DNA-Partikel, die Viren nachahmen, sind als Impfstoffe vielversprechend

Mithilfe eines virusähnlichen Transportpartikels aus DNA haben Forscher des MIT und des Ragon Institute of MGH, MIT und Harvard einen Impfstoff entwickelt, der eine starke Antikörperreaktion gegen SARS-CoV-2 auslösen kann.

Der an Mäusen getestete Impfstoff besteht aus einem DNA-Gerüst, das viele Kopien eines viralen Antigens trägt. Diese Art von Impfstoff, bekannt als Partikelimpfstoff, ahmt die Struktur eines Virus nach. Die meisten bisherigen Arbeiten zu Partikelimpfstoffen basierten auf Proteingerüsten, doch die in diesen Impfstoffen verwendeten Proteine ​​neigen dazu, eine unnötige Immunantwort auszulösen, die das Immunsystem vom Ziel ablenken kann.

In der Mausstudie stellten die Forscher fest, dass das DNA-Gerüst keine Immunantwort auslöst, sodass das Immunsystem seine Antikörperantwort auf das Zielantigen konzentrieren kann.

„Wir haben in dieser Arbeit herausgefunden, dass DNA keine Antikörper hervorruft, die vom interessierenden Protein ablenken könnten“, sagt Mark Bathe, Professor für Biotechnik am MIT. „Sie können sich vorstellen, dass Ihre B-Zellen und Ihr Immunsystem durch dieses Zielantigen vollständig trainiert werden, und das ist es, was Sie wollen – dass Ihr Immunsystem mit einem Laser auf das interessierende Antigen fokussiert ist.“

Dieser Ansatz, der B-Zellen (die Zellen, die Antikörper produzieren) stark stimuliert, könnte es einfacher machen, Impfstoffe gegen Viren zu entwickeln, die bisher schwer zu bekämpfen waren, darunter HIV und Influenza sowie SARS-CoV-2, sagen die Forscher. Im Gegensatz zu T-Zellen, die durch andere Arten von Impfstoffen stimuliert werden, können diese B-Zellen jahrzehntelang bestehen bleiben und bieten so einen langfristigen Schutz.

„Wir sind daran interessiert zu erforschen, ob wir dem Immunsystem beibringen können, ein höheres Maß an Immunität gegen Krankheitserreger zu erreichen, die herkömmlichen Impfansätzen wie Grippe, HIV und SARS-CoV-2 widerstehen“, sagt Daniel Lingwood, außerordentlicher Professor an der Harvard University Medizinische Fakultät und leitender Forscher am Ragon Institute.

„Diese Idee, die Reaktion gegen das Zielantigen von der Plattform selbst zu entkoppeln, ist ein potenziell wirkungsvoller immunologischer Trick, den man nun anwenden kann, um diese immunologischen Targeting-Entscheidungen in eine zielgerichtetere Richtung zu lenken.“

Bathe, Lingwood und Aaron Schmidt, außerordentlicher Professor an der Harvard Medical School und leitender Forscher am Ragon Institute, sind die leitenden Autoren des Artikels, der in erscheint Naturkommunikation.

Die Hauptautoren des Papiers sind Eike-Christian Wamhoff, ein ehemaliger MIT-Postdoc; Larance Ronsard, Postdoktorand des Ragon Institute; Jared Feldman, ein ehemaliger Doktorand der Harvard University; Grant Knappe, ein MIT-Absolvent; und Blake Hauser, ein ehemaliger Harvard-Doktorand.

Nachahmung von Viren

Partikelimpfstoffe bestehen normalerweise aus einem Protein-Nanopartikel, das in seiner Struktur einem Virus ähnelt und viele Kopien eines viralen Antigens tragen kann. Diese hohe Antigendichte kann zu einer stärkeren Immunantwort als bei herkömmlichen Impfstoffen führen, da der Körper sie als einem echten Virus ähnlich sieht.

Partikelimpfstoffe wurden für eine Handvoll Krankheitserreger entwickelt, darunter Hepatitis B und das humane Papillomavirus, und ein Partikelimpfstoff gegen SARS-CoV-2 wurde für die Verwendung in Südkorea zugelassen.

Diese Impfstoffe sind besonders gut in der Lage, B-Zellen zu aktivieren, die spezifische Antikörper gegen das Impfantigen produzieren.

„Partikelimpfstoffe sind für viele in der Immunologie von großem Interesse, weil sie eine robuste humorale Immunität verleihen, also eine antikörperbasierte Immunität, die sich von der T-Zell-basierten Immunität unterscheidet, die die mRNA-Impfstoffe offenbar stärker hervorrufen“, sagt Bathe .

