Generell gilt: Je höher der Grad der Informationswiederherstellung eines Impfstoffs gegen ein Virus ist, desto größer ist seine potenzielle Wirksamkeit. Das Virus selbst ist der authentischste Impfstoff, wie zum Beispiel das Varicella-Zoster-Virus, das nach einer einzigen Infektion eine lebenslange Immunität bietet. Allerdings entwickeln Viren im Laufe ihrer langen Evolutionsgeschichte auch Mechanismen, um der Immunüberwachung zu entgehen, indem sie sich beispielsweise der Verfolgung durch das Immunsystem entziehen, indem sie durch hohe Veränderlichkeit häufig ihre Tarnung wechseln.
Alternativ können sie ihre eigene Sichtbarkeit verringern und durch spezielle Mechanismen invasiv lauern, und Coronaviren sind geschickt darin, beide Taktiken anzuwenden.
Als RNA-Virus haben Coronaviren den natürlichen Vorteil einer hohen Mutabilität. Coronaviren, die wegen der kronenähnlichen Vorsprünge auf ihrer Oberfläche auch „Corona“ genannt werden, weisen die wichtigsten Antigeninformationen auf dem Protein der Rezeptorbindungsdomäne (RBD) auf, das sich an der Spitze dieser koronaähnlichen Vorsprünge befindet.
Die Antigeninformationen sind zwischen den einzelnen Spitzen auf der Virusoberfläche verstreut und ähneln einer Korona. Diese räumlich diskrete Struktur ist für das Immunsystem eine Herausforderung, sie effektiv zu erkennen.
Ein Team unter der Leitung der Professoren Xuesi Chen und Wantong Song vom Changchun Institute of Applied Chemistry befasste sich mit den strukturellen Merkmalen von Coronaviren und berichtete über einen viromimetischen Polymer-Nanopartikel-Impfstoff (VPNVax). Der Impfstoff wurde hergestellt, indem die RBD-Proteine des Coronavirus neu angeordnet und auf der Oberfläche vormontierter Polyethylenglykol-Polymilchsäure-Polymer-Nanopartikel modifiziert wurden.
Diese modulare Vorbereitungsstrategie bietet mehrere Vorteile: (1) Sie ermöglicht eine flexible Kontrolle der Antigendichte (Valenz) auf der Oberfläche des Nanopartikel-Impfstoffs; (2) ermöglicht die Substitution von Antigenproteinen, um schnell auf Ausbrüche verschiedener Virusvarianten zu reagieren; (3) erleichtert die direkte Umwandlung von Untereinheitsproteinen in Nanopartikel-Impfstoffe und rationalisiert so den Prozess der schnellen Herstellung in großem Maßstab.
Die Morphologie von VPNVax unter Kryo-Elektronenmikroskopie ist der Virusstruktur äußerst ähnlich, wobei Antigenproteine dicht auf der sphärischen Oberfläche des Nanopartikelträgers verteilt sind. Durch theoretische Berechnungen unter Verwendung des Fibonacci-Kugelgittermodells und der Regulierung chemischer Reaktionsbedingungen gelang es dem Forschungsteam, VPNVaxs mit unterschiedlichen Oberflächenvalenzen erfolgreich herzustellen.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Valenz des Oberflächenantigens tatsächlich einen signifikanten Einfluss auf die immunstimulierende Wirkung des Nanopartikel-Impfstoffs hatte. Eine höhere Antigendichte auf der Oberfläche von VPNVax verbessert seine direkte Aktivierungsfähigkeit auf B-Zellen und bestätigt indirekt den Mechanismus des Coronavirus, der Immunüberwachung zu entgehen, indem es die Oberflächenantigendichte durch koronaähnliche Vorsprünge verringert.
Dies unterstrich auch die Notwendigkeit, die Oberflächenvalenz von Nanopartikel-Impfstoffen zu optimieren und zu kontrollieren. Allerdings verringerte eine übermäßig hohe Wertigkeit auch die strukturelle Stabilität von VPNVax, sodass eine moderate Wertigkeit erforderlich war, um ein Gleichgewicht zwischen stimulierender Wirkung und Stabilität zu erreichen.
Das Forschungsteam entdeckte außerdem, dass bei Antigenproteinen unterschiedlicher Größe die optimale immunstimulierende Wirkung des vorbereiteten VPNVax dann auftrat, wenn die Oberflächenproteinbedeckung im Bereich von 20 % bis 25 % lag. Darüber hinaus erzielte VPNVax mit den optimalen Strukturparametern in Kombination mit kommerziellen Aluminium-Adjuvantien eine stärkere immunstimulierende Wirkung, und sein Immunserum hatte nachweislich virusneutralisierende Wirkungen.
Noch wichtiger ist, dass diese polymerbasierte Impfstoffplattform die Adjuvansfunktion des Polymerträgers weiterentwickeln und nutzen kann. Durch den Transport von Immunagonisten oder die Regulierung der Chiralität des Polymers könnte VPNVax gleichzeitig zelluläre Immunantworten aktivieren.
Zusammenfassend bietet die auf der VPNVax-Plattform durchgeführte Forschung zur Struktur-Wirkungs-Beziehung von Nanopartikel-Impfstoffen und der Vorbereitungsstrategie, die Materialsynthesetechnologie kombiniert, neue Erkenntnisse für die Entwicklung der nächsten Generation virusähnlicher Partikel-Impfstoffe.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch National Science Review.
Mehr Informationen:
Zichao Huang et al., Modularisierte viromimetische Polymer-Nanopartikel-Impfstoffe (VPNVaxs) zur Auslösung dauerhafter und wirksamer humoraler Immunantworten, National Science Review (2023). DOI: 10.1093/nsr/nwad310