Nanosvampar som suger upp ett farligt porbildande toxin som produceras av MRSA (meticillinresistent Staphylococcus aureus ) skulle kunna fungera som ett säkert och effektivt vaccin mot detta toxin. Detta "nanosvampvaccin" gjorde det möjligt för immunsystemet hos möss att blockera de negativa effekterna av alfa-hemolysin-toxinet från MRSA - både i blodomloppet och på huden. Nanoingenjörer från University of California, San Diego beskrev säkerheten och effekten av detta nanosvampvaccin i 1 decembernumret av Naturens nanoteknik .

Nanosvamparna i grunden för den experimentella "toxoidvaccin"-plattformen är biokompatibla partiklar gjorda av en polymerkärna insvept i ett membran av röda blodkroppar. Varje nanosvamps membran av röda blodkroppar griper och kvarhåller Staphylococcus aureus (staph) toxin alfa-hemolysin utan att äventyra toxinets strukturella integritet genom uppvärmning eller kemisk bearbetning. Dessa toxinfyllda nanosvampar fungerade som vacciner som kunde utlösa neutraliserande antikroppar och bekämpa annars dödliga doser av toxinet hos möss.

Toxoidvaccin skyddar mot ett toxin eller en uppsättning toxiner, snarare än organismen som producerar toxinet/gifterna. När problemet med antibiotikaresistens förvärras, toxoidvacciner erbjuder ett lovande sätt att bekämpa infektioner utan att vara beroende av antibiotika.

"Med vårt toxoidvaccin, vi behöver inte oroa oss för antibiotikaresistens. Vi riktar oss direkt mot alfa-hemolysintoxinet, " sa Liangfang Zhang, en nanoteknikprofessor vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och seniorförfattaren på tidningen. Att rikta in sig på alfa-hemolysintoxinet direkt har en annan fördel. "Dessa toxiner skapar en giftig miljö som fungerar som en försvarsmekanism som gör det svårare för immunsystemet att bekämpa Staph-bakterier, " förklarade Zhang.

Förutom MRSA och andra staph-infektioner, tillvägagångssättet med nanosvampvaccin skulle kunna användas för att skapa vacciner som skyddar mot en mängd olika toxiner, inklusive de som produceras av E coli och H. pylori .

Detta arbete från Zhangs Nanomaterials and Nanomedicine Laboratory vid UC San Diego inkluderade nanoingenjör efter doktorand Che-Ming "Jack" Hu, doktorand i nanoteknik Ronnie Fang, och bioingenjörsstudent Brian Luk.

Forskarna fann att deras nanosvampvaccin var säkert och effektivare än toxoidvaccin gjorda av värmebehandlat staph-toxin. Efter en injektion, bara 10 procent av staph-infekterade möss som behandlats med den uppvärmda versionen överlevde, jämfört med 50 procent för dem som fått nanosvampvaccinet. Med ytterligare två boosterskott, överlevnadsgraden med nanosvampvaccinet var upp till 100 procent, jämfört med 90 procent med det värmebehandlade giftet.

"Nanosvampvaccinet kunde också helt förhindra toxinets skador i huden, där MRSA-infektioner ofta förekommer, sa Zhang, som också är knuten till Moores Cancer Center vid UC San Diego.

Bekämpning av porbildande gifter

Detta arbete är en twist på ett projekt som UC San Diegos nanoingenjörer presenterade tidigare i år:en nanosvamp som kan suga upp en mängd olika porbildande toxiner – från bakterieproteiner till ormgift – i kroppen.

Porbildande toxiner fungerar genom att stansa hål i en cells membran och låta cellen i huvudsak läcka ihjäl. Men när toxiner angriper membranet av röda blodkroppar draperat över nanopartikeln, "ingenting kommer att hända. Det låser bara giftet där, " förklarade Zhang.

Nanoingenjörerna undrade vad som skulle hända om de laddade en av sina nanosvampar med staph-toxin på detta sätt, och presenterade hela paketet för en väsentlig del av immunsystemet som kallas dendritiska celler. Kan de laddade partiklarna utlösa ett immunsvar och fungera som ett toxoidvaccin?

Staph toxin är så kraftfullt att det dödar immunceller i sin oförändrade form. De flesta vaccinkandidater, därför, använd en värme eller kemiskt bearbetad version av toxinet som löser upp några av dess proteiner och gör det lite svagare. Men denna process gör också att immunsvaret mot toxinet blir lite svagare.

"Ju mer du värmer det, desto säkrare är toxinet, men ju mer du värmer det, ju mer du skadar proteinets struktur, " Zhang förklarade. "Och den här strukturen är vad immuncellen känner igen, och bygger sina antikroppar mot."

Nanosvamptoxoidvaccinet kommer runt detta problem genom att kvarhålla - men inte ändra - staph-toxinet. Som en farlig men handfängsel fånge, staph-toxinet kan ledas till immunsystemets dendritiska celler utan att orsaka någon skada.

Före detta, "det fanns inget sätt att du kunde leverera ett naturligt toxin till immuncellerna utan att skada cellerna, ", sa Zhang. "Men den här tekniken tillåter oss att göra det här."

Varje vaccinpartikel är cirka 85 nanometer i diameter; för jämförelse, cirka 1000 av dem skulle passa över bredden på ett enda människohår. De rensas bort från kroppen efter injektion inom cirka två veckor, fann forskarna.

Staphylococcus aureus

Staphbakterier är en av de vanligaste orsakerna till hudinfektioner, and can cause blood poisoning and surgical infections as well as pneumonia. Enligt Centers for Disease Control and Prevention, about 80, 000 Americans suffer from invasive MRSA infections each year, and over 11, 000 of those individuals die. At the moment, there are no vaccines approved to protect humans against the toxins associated with staph infections, including those caused by MRSA strains.

The idea for a staph vaccine came about when the researchers considered the success of their nanosponge. If the particle was so good at collecting toxins, they wondered, what were the potential uses of a particle full of toxin? "To be honest, we never thought about the vaccine use from the beginning, " Zhang noted. "But when we do research, we always want to look at a problem in reverse."

På ett sätt, the toxoid vaccine hearkens back to their first use for the particles, as a cancer drug delivery device, Zhang noted.

The particles "work so beautifully, " Zhang said, that it might be possible to detain several toxins at once on them, creating "one vaccine against many types of pore-forming toxins, " from staph to snake venom.