Ein potenzieller Nachteil dieser Art von Impfstoff besteht jedoch darin, dass die für das Gerüst verwendeten Proteine ​​den Körper häufig dazu anregen, Antikörper gegen das Gerüst zu produzieren. Dies kann das Immunsystem ablenken und verhindern, dass es eine so starke Reaktion auslöst, wie man es gerne hätte, sagt Bathe.

„Um das SARS-CoV-2-Virus zu neutralisieren, benötigen Sie einen Impfstoff, der Antikörper gegen den Rezeptorbindungsdomänenteil des Spike-Proteins des Virus erzeugt“, sagt er. „Wenn Sie das auf einem proteinbasierten Partikel anzeigen, erkennt Ihr Immunsystem nicht nur das Protein der Rezeptorbindungsdomäne, sondern auch alle anderen Proteine, die für die Immunantwort, die Sie hervorrufen möchten, irrelevant sind.“

Ein weiterer potenzieller Nachteil besteht darin, dass, wenn dieselbe Person mehr als einen Impfstoff erhält, der auf demselben Proteingerüst basiert, beispielsweise SARS-CoV-2 und dann Influenza, ihr Immunsystem wahrscheinlich sofort auf das bereits vorbereitete Proteingerüst reagiert darauf zu reagieren. Dies könnte die Immunantwort auf das Antigen des zweiten Impfstoffs schwächen.

„Wenn Sie dieses proteinbasierte Partikel zur Immunisierung gegen ein anderes Virus wie Influenza verwenden möchten, kann Ihr Immunsystem von dem zugrunde liegenden Proteingerüst abhängig sein, das es bereits gesehen hat und auf das es eine Immunantwort entwickelt hat“, sagt Bathe. „Das kann hypothetisch die Qualität Ihrer Antikörperantwort auf das tatsächlich interessierende Antigen beeinträchtigen.“

Als Alternative hat Bathes Labor Gerüste entwickelt, die mithilfe von DNA-Origami hergestellt wurden. Dabei handelt es sich um eine Methode, die eine präzise Kontrolle über die Struktur synthetischer DNA ermöglicht und es Forschern ermöglicht, eine Vielzahl von Molekülen, beispielsweise virale Antigene, an bestimmten Stellen anzubringen.

In einer Studie aus dem Jahr 2020 zeigten Bathe und Darrell Irvine, Professor für Bioingenieurwesen sowie für Materialwissenschaften und -technik am MIT, dass ein DNA-Gerüst, das 30 Kopien eines HIV-Antigens trägt, in im Labor gezüchteten B-Zellen eine starke Antikörperreaktion hervorrufen kann. Diese Art von Struktur eignet sich optimal für die Aktivierung von B-Zellen, da sie der Struktur von Viren in Nanogröße sehr nahe kommt, die auf ihrer Oberfläche viele Kopien viraler Proteine ​​aufweisen.

„Dieser Ansatz baut auf einem Grundprinzip der B-Zell-Antigenerkennung auf, nämlich dass eine geordnete Darstellung des Antigens die B-Zell-Reaktionen fördert und zu einer besseren Quantität und Qualität der Antikörperproduktion führt“, sagt Lingwood.

„Immunologisch still“

In der neuen Studie tauschten die Forscher ein Antigen aus, das aus dem Rezeptorbindungsprotein des Spike-Proteins des ursprünglichen SARS-CoV-2-Stammes besteht. Als sie Mäusen den Impfstoff verabreichten, stellten sie fest, dass die Mäuse große Mengen an Antikörpern gegen das Spike-Protein bildeten, jedoch keine gegen das DNA-Gerüst.

Im Gegensatz dazu erzeugte ein Impfstoff, der auf einem Gerüstprotein namens Ferritin basiert und mit SARS-CoV-2-Antigenen beschichtet ist, viele Antikörper sowohl gegen Ferritin als auch gegen SARS-CoV-2.

„Das DNA-Nanopartikel selbst ist immunogen stumm“, sagt Lingwood. „Wenn Sie eine proteinbasierte Plattform verwenden, erhalten Sie Antikörperantworten mit gleich hohem Titer auf die Plattform und auf das Antigen von Interesse, und das kann die wiederholte Verwendung dieser Plattform erschweren, da Sie ein hochaffines Immungedächtnis dagegen entwickeln.“

Die Reduzierung dieser Off-Target-Effekte könnte Wissenschaftlern auch dabei helfen, das Ziel zu erreichen, einen Impfstoff zu entwickeln, der weitgehend neutralisierende Antikörper gegen jede Variante von SARS-CoV-2 oder sogar gegen alle Sarbecoviren, die Untergattung des Virus, zu der auch SARS-CoV-2 gehört, induziert sowie die Viren, die SARS und MERS verursachen.

Zu diesem Zweck untersuchen die Forscher nun, ob ein DNA-Gerüst mit vielen verschiedenen viralen Antigenen breit neutralisierende Antikörper gegen SARS-CoV-2 und verwandte Viren induzieren könnte.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.