Genom att vika DNA till en virusliknande struktur, MIT-forskare har designat HIV-liknande partiklar som framkallar ett starkt immunsvar från mänskliga immunceller odlade i en labbskål. Sådana partiklar kan så småningom användas som ett HIV -vaccin.

DNA-partiklarna, som nära efterliknar storleken och formen på virus, är belagda med HIV-proteiner, eller antigener, arrangerade i exakta mönster utformade för att framkalla ett starkt immunsvar. Forskarna arbetar nu med att anpassa detta tillvägagångssätt för att utveckla ett potentiellt vaccin mot SARS-CoV-2, och de förväntar sig att det skulle kunna fungera för en mängd olika virussjukdomar.

"De grova utformningsreglerna som börjar komma ut ur detta arbete bör vara allmänt tillämpliga över sjukdomsantigener och sjukdomar, "säger Darrell Irvine, vem är Underwood-Prescott-professorn med utnämningar vid institutionerna för biologisk teknik och materialvetenskap och teknik; en associerad chef för MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research; och en medlem av Ragon Institute of MGH, MIT, och Harvard.

Irvine och Mark Bathe, en MIT-professor i biologisk teknik och en associerad medlem av Broad Institute of MIT och Harvard, är seniorförfattarna till studien, som visas idag i Naturens nanoteknik. Tidningens huvudförfattare är före detta MIT postdocs Rémi Veneziano och Tyson Moyer.

DNA-design

Eftersom DNA-molekyler är mycket programmerbara, forskare har arbetat sedan 1980-talet med metoder för att designa DNA-molekyler som skulle kunna användas för läkemedelstillförsel och många andra tillämpningar, senast med en teknik som kallas DNA-origami som uppfanns 2006 av Paul Rothemund från Caltech.

2016, Bathes labb utvecklade en algoritm som automatiskt kan designa och bygga godtyckliga tredimensionella virusliknande former med hjälp av DNA-origami. Denna metod ger exakt kontroll över strukturen av syntetiskt DNA, tillåta forskare att fästa en mängd olika molekyler, såsom virala antigener, på specifika platser.

"DNA-strukturen är som en pegboard där antigenerna kan fästas i vilken position som helst, "Säger Bathe. "Dessa virusliknande partiklar har nu gjort det möjligt för oss att avslöja grundläggande molekylära principer för igenkänning av immunceller för första gången."

Naturliga virus är nanopartiklar med antigener placerade på partikelytan, och man tror att immunsystemet (särskilt B-celler) har utvecklats för att effektivt känna igen sådana partikelformiga antigener. Vacciner utvecklas nu för att efterlikna naturliga virala strukturer, och sådana nanopartikelvacciner tros vara mycket effektiva för att producera ett B-cellsimmunsvar eftersom de har rätt storlek för att transporteras till lymfkärlen, som skickar dem direkt till B-celler som väntar i lymfkörtlarna. Partiklarna har också rätt storlek för att interagera med B-celler och kan presentera en tät samling av virala partiklar.

Dock, bestämma rätt partikelstorlek, avstånd mellan antigener, och antalet antigener per partikel för att optimalt stimulera B-celler (som binder till målantigener genom deras B-cellsreceptorer) har varit en utmaning. Bathe och Irvine tänkte använda dessa DNA-ställningar för att efterlikna sådana virus- och vaccinpartikelstrukturer, i hopp om att upptäcka de bästa partikeldesignerna för B-cellsaktivering.

"Det finns ett stort intresse för användningen av virusliknande partikelstrukturer, där du tar ett vaccinantigen och lägger det på ytan av en partikel, för att driva optimala B-cellssvar, " säger Irvine. "Men, reglerna för hur man utformar den här skärmen är verkligen inte väl förstådda. "

Andra forskare har försökt skapa subenhetsvacciner med andra typer av syntetiska partiklar, såsom polymerer, liposomer, eller självmonterande proteiner, men med dessa material, det är inte möjligt att kontrollera placeringen av virala proteiner lika exakt som med DNA-origami.

För denna studie, forskarna designade icosaedriska partiklar med en liknande storlek och form som ett typiskt virus. De fäste ett konstruerat HIV-antigen relaterat till gp120-proteinet till ställningen på en mängd olika avstånd och tätheter. Till deras förvåning, de fann att de vacciner som gav den starkaste responsen från B-celler inte nödvändigtvis var de som packade antigenerna så nära som möjligt på ställningens yta.

"Det antas ofta att ju högre antigendensitet, desto bättre, med tanken att föra B-cellsreceptorer så nära varandra som möjligt är det som driver signalering. Dock, experimentresultatet, vilket var väldigt tydligt, var att det närmaste möjliga avståndet vi kunde göra inte var det bästa. Och, och när du vidgar avståndet mellan två antigener, signalering ökat, "Säger Irvine.

Resultaten från denna studie har potential att vägleda utvecklingen av HIV-vaccin, eftersom HIV-antigenet som används i dessa studier för närvarande testas i en klinisk prövning på människor, med hjälp av en proteinnanopartikelställning.

Baserat på deras uppgifter, MIT-forskarna arbetade med Jayajit Das, professor i immunologi och mikrobiologi vid Ohio State University, att utveckla en modell för att förklara varför större avstånd mellan antigener ger bättre resultat. När antigener binder till receptorer på ytan av B-celler, de aktiverade receptorerna tvärbinder med varandra inuti cellen, förbättra deras svar. Dock, modellen antyder att om antigenerna är för nära varandra, detta svar minskar.

Bortom HIV

Under de senaste månaderna har Bathes lab har skapat en variant av detta vaccin med Aaron Schmidt och Daniel Lingwood labs vid Ragon Institute, där de bytte ut HIV-antigenerna mot ett protein som finns på ytan av SARS-CoV-2-viruset. De testar nu om detta vaccin kommer att ge ett effektivt svar mot coronaviruset SARS-CoV-2 i isolerade B-celler, och hos möss.

"Vår plattformsteknik låter dig enkelt byta ut olika subenhetsantigener och peptider från olika typer av virus för att testa om de potentiellt kan fungera som vacciner, " säger Bada.

Eftersom detta tillvägagångssätt tillåter att antigener från olika virus bärs på samma DNA-ställning, det kan vara möjligt att designa varianter som riktar sig mot flera typer av coronavirus, inklusive tidigare och potentiellt framtida varianter som kan dyka upp, säger forskarna.