DNA-Origami-basierte Impfstoffplattform verstärkt Antitumorreaktionen durch nanometergenaue Abstände von Molekülen

Therapeutische Krebsimpfstoffe sind eine Form der Immuntherapie, die nicht nur Krebszellen bei Patienten zerstören könnte, sondern auch verhindern könnte, dass der Krebs erneut auftritt und sich ausbreitet. Mehrere therapeutische Krebsimpfstoffe werden in klinischen Studien untersucht, aber trotz ihrer Versprechen werden sie von klinischen Onkologen noch nicht routinemäßig zur Behandlung ihrer Patienten eingesetzt.

Der zentrale Bestandteil therapeutischer Krebsimpfstoffe sind Antigene, die von Tumorzellen bevorzugt produziert oder neu produziert werden (Neoantigene) und es dem Immunsystem eines Patienten ermöglichen, die Krebszellen zu suchen und zu zerstören.

In den meisten Fällen können diese Antigene nicht alleine wirken und benötigen die Hilfe von Adjuvansmolekülen, die in Immunzellen, den sogenannten Antigen-präsentierenden Zellen (APCs), ein allgemeines Alarmsignal auslösen. APCs internalisieren sowohl Antigen- als auch Adjuvansmoleküle und präsentieren die Antigene verschiedenen Arten von T-Zellen. Diese T-Zellen starten dann einen sofortigen Angriff gegen den Tumor oder bewahren eine länger anhaltende Erinnerung an den Tumor für die zukünftige Verteidigung.

Die Wirksamkeit eines Krebsimpfstoffs hängt von der Stärke und Dauer des „Alarms“ ab, den seine Adjuvantien bei APCs auslösen können. Zuvor fanden Forscher heraus, dass die gleichzeitige Abgabe von Adjuvans- und Antigenmolekülen an APCs mithilfe von Nanostrukturen wie DNA-Origami die APC-Aktivierung erhöhen kann. Allerdings untersuchte keiner dieser Ansätze systematisch, wie sich die Anzahl und nanoskalige Anordnung von Adjuvansmolekülen auf die nachgeschaltete tumorgerichtete Immunität auswirkt.

Jetzt hat ein Forschungsteam am Wyss Institute der Harvard University, dem Dana-Farber Cancer Institute (DFCI), der Harvard Medical School (HMS) und dem Korea Institute of Science and Technology (KIST) eine DNA-Origami-Plattform namens „ DoriVacdessen Kernkomponente eine selbstorganisierende quadratische blockförmige Nanostruktur ist.

Auf einer Seite des quadratischen Blocks kann eine definierte Anzahl von Adjuvansmolekülen in hochgradig einstellbaren, nanopräzisen Mustern angebracht werden, während die gegenüberliegende Seite Tumorantigene binden kann. Die Studie ergab, dass Moleküle eines Adjuvans namens CpG, die genau 3,5 Nanometer voneinander entfernt waren, zu der vorteilhaftesten Stimulation von APCs führten, die ein äußerst wünschenswertes Profil von T-Zellen induzierten, einschließlich solcher, die Krebszellen abtöten (zytotoxische T-Zellen). diejenigen, die eine vorteilhafte Entzündung verursachen (Th-1-polarisierte T-Zellen) und diejenigen, die ein langfristiges Immungedächtnis des Tumors bereitstellen (Gedächtnis-T-Zellen).

DoriVac-Impfstoffe ermöglichten es tumortragenden Mäusen, das Wachstum von Tumoren besser zu kontrollieren und deutlich länger zu überleben als Kontrollmäuse. Wichtig ist, dass die Wirkung von DoriVac auch mit der Wirkung von Immun-Checkpoint-Inhibitoren zusammenwirkt, bei denen es sich um eine äußerst erfolgreiche Immuntherapie handelt, die in der Klinik bereits weit verbreitet eingesetzt wird. Die Ergebnisse sind veröffentlicht In Natur-Nanotechnologie.

„Die DNA-Origami-Impfstofftechnologie von DoriVac vereint verschiedene nanotechnologische Fähigkeiten, die wir im Laufe der Jahre entwickelt haben, mit einem immer tieferen Wissen über krebsunterdrückende Immunprozesse“, sagte William Shih, Ph.D., Mitglied der Wyss Core Faculty, der das Team des Wyss Institute leitete zusammen mit der Erstautorin Yang (Claire) Zeng, MD, Ph.D..

„Wir stellen uns vor, dass in Zukunft Antigene, die bei Patienten mit unterschiedlichen Tumorarten identifiziert wurden, schnell auf vorgefertigte, Adjuvantien enthaltende DNA-Origami geladen werden könnten, um hochwirksame personalisierte Krebsimpfstoffe zu ermöglichen, die in Kombinationstherapien mit von der FDA zugelassenen Checkpoint-Inhibitoren kombiniert werden können.“ „

Shih ist außerdem Professor an der Abteilung für Krebsbiologie der HMS und des DFCI und wie einige der anderen Autoren Mitglied des institutionenübergreifenden Zentrums „Immuno-engineering to Improve Immunotherapy“ (i3) am Wyss.

DNA-Origami-Begründung

Das CpG-Adjuvans ist ein synthetischer DNA-Strang, der aus wiederholten CpG-Nukleotidmotiven besteht, die das genetische Material von in Immunzellen eindringenden bakteriellen und viralen Krankheitserregern nachahmen. Wie ihre natürlichen Gegenstücke binden CpG-Adjuvanzien an einen „Gefahrenrezeptor“ namens TLR9 in Immunzellen, der wiederum eine entzündliche (angeborene) Immunantwort induziert, die mit der Antigen-induzierten (adaptiven) Immunantwort zusammenarbeitet.

„Aus früheren Arbeiten wussten wir, dass TLR9-Rezeptoren dimerisieren und zu multimeren Komplexen aggregieren müssen, die an mehrere CpG-Moleküle binden, um starke Entzündungsreaktionen auszulösen. Die nanoskaligen Abstände zwischen den CpG-bindenden Domänen in wirksamen TLR9-Anordnungen, die durch Strukturanalysen aufgedeckt wurden, fielen genau in die Bereich dessen, was wir vermuteten, könnten wir mit DNA-Origami-Strukturen widerspiegeln, die präzise beabstandete CpG-Moleküle darstellen“, erklärte Zeng, der zum Zeitpunkt der Studie Dozent für Medizin war und jetzt leitender Wissenschaftler am DFCI und der Harvard Medical School (HMS) ist.

Neben Shih wurde Zeng bei dem Projekt auch von den leitenden Autoren Ju Hee Ryu, Ph.D., einem leitenden Forscher am KIST, und David Mooney, Ph.D., Mitglied der Wyss Founding Core Faculty, der auch Professor in Harvard ist, betreut John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und einer der Hauptforscher des i3 Centers.

Zeng und das Team stellten DoriVac-Impfstoffe her, bei denen auf einer Seite des quadratischen Blocks eine unterschiedliche Anzahl von CpG-Strängen im Abstand von 2,5, 3,5, 5 oder 7 Nanometern voneinander angeordnet waren und auf der gegenüberliegenden Seite ein Modellantigen angebracht war. Sie schützten ihre Strukturen vor dem Abbau im Körper mithilfe einer chemischen Modifikationsmethode, die Shihs Gruppe zuvor entwickelt hatte.

Bei der Internalisierung durch verschiedene Arten von APCs, einschließlich dendritischer Zellen (DCs), die tumorgesteuerte T-Zell-Reaktionen orchestrieren, verbesserten die DoriVac-Impfstoffe die Aufnahme von Antigenen im Vergleich zu Kontrollen, die aus freien Antigenmolekülen bestanden.

Ein CpG-Abstand von 3,5 Nanometern erzeugte die stärksten und vorteilhaftesten Reaktionen bei APCs und übertraf einen Kontrollimpfstoff, der nur freie CpG-Moleküle enthielt, deutlich.

„Wir waren begeistert, als wir herausfanden, dass der DoriVac-Impfstoff vorzugsweise einen Immunaktivierungszustand induziert, der die Antitumorimmunität unterstützt, was Forscher im Allgemeinen von einem guten Impfstoff erwarten“, sagte Zeng.

Neben dem Abstand spielte auch die Anzahl der CpG-Moleküle in DoriVac-Impfstoffen eine Rolle. Das Team testete Impfstoffe, die zwischen 12 und 63 optimal verteilte CpG-Moleküle enthielten, und stellte fest, dass 18 CpG-Moleküle die beste APC-Aktivierung lieferten. Dies bedeutete, dass ihr Ansatz auch dazu beitragen kann, die Dosierung von CpG-Molekülen zu begrenzen und so häufig beobachtete toxische Nebenwirkungen, die bei Adjuvantien beobachtet werden, zu minimieren.

Gewonnen in der (Tumor-)Translation

Wichtig ist, dass diese In-vitro-Trends auf In-vivo-Maustumormodelle übertragen wurden. Bei prophylaktischer Injektion unter die Haut von Mäusen sammelten sich DoriVac-Impfstoffe in den nächstgelegenen Lymphknoten an, wo sie DCs stimulierten.

Ein mit einem Melanom-Antigen beladener Impfstoff verhinderte das Wachstum anschließend injizierter aggressiver Melanomzellen. Während alle Kontrolltiere am 42. Tag des Experiments dem Krebs erlegen waren, waren alle mit DoriVac geschützten Tiere am Leben.

DoriVac-Impfstoffe hemmten auch das Tumorwachstum bei Mäusen, bei denen die Bildung von Melanomtumoren bereits im Gange war, wobei ein Abstand von 18 CpG-Molekülen im Abstand von 3,5 Nanometern wiederum maximale Wirkungen auf DC- und T-Zellen und die stärkste Reduzierung des Tumorwachstums erzielte.

Als nächstes fragte das Team, ob DoriVac-Impfstoffe auch Immunreaktionen verstärken könnten, die durch kleine „Neoantigene“ hervorgerufen werden, die in Melanomtumoren auftreten.

Neoantigene sind ideale Ziele, da sie ausschließlich von Tumorzellen hergestellt werden. Allerdings sind sie selbst oft nicht sehr immunogen, was hochwirksame Adjuvantien zu einem wichtigen Bestandteil von Neoantigen-Impfstoffen macht. Ein mit vier Neoantigenen angepasster DoriVac-Impfstoff ermöglichte es den Forschern, das Wachstum des Tumors bei Mäusen, die die Neoantigene produzierten, deutlich zu unterdrücken.

Schließlich fragten die Forscher, ob DoriVac eine Synergie mit der Immun-Checkpoint-Therapie eingehen könnte, die T-Zellen reaktiviert, die in Tumoren zum Schweigen gebracht wurden.

Bei Mäusen führte die Kombination beider Therapien zu einer völligen Rückbildung der Melanomtumoren und verhinderte deren Nachwachsen, als die Tiere vier Monate später erneut denselben Tumorzellen ausgesetzt wurden. Die Tiere hatten ein Immungedächtnis des Tumors aufgebaut. Eine ähnliche Impfeffizienz erzielte das Team in einem Maus-Lymphom-Modell.

„Wir glauben, dass der Wert von DoriVac für die Bestimmung eines Sweet Spots bei der Adjuvansabgabe und die Verbesserung der Abgabe und Wirkung gekoppelter Antigene den Weg zu wirksameren klinischen Krebsimpfstoffen für den Einsatz bei Patienten mit einer Vielzahl von Krebsarten ebnen kann“, sagte Zeng.

Das Team übersetzt derzeit die DoriVac-Plattform in ihre klinische Anwendung. Dies wird durch die in der Studie durchgeführte Bewertung der Impfstoffverteilung und der impfstoffgesteuerten Antikörper bei Mäusen sowie der Zytokine, die von Immunzellen als Reaktion auf die Impfstoffe in vivo produziert werden, gestützt.

„Die DoriVac-Plattform ist unser erstes Beispiel dafür, wie unser Streben nach dem, was wir molekulare Robotik nennen – synthetische bioinspirierte Moleküle mit programmierbarer Form und Funktion – zu völlig neuen und leistungsstarken Therapeutika führen kann. Diese Technologie eröffnet einen völlig neuen Weg für die Entwicklung von Designer-Impfstoffen.“ mit Eigenschaften, die auf spezifische klinische Herausforderungen zugeschnitten sind. Wir hoffen, dass es schnell in die Klinik umgesetzt wird“, sagte Donald Ingber, MD, Ph.D., Gründungsdirektor des Wyss Institute.