie publicerad i tidskriften Nano bokstäver , Biodesignimmunologen Yung Chang gick ihop med sina kollegor, inklusive DNA -nanotekniska innovatören Hao Yan, att utveckla det första vaccinkomplexet som kan levereras säkert och effektivt genom att piggybacka på självmonterade, tredimensionella DNA-nanostrukturer.

"När Hao behandlade DNA inte som ett genetiskt material, men som ett ställningsmaterial, som fick mig att tänka på möjliga tillämpningar inom immunologi, "sa Chang, en docent vid School of Life Sciences och en forskare vid Biodesign Institute's Center for Infectious Diseases and Vaccinology. "Detta gav ett bra tillfälle att försöka använda dessa DNA -ställningar för att göra ett syntetiskt vaccin."

"Det största bekymret var:Är det säkert? Vi ville efterlikna sammansättningen av molekyler som kan utlösa ett säkert och kraftfullt immunsvar i kroppen. Eftersom Haos team har utvecklat en mängd intressanta DNA -nanostrukturer under de senaste åren, Vi har samarbetat mer och mer för att ytterligare utforska några lovande tillämpningar för denna hälsa för människors hälsa. "

I kärnans tvärvetenskapliga forskargruppsmedlemmar ingick också:ASU kemi och biokemi doktorand och papper första författare Xiaowei Liu, gästprofessor Yang Xu, biträdande professor i kemi och biokemi Yan Liu, School of Life Sciences grundutbildning Craig Clifford och Tao Yu, besökande doktorand från Sichuan University.

Chang påpekar att vacciner har lett till några av de mest effektiva folkhälsan triumferar inom all medicin. Den senaste tekniken inom vaccinutveckling är beroende av genteknik för att montera immunsystemstimulerande proteiner till virusliknande partiklar (VLP) som efterliknar strukturen hos naturliga virus --- minus de skadliga genetiska komponenterna som orsakar sjukdom.

DNA -nanoteknik, där livsmolekylen kan sättas ihop i 2-D och 3-D former, har en fördel med att vara ett programmerbart system som exakt kan organisera molekyler för att härma naturliga molekylers verkan i kroppen.

"Vi ville testa flera olika storlekar och former av DNA -nanostrukturer och fästa molekyler till dem för att se om de kan utlösa ett immunsvar, "sa Yan, Milton D. Glick Distinguished Chair vid Institutionen för kemi och biokemi och forskare vid Biodesigns Center for Single Molecule Biophysics. Med deras biomimicry -tillvägagångssätt, vaccinkomplexen som de testade liknade mycket naturliga viruspartiklar i storlek och form.

Som bevis på konceptet, de fästes på separata pyramidformade och grenade DNA-strukturer ett modellimmunstimulerande protein som kallas streptavidin (STV) och immunresponsförstärkande förening som kallas ett adjuvans (CpG-oligo-deoxynukletider) för att göra sina syntetiska vaccinkomplex.

Först, gruppen var tvungen att bevisa att målcellerna kunde tappa nanostrukturerna. Genom att fästa en ljusemitterande spårmolekyl till nanostrukturerna, de fann att nanostrukturerna bodde bekvämt i lämplig cellkammare och var stabila i flera timmar ---- tillräckligt länge för att sätta igång en immunkaskad.

Nästa, i en musutmaning, de riktade leveransen av deras vaccinlast till celler som är de första som svarar på att initiera ett effektivt immunsvar, samordna interaktion mellan viktiga komponenter, såsom:antigenpresenterande celler, inklusive makrofager, dendritiska celler och B -celler. Efter att lasten har internaliserats i cellen, de bearbetas och "visas" på cellytan för T -celler, vita blodkroppar som spelar en central roll för att utlösa ett skyddande immunsvar. T -cellerna, i tur och ordning, hjälpa B -celler med att producera antikroppar mot ett målantigen.

För att korrekt testa alla variabler, de injicerade:1) hela vaccinkomplexet 2) STV (antigen) ensamt 3) CpG (adjuvans) blandat med STV.

Under 70 dagar, gruppen fann att möss immuniserade med hela vaccinkomplexet utvecklade ett mer robust immunsvar upp till 9 gånger högre än CpG blandat med STV. Den pyramidformade (tetraedriska) strukturen genererade det största immunsvaret. Immunsvaret mot vaccinkomplexet var inte bara specifikt och effektivt, men också säkert, som forskargruppen visade, med två oberoende metoder, att inget immunsvar utlöste från att introducera DNA -plattformen ensam.

"Vi var mycket nöjda, "sa Chang." Det var så trevligt att se resultaten som vi förutspådde. Många gånger inom biologin ser vi inte det. "

Med förmågan att rikta in specifika immunceller för att generera ett svar, teamet är glada över utsikterna för denna nya plattform. De ser för sig applikationer där de kan utveckla vacciner som kräver flera komponenter, eller anpassa sina mål för att skräddarsy immunsvaret.

Vidare, det finns potential att utveckla riktade terapier på ett liknande sätt som några av den nya generationen av cancerläkemedel.

Övergripande, även om DNA -fältet fortfarande är ungt, forskningen går framåt i en rasande takt mot translationell vetenskap som påverkar hälsovården, elektronik, och andra applikationer.

Även om Chang och Yan är överens om att det fortfarande finns mycket utrymme att utforska manipulation och optimering av nanotekniken, det har också ett stort löfte. "Med detta bevis på koncept, utbudet av antigener som vi kan använda för att utveckla syntetiskt vaccin är verkligen obegränsat, sa Chang.