Forskarnas ursprungliga uppgift var att ta reda på hur vissa polymera nanomaterial gav ett låginflammatoriskt immunsvar och ändå kunde öka antikroppsproduktionen som en del av en enda dos av vaccin.

När de väl lärde sig hur dessa nanomaterial som bara är 20 till 30 miljarddelar av en meter i storlek fungerade som vaccinhjälpande adjuvans, de bestämde sig för att ta nästa vetenskapliga steg.

Skulle samma små adjuvans kunna bära verkliga antigener till immunsystemets B-celler och förvandla dem till antikroppsutsöndrande fabriker? Dessutom, kan detta vara ett alternativt sätt att producera laboratorieantikroppar för diagnostiska och terapeutiska tillämpningar?

Svaren var ja. Cellkulturexperiment med tekniken producerade antikroppar mot viktiga antigener från coronaviruset som orsakar COVID-19 och bakterien som orsakar lungpest.

Den första observationen och efterföljande upptäckten visar hur forskare som är knutna till Nanovaccine Institute baserat vid Iowa State University ser på sin forskning ur många perspektiv:

"Detta är ett bra exempel på den sunda dragkampen mellan ett grundforskningsresultat om mekanismen för antikroppsproduktion och en translationell fördel av att vi kan ha uppfunnit en ny antikroppsproduktionsplattform, " sa Balaji Narasimhan, direktören för Nanovaccine Institute, en Iowa State Anson Marston Distinguished Professor in Engineering och Vlasta Klima Balloun Faculty Chair. "Nanovaccineinstitutet brinner på båda sidor av det ljuset."

Journalen Vetenskapens framsteg publicerade nyligen forskarnas resultat. Första författare är Sujata Senapati, en före detta doktorand i Iowa State i kemi och biologisk teknik. Motsvarande författare är Narasimhan och Surya Mallapragada, en Iowa State Anson Marston Distinguished Professor in Engineering, en biträdande vicepresident för forskning och Carol Vohs Johnson-stolen i kemi- och biologisk teknik. (Se sidofältet för hela forskargruppen.)

Bidrag från National Institute of Allergy and Infectious Diseases, en del av National Institutes of Health, stödde forskarnas arbete.

Det är som en stege

Det var tydligt för forskarna att dessa nanomaterial - "pentablock sampolymer miceller, " enligt forskarnas papper - hjälpte B-celler att initiera antikroppsproduktion. (Miceller är strukturer som själva monteras i vatten eller oljor när deras molekyler anpassar sig på grund av deras vattenälskande eller vattenhatande egenskaper.)

"Från våra studier, vi förstod mycket tidigt att dessa självmonterande miceller skiljer sig från de andra typerna av adjuvans där ute, "Sade Senapati. "Vad vi inte visste var orsaken bakom denna unika typ av immunsvar som genererades av dem och det var för mig den mest spännande delen av detta projekt."

Mallapragada sa att forskarna kunde skräddarsy nanomaterialens kemi, skapa "miceller med extra funktionalitet."

En av dessa funktioner är förmågan hos positivt laddade miceller att associera med flera antigener och direkt interagera med receptorer på B-celler, enligt tidningen. Denna tvärbindning av B-cellsreceptorerna ledde till bättre antikroppsproduktion och ett förbättrat immunsvar mot ett vaccin.

"Dessa miceller fungerar som en ställning för att tvärbinda två receptorer, sade Michael Wannemuehler, en biträdande direktör för Nanovaccine Institute och en Iowa State professor i veterinär mikrobiologi och förebyggande medicin.

Han sa att tvärbindningen är stark och stabil, som en stege krokig i båda ändar, och är effektivt för att stimulera antikroppsproduktion av B-cellerna.

Den cellulära aktiveringen kom utan det inflammatoriska svaret som följer med andra vaccinadjuvans, potentiellt producera ett "lagom" immunsvar" som kan vara "kritiskt i den rationella utformningen av vacciner för äldre vuxna" som ofta lider av kronisk inflammation, enligt tidningen.

Att göra labbantikroppar

Nu när forskarna förstod "bakom kulisserna"-mekanismen för micellernas antikroppsboost, Senapati sa att de ville se vad mer de kunde hitta.

"Nästa uppenbara steg då var att testa vår hypotes med antigener från några verkliga patogener och se om dessa miceller potentiellt skulle kunna användas för att producera antikroppar mot dem, " Hon sa.

De använde micelleställningarna för att presentera antigener för SARS-CoV-2, viruset som orsakar covid-19, och Yersinia pestis, bakterien som orsakar lungpest, till B-celler i kultur.

Dessa celler började generera "laboratorieskala mängder av terapeutiska antikroppar" mot de två antigenerna, "att ytterligare utöka värdet av dessa nanomaterial för att snabbt utveckla motåtgärder mot infektionssjukdomar, " enligt tidningen.

Dessa antikroppar skulle potentiellt kunna användas för diagnostiska testkit eller för behandlingar som de monoklonala antikropparna som har utvecklats för att behandla COVID-19, Wannemuehler sa.

"Det finns olika sätt att producera antikroppar, " Narasimhan sa. "Metoden vi hittade är ett alternativ som kan vara ganska kraftfullt om det är generaliserat till andra sjukdomar. Det kan vara en plug-and-play-plattform."

Eftersom det är en effektiv vaccinadjuvans och antikroppsproducent, tidningen säger att nanomaterialplattformen som utvecklats av studieteamet är "ett mycket mångsidigt verktyg i utvecklingen av flera motåtgärder mot nya och återkommande infektionssjukdomar."