Nanoingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat COVID-19-vaccinkandidater som kan ta värmen. Deras nyckelingredienser? Virus från växter eller bakterier.

De nya kylfria covid-19-vaccinerna är fortfarande i det tidiga utvecklingsstadiet. Hos möss, vaccinkandidaterna utlöste hög produktion av neutraliserande antikroppar mot SARS-CoV-2, viruset som orsakar covid-19. Om de visar sig vara säkra och effektiva hos människor, Vaccinerna kan vara en stor spelomvandlare för globala distributionsinsatser, inklusive de på landsbygden eller resursfattiga samhällen.

"Det som är spännande med vår vaccinteknik är att den är termiskt stabil, så att den lätt kan nå platser där man installerar frysar med ultralåg temperatur, eller låta lastbilar köra runt med dessa frysar, kommer inte att vara möjligt, sa Nicole Steinmetz, en professor i nanoteknik och chef för Center for Nano-ImmunoEngineering vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Vaccinerna är detaljerade i en tidning publicerad 7 september i Journal of the American Chemical Society .

Forskarna skapade två COVID-19-vaccinkandidater. En är gjord av ett växtvirus, kallas cowpea mosaikvirus. Den andra är gjord av ett bakterievirus, eller bakteriofag, kallas Q beta.

Båda vaccinerna gjordes med liknande recept. Forskarna använde cowpea växter och E coli bakterier för att odla miljontals kopior av växtviruset och bakteriofagen, respektive, i form av bollformade nanopartiklar. Forskarna skördade dessa nanopartiklar och fäste sedan en liten bit av SARS-CoV-2 spikproteinet på ytan. De färdiga produkterna ser ut som ett smittsamt virus så att immunsystemet kan känna igen dem, men de är inte smittsamma hos djur och människor. Den lilla biten av spikproteinet som är fäst på ytan är det som stimulerar kroppen att generera ett immunsvar mot coronaviruset.

Forskarna noterar flera fördelar med att använda växtvirus och bakteriofager för att göra sina vacciner. För en, de kan vara lätta och billiga att tillverka i stor skala. "Att odla växter är relativt enkelt och involverar infrastruktur som inte är alltför sofistikerad, ", sa Steinmetz. "Och jäsning med bakterier är redan en etablerad process i den biofarmaceutiska industrin."

En annan stor fördel är att växtviruset och bakteriofagnanopartiklar är extremt stabila vid höga temperaturer. Som ett resultat, Vaccinerna kan förvaras och skickas utan att behöva förvaras kallt. De kan också utsättas för tillverkningsprocesser som använder värme. Teamet använder sådana processer för att paketera sina vacciner till polymerimplantat och mikronålsplåster. Dessa processer går ut på att blanda vaccinkandidaterna med polymerer och smälta ihop dem i en ugn vid temperaturer nära 100 grader Celsius. Att direkt kunna blanda växtviruset och bakteriofagnanopartiklarna med polymererna från början gör det enkelt och okomplicerat att skapa vaccinimplantat och plåster.

Målet är att ge människor fler alternativ för att få ett covid-19-vaccin och göra det mer tillgängligt. Implantaten, som injiceras under huden och sakta släpper ut vaccin under loppet av en månad, skulle bara behöva administreras en gång. Och mikronålplåstren, som kan bäras på armen utan smärta eller obehag, skulle tillåta människor att själv administrera vaccinet.

"Tänk om vaccinplåster kunde skickas till brevlådorna till våra mest utsatta människor, istället för att låta dem lämna sina hem och riskera exponering, sa Jon Pokorski, en professor i nanoteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering, vars team utvecklade tekniken för att göra implantaten och mikronålsplåstren.

"Om kliniker kunde erbjuda ett endosimplantat till dem som skulle ha riktigt svårt att ta sig ut för sitt andra skott, som skulle erbjuda skydd för fler av befolkningen och vi skulle kunna ha en bättre chans att stoppa överföring, " lade Pokorski till, som också är en av de grundande fakultetsmedlemmar i universitetets Institute for Materials Discovery and Design.

I tester, teamets COVID-19-vaccinkandidater administrerades till möss antingen via implantat, mikronålsplåster, eller som en serie med två bilder. Alla tre metoderna producerade höga nivåer av neutraliserande antikroppar i blodet mot SARS-CoV-2.

Potentiellt pan-coronavirusvaccin

Samma antikroppar neutraliserade också mot SARS-viruset, fann forskarna.

Allt beror på biten av spikproteinet från coronaviruset som är fäst på ytan av nanopartiklarna. En av dessa bitar som Steinmetz team valde, kallas en epitop, är nästan identisk mellan SARS-CoV-2 och det ursprungliga SARS-viruset.

"Det faktum att neutralisering är så djupgående med en epitop som är så välbevarad bland ett annat dödligt coronavirus är anmärkningsvärt, " sa medförfattaren Matthew Shin, en nanoteknik Ph.D. student i Steinmetz labb. "Detta ger oss hopp om ett potentiellt pan-coronavirusvaccin som kan erbjuda skydd mot framtida pandemier."

En annan fördel med just denna epitop är att den inte påverkas av någon av SARS-CoV-2-mutationerna som hittills har rapporterats. Det beror på att denna epitop kommer från en region av spikeproteinet som inte direkt binder till celler. Detta skiljer sig från epitoperna i de för närvarande administrerade covid-19-vaccinerna, som kommer från spikproteinets bindningsregion. Detta är en region där många av mutationerna har inträffat. Och några av dessa mutationer har gjort viruset mer smittsamt.

Epitoper från en icke-bindande region är mindre benägna att genomgå dessa mutationer, förklarade Oscar Ortega-Rivera, en postdoktor i Steinmetz labb och studiens första författare. "Baserat på våra sekvensanalyser, epitopen som vi valde är mycket konserverad bland SARS-CoV-2-varianterna."

Detta innebär att de nya covid-19-vaccinerna potentiellt kan vara effektiva mot de varianter av oro, sa Ortega-Rivera, och tester pågår för närvarande för att se vilken effekt de har mot Delta-varianten, till exempel.

Plug and play-vaccin

En annan sak som gör Steinmetz riktigt upphetsad över denna vaccinteknologi är mångsidigheten den erbjuder för att göra nya vacciner. "Även om den här tekniken inte påverkar COVID-19, det kan snabbt anpassas för nästa hot, nästa virus X, sa Steinmetz.

Att göra dessa vacciner, hon säger, är "plug and play":odla nanopartiklar från växtvirus eller bakteriofag från växter eller bakterier, respektive, fäst sedan en bit av målviruset, patogen, eller biomarkör till ytan.

"Vi använder samma nanopartiklar, samma polymerer, samma utrustning, och samma kemi för att få ihop allt. Den enda variabeln är egentligen antigenet som vi fäster på ytan, sa Steinmetz.

De resulterande vaccinerna behöver inte förvaras kallt. De kan förpackas i implantat eller mikronålsplåster. Eller, de kan administreras direkt på traditionellt sätt via skott.

Steinmetz och Pokorskis labb har använt detta recept i tidigare studier för att göra vaccinkandidater för sjukdomar som HPV och kolesterol. Och nu har de visat att det fungerar för att göra COVID-19-vaccinkandidater också.

Nästa steg

Vaccinerna har fortfarande en lång väg att gå innan de kommer in i kliniska prövningar. Går vidare, teamet kommer att testa om vaccinerna skyddar mot infektion från covid-19, såväl som dess varianter och andra dödliga coronavirus, in vivo.