Ett nytt sätt att leverera läkemedel med ett gemensamt protein skulle kunna användas för att utveckla mosaikvacciner, som är vacciner som är effektiva mot flera stammar av ett virus som COVID-19, bland andra läkemedel i en global förstagång.

Sedan mitten av 2000-talet har ferritin, ett protein som hanterar järn i alla organismer, använts för att skapa vacciner samt leverera läkemedel mot cancer och andra läkemedel till kroppen. Detta beror till stor del på dess höga stabilitet vid rumstemperatur, den lätta produktionen i stora mängder och dess låga chans att avvisas av värdkroppen.

Proteinets unika metod för självmontering har dock hindrat forskare från att utveckla ett universellt tillvägagångssätt för att leverera ett brett utbud av läkemedel, fram till nu.

I en ny studie publicerad i nanotekniktidskriften Small , rapporterar forskare från King's College London, ledd av Dr. Kourosh Ebrahimi, ett nytt sätt att kringgå denna självmontering genom att kopiera beteendet hos virus som HIV-1.

Ferritin består av 24 sammankopplade underenheter som spontant sätter ihop sig själva för att göra en tredimensionell sfär som är ihålig inuti. Insidan av dessa små "nanocages" kan fyllas med terapeutiska läkemedel, men strukturen av proteinet måste brytas innan dessa sätts in i.

Traditionellt har syror använts för att bryta upp ferritins struktur, men dessa metoder kan skada proteinets struktur och tillåter inte nanocages att användas med läkemedel som inte kan lösas i vatten, som den pH-känsliga och vattenolösliga anticancerbehandlingen camptothecin .

Ännu viktigare är att dessa traditionella metoder inte kan användas för att skapa flerfunktionsmediciner som mosaikvaccin som tar antigener, den del av ett vaccin som lär kroppen hur man bekämpar sjukdomar, från olika stammar av samma virus och kombinerar dem för att utlösa ett bredare immunsvar .

"Oförmågan att enkelt kontrollera sammansättningen av naturliga protein-nanocages som ferritin har varit ett bakslag för att använda dessa säkra och biokompatibla material som ett läkemedelsleveranssystem för att göra moderna vaccin effektiva mot flera virus", säger doktorandforskaren Yujie Sheng.

Denna metod har en fördel jämfört med mRNA-vacciner som det senaste vaccinet mot COVID-19, som använder budbärar-RNA för att lära celler hur man gör antigener för specifika sjukdomar. Eftersom dessa mRNA-vacciner bara uttrycker en del av ett virus, snarare än en försvagad version av det som traditionella vacciner, är mRNA-vacciner snabbare att producera men kanske inte inducerar ett långvarigt immunsvar eftersom kroppen inte möter ett verkligt virusliknande partikel.

Även om de håller längre är utvecklingen av traditionella vaccin kostsam och kräver många års forskning och utveckling för att marknadsföra en säker kandidat. Genom att introducera ett "plug-in" nanocage-system har Kouroshs labb nu skapat en plattform som kombinerar fördelarna med mRNA och traditionella virusbaserade vacciner.

Eftersom den virusliknande nanocage-plattformen är säker, behöver den inte testas kliniskt varje gång ett annat antigen läggs till den, ungefär som en mRNA-plattform. Samtidigt kan olika antigener enkelt kopplas in i plattformen för att skapa virusliknande effektiva vacciner. Forskarna efterliknade hur virus som HIV-1 fungerar och länkade samman två av underenheterna genom en rad aminosyror som kallas en peptid.

Detta pausade ferritins självmontering och öppnade proteinet för olika vattenlösliga och olösliga läkemedel samtidigt som forskarna kunde plugga in olika antigener i nanocages yta.

Forskarna har också funnit att denna nya metod ledde till en fyrfaldig ökning av läkemedelsinkapslingen för både vattenlösliga och -olösliga behandlingar. Förutom att leverera fler läkemedel som doxorubicin, ett allmänt använt läkemedel mot cancer, till drabbade delar av kroppen, lovar detta att bredda spektrumet av läkemedel som ferritin kan bära.

"Vår teknik kombinerar fördelarna med mRNA-teknik och traditionella vacciner. Det är en säker plattform som mRNA-teknik, och samtidigt kan olika antigener pluggas in och generera virusliknande partiklar som efterliknar traditionella vacciner... Vi hoppas att stabiliteten och lättheten i produktionen som presenteras av denna plattform kommer att uppmärksammas av läkemedelstillverkare, säger Sheng.

Den nya processen hoppas också kunna öppna dörren till en ny typ av läkemedel som samtidigt kan fungera som ett vaccin och ett läkemedel, som syftar till att både förebygga sjukdomen och dess symtom.

Yujie Sheng, andraårs Ph.D. student i Kouroshs labb vid King's Institute of Pharmaceutical Science och studiens första författare, sa:"Oförmågan att enkelt kontrollera sammansättningen av naturliga protein-nanocages som ferritin har varit ett bakslag för att använda dessa säkra och biokompatibla material som ett läkemedelslevereringssystem för att göra moderna vacciner som är effektiva mot flera virus.

"Vår teknik kombinerar fördelarna med mRNA-teknik och traditionella vacciner. Det är en säker plattform som mRNA-teknik, och samtidigt kan olika antigener pluggas in och generera virusliknande partiklar som efterliknar traditionella vacciner.

"Dessutom kunde vi, med hjälp av vår teknik, blanda och matcha antigener från olika virus och skapa en vaccinkandidat som kan träna kroppen mot flera virus. Ett sådant mosaikvaccin kommer sannolikt att minska kostnaden och svarstiden på framtida viruspandemier.

"Vi hoppas att stabiliteten och lättheten i produktionen som presenteras av denna plattform kommer att uppmärksammas av läkemedelstillverkare."

King's College har beviljats ​​patent för denna teknik. Labbets nästa steg är att använda deras nanocage-teknologi och utveckla nya terapier mot en rad sjukdomar, såsom cancer och virusinfektion, som de hoppas kunna forska i i en kommersiell spin-out.

Mer information: Yujie Sheng et al, A Versatile Virus-Mimetic Engineering Approach for Concurrent Protein Nanocage Surface-Functionalization and Cargo Incapsulation, Small (2024). DOI:10.1002/smll.202310913

Journalinformation: Liten

Tillhandahålls av King's College London