Nanočestice za personalizirana cjepiva protiv raka

Nanoskalarna čestica s jedinstvenom strukturom, razvijena na MIT-u, ima potencijal kao prilagodljivo sredstvo za dostavu personaliziranih cjepiva protiv raka.

Okosnica cjepiva je modificirani, bezopasni bakteriofag nazvan M13, koji tvori nanovlakna koja se mogu obložiti antigenima raka. Preciznom kontrolom gustoće tih proteina raka, istraživači su otkrili da mogu stvoriti cjepivo koje sprječava razvoj tumora debelog crijeva kod miševa.

Istraživači kažu da bi se ova vrsta čestica za dostavu mogla prilagoditi za nošenje mnogih različitih antigena, što bi omogućilo stvaranje personaliziranih cjepiva za liječenje tumora pojedinačnih pacijenata.

„Odlična stvar kod ovoga je što je modularan i možemo mijenjati različite antigene po potrebi, tako da ga možete dizajnirati da bude specifičan za pacijenta i ciljati poznati antigen za određenu vrstu raka“, kaže Angela Belcher, profesorica biološkog inženjerstva i znanosti o materijalima na James Mason Craftsu i članica Kochovog instituta.

Belcher je glavna autorica studije koja se pojavljuje u časopisu Advanced Healthcare Materials, dok je Shengnan Huang, znanstvenica na Koch institutu, glavni je autor rada. Jack Rudrum, Huaiyao Peng i Hao Nghi Luu, diplomirani studenti na Koch institutu, također su autori rada.

Belcherin laboratorij već više od 20 godina koristi bakteriofag M13 u raznim primjenama. Ovaj virus, koji je bezopasan za ljude, sastoji se od jednog lanca DNK obloženog proteinskom ovojnicom ili kapsidom.

Belcher je prethodno razvila tehnike za generiranje materijala inženjeringom ovih virusa za samosastavljanje u nanoskalne skelete. Premazivanjem ovih skela anorganskim materijalima mogu se stvoriti funkcionalni uređaji poput  baterija, poluvodiča, solarnih ćelija i katalizatora, s preciznom kontrolom nad elektroničkim, optičkim i magnetskim svojstvima materijala.

U novije vrijeme, Belcherin laboratorij razvija metode za kontrolu značajki faga koje bi mogle omogućiti njegovu prenamjenu za medicinske primjene, uključujući dostavu cjepiva.

„Uzimamo ovaj skup alata na kojem smo radili i razvijali desetljećima i formatiramo ga tako da bude specifičan za terapiju cjepivima“, kaže Belcher. „Neke od lekcija naučenih iz izrade baterija i svega ostalog sada se usavršavaju kako bismo izradili personalizirana cjepiva.“

Kapsida koja okružuje fag M13 tvori dugi filament sastavljen od virusnih proteina. Kako bi stvorili cjepiva, istraživači modificiraju jedan od tih proteina, poznat kao pVIII, pričvršćivanjem antigena na kraj proteina. To se može učiniti dodavanjem gena za antigen u virusnu DNK.

„Antigen je specifična meta protiv koje želimo pokrenuti imunološki odgovor, što znači da moramo osigurati pravu dozu antigena kako bismo bili sigurni da možemo imati snažan imunološki odgovor“, kaže ona.

Huang je otkrila da može povećati gustoću modificiranih pVIII proteina dodavanjem jedne ili dvije negativno nabijene aminokiseline proteinskom slijedu. Gustoća se može dodatno fino podesiti dodavanjem genetske mutacije koja usporava proizvodnju antigenskog proteina.

U ovoj studiji, istraživači su također otkrili kako pojačati sposobnost faga da djeluje kao adjuvans (pomoćna tvar) cjepiva, promjenom genetskog slijeda virusne DNA. Većinu cjepiva potrebno je primijeniti zajedno s adjuvansom poput aluminijevog hidroksida, koji pomaže u stimuliranju snažnog imunološkog odgovora. Međutim, fag M13 može sam djelovati kao adjuvans jer jednolančana DNK aktivira put nazvan TLR9, koji je dio urođenog imunološkog sustava tijela.

Koristeći ove tehnike, istraživači su pokazali da mogu dizajnirati fage koji eksprimiraju antigen nazvan SIINFEKL u gustoćama u rasponu od 6 do 70 posto. SIINFEKL, mali protein koji se može konstruirati u tumore, često se koristi kao model za testiranje učinkovitosti cjepiva.

Istraživači su testirali dva od ovih cjepiva na miševima, jedno sa 6 posto gustoće i jedno s 35 posto, te su otkrili da je ono s 35 posto najzaštitnije.

Nakon cijepljenja česticama veće gustoće, miševi su imali mnogo manju vjerojatnost razvoja tumora kada su kasnije bili izloženi stanicama raka melanoma koje eksprimiraju SIINFEKL antigen. Ti su miševi također generirali više T-stanica usmjerenih na SIINFEKL. To je dijelom zato što su dendritične stanice, koje pomažu u aktiviranju T-stanica, imale veću vjerojatnost da će prihvatiti cjepiva s većom gustoćom antigena, otkrili su istraživači.

U drugom nizu eksperimenata, istraživači su stvorili i testirali cjepivo koje sadrži neoantigen, koji je prisutan samo u tumorskim stanicama. Ovaj protein, poznat kao ADPGK, specifično se eksprimira tumorima debelog crijeva u mišjem modelu raka. Kada su primili cjepivo veće gustoće, ovi miševi su imali mnogo manju vjerojatnost razvoja tumora debelog crijeva.

U ovoj studiji, istraživači su testirali cjepivo kao način sprječavanja razvoja raka, a u  svom prethodnom radu prