Många vacciner, inklusive vacciner mot hepatit B och kikhosta, består av fragment av virala eller bakteriella proteiner. Dessa vacciner innehåller ofta andra molekyler som kallas adjuvans, som hjälper till att stärka immunsystemets svar på proteinet.
De flesta av dessa adjuvanser består av aluminiumsalter eller andra molekyler som framkallar ett ospecifikt immunsvar. Ett team av MIT-forskare har nu visat att en typ av nanopartikel som kallas en metallorganisk ram (MOF) också kan provocera fram ett starkt immunsvar, genom att aktivera det medfödda immunsystemet – kroppens första försvarslinje mot alla patogener – genom cellproteiner som kallas tullliknande receptorer.
I en studie av möss visade forskarna att denna MOF framgångsrikt kunde inkapsla och leverera en del av SARS-CoV-2 spikproteinet, samtidigt som den fungerar som ett adjuvans när MOF bryts ner inuti celler.
Även om mer arbete skulle behövas för att anpassa dessa partiklar för användning som vaccin, visar studien att denna typ av struktur kan vara användbar för att generera ett starkt immunsvar, säger forskarna.
"Att förstå hur läkemedelstillförselmedlet kan förstärka ett adjuvant immunsvar är något som kan vara till stor hjälp vid utformningen av nya vacciner", säger Ana Jaklenec, huvudutredare vid MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och en av seniorförfattarna till det nya studera.
Robert Langer, professor vid MIT Institute och medlem av Koch Institute, och Dan Barouch, chef för Center for Virology and Vaccine Research vid Beth Israel Deaconess Medical Center och professor vid Harvard Medical School, är också seniorförfattare till artikeln, som visas i Science Advances . Tidningens huvudförfattare är tidigare MIT postdoc och Ibn Khaldun Fellow Shahad Alsaiari.
I den här studien fokuserade forskarna på en MOF kallad ZIF-8, som består av ett gitter av tetraedriska enheter som består av en zinkjon fäst till fyra molekyler av imidazol, en organisk förening. Tidigare arbete har visat att ZIF-8 avsevärt kan öka immunsvaret, men det var inte känt exakt hur denna partikel aktiverar immunsystemet.
För att försöka ta reda på det skapade MIT-teamet ett experimentellt vaccin bestående av SARS-CoV-2-receptorbindande protein (RBD) inbäddat i ZIF-8-partiklar. Dessa partiklar är mellan 100 och 200 nanometer i diameter, en storlek som gör att de kan komma in i kroppens lymfkörtlar direkt eller genom immunceller som makrofager.
När partiklarna väl kommer in i cellerna bryts MOF:erna ner, vilket frisätter de virala proteinerna. Forskarna fann att imidazolkomponenterna sedan aktiverar tullliknande receptorer (TLR), som hjälper till att stimulera det medfödda immunsvaret.
"Denna process är analog med att etablera ett hemligt operativt team på molekylär nivå för att transportera väsentliga delar av COVID-19-viruset till kroppens immunsystem, där de kan aktivera specifika immunsvar för att öka vaccinets effektivitet", säger Alsaiari.
RNA-sekvensering av celler från lymfkörtlarna visade att möss vaccinerade med ZIF-8-partiklar som bär det virala proteinet kraftigt aktiverade en TLR-väg känd som TLR-7, vilket ledde till ökad produktion av cytokiner och andra molekyler involverade i inflammation.
Möss vaccinerade med dessa partiklar genererade ett mycket starkare svar på det virala proteinet än möss som fick proteinet på egen hand.
"Vi levererar inte bara proteinet på ett mer kontrollerat sätt genom en nanopartikel, utan den här partikelns sammansättning fungerar också som ett adjuvans", säger Jaklenec. "Vi kunde uppnå mycket specifika svar på covid-proteinet, och med en dosbesparande effekt jämfört med att använda proteinet ensamt för att vaccinera."
Även om denna studie och andra har visat ZIF-8:s immunogena förmåga, behöver mer arbete göras för att utvärdera partiklarnas säkerhet och potential att skalas upp för storskalig tillverkning. Om ZIF-8 inte utvecklas som en vaccinbärare bör resultaten från studien hjälpa forskare att utveckla liknande nanopartiklar som kan användas för att leverera subenhetsvacciner, säger Jaklenec.
"De flesta subenhetsvacciner har vanligtvis två separata komponenter:ett antigen och ett adjuvans", säger Jaklenec. "Att designa nya vacciner som använder nanopartiklar med specifika kemiska delar som inte bara hjälper till med antigenleverans utan också kan aktivera speciella immunvägar har potential att förbättra vaccinets styrka."
En fördel med att utveckla ett subenhetsvaccin för covid-19 är att sådana vacciner vanligtvis är enklare och billigare att tillverka än mRNA-vacciner, vilket kan göra det lättare att distribuera dem runt om i världen, säger forskarna.
"Underenhetsvacciner har funnits länge, och de tenderar att vara billigare att tillverka, så det öppnar upp för mer tillgång till vacciner, särskilt i tider av pandemi", säger Jaklenec.
Mer information: Shahad Alsaiari et al, Zeolitic Imidazolate Frameworks Activate Endosomal Toll-like Receptors and Potentiate Immunogenicity of SARS-CoV-2 Spike Protein Trimer, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj6380. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj6380
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
