En ny klass av biomaterial som utvecklats av Cornell-forskare för en infektionssjukdom nanovaccine stärkte effektivt immuniteten hos möss med metabola störningar kopplade till tarmbakterier – en population som visar motstånd mot traditionella influensa- och poliovacciner.

Studien är den första som utforskar sambandet mellan nanomaterial, immunsvar och mikrobiomet, ett allt viktigare forskningsområde. Mikrobiomet – samlingen av mikroorganismer som lever i kroppen – tros spela en avgörande roll för människors hälsa.

"Det här dokumentet belyser hur mikrobiomet kan påverka våra konstruerade vacciner och hur vi kan övervinna dessa problem genom att utveckla avancerade material, sa Ankur Singh, biträdande professor vid Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering (MAE) och Meinig School of Biomedical Engineering (BME).

Singh är senior författare till "Immunmodulerande nanogeler övervinner begränsad immunitet i en murin modell av tarmmikrobiommedierat metaboliskt syndrom, " som publicerades den 27 mars i Vetenskapens framsteg . Tidningens första författare är Matthew Mosquera, en doktorand i teknik.

"Detta arbete öppnar upp en ny, mycket spännande område för undersökning av hur biologiska faktorer och underliggande sjukdomstillstånd påverkar prestandan hos etablerade nanovacciner, sa Singh, som också är medlem i Englander Institute for Precision Medicine vid Weill Cornell Medicine och det nybildade Cornell Center for Immunology. "Mer viktigt, den visar hur du kan använda dessa konstruerade material och göra dem mer användbara i en bredare befolkning för att övervinna immunitet mot vaccin."

Mer än en tredjedel av amerikanerna och en fjärdedel av människor världen över tros lida av metabolt syndrom, ett paraply för flera sjukdomar inklusive fetma, inflammation och insulinresistens.

Tarmmikrobiomet är en av de faktorer som kan orsaka metabolt syndrom, och forskare är intresserade av mikrobiom-inducerat metabolt syndrom på grund av bevis som kopplar både mikrobiomet och metabola störningar till immunsystemet.

"Att förstå hur mikrobiomet påverkar framtida konstruerade vacciner är av yttersta vikt ur ett folkhälsoperspektiv, sa Ilana Brito, biträdande professor i biomedicinsk teknik och medförfattare till uppsatsen. "Denna forskning kommer att öppna upp nya vägar för att undersöka hur specifika komponenter i mikrobiomet förändrar immunsvaret. När man utvecklar nya vacciner, Det kommer att vara viktigt att designa material som är effektiva i en mängd olika mikrobiomkompositioner."

Tidigare forskning har visat att traditionella humana influensa- och poliovacciner misslyckas hos möss som har metabola störningar orsakade av störningar i deras tarmbiomer. "Det motiverade oss att undersöka vad som händer med nanovacciner, som kan vara bättre än lösliga vacciner, för att bättre förstå rollen av underliggande fetma och inflammation som utvecklas i tarmförändringar, " sa Singh.

Nanovacciner, som vanligtvis består av nanomaterial, kan tas upp av celler i immunsystemet och har visat sig inducera starkare immunitet än traditionella lösliga vacciner i prekliniska modeller.

Men forskare fann att den mest använda typen av nanovaccin, gjord av poly(mjölk-samglykolsyra) (PLGA), är inte särskilt effektivt på möss med tarminitierat metabolt syndrom. När forskare testade PLGA nanovacciner på mössen, det var mindre framgångsrikt än de hade förväntat sig, även med tillägg av en allmänt använd immunförstärkare.

"Vi frågade, finns det sätt att övervinna detta begränsade svar genom att konstruera nya nanomaterialvacciner?" sa Singh. "Sedan tittade vi djupare på en ny klass av material som modulerar immunsystemet, pyridinfunktionaliserad poly(2-hydroxietylmetakrylat), potentialen som vi nyligen upptäckt."

Det nya materialet bildade en stabil nanogel med proteinantigener, vilket visade sig vara effektivt under tarminitierade metabola syndromtillstånd. Arbetar med Cynthia Leifer, docent i immunologi vid College of Veterinary Medicine, gruppen upptäckte att detta nya material stimulerar en receptor som känner igen patogena farosignaler på mikrober.

"Denna studie är viktig eftersom den visar att dessa nanogeler kan leverera både antigen och adjuvans utan att behöva en extra immunförstärkare, vilket sannolikt bidrar till deras starkare immunaktivering och förmåga att övervinna begränsningar som ålagts av sjukdomar eller förändrade mikrobiomer, ", sa Leifer. "Immunmodulerande terapier är ett hett ämne, och materialbaserade immunmoduleringsmetoder är i sin linda. Det finns så mycket som kan göras med dem."

Även om det har fastställts att mikrobiomet påverkar immunsystemet, dessa fynd tyder på att nanovacciner kan påverka mikrobiomet i gengäld.

"Nanomaterial kan modulera sammansättningen av tarmmikrobiomet - jag tror att det är av enorm betydelse för hela fältet och kan ha implikationer i materialdesign, " sa han. "Oavsett om det är en orsakande effekt eller orsaken bakom detta är inte särskilt väl förstått - det finns flera hypoteser som återstår att testa, så det här kommer att vara framtida arbete för oss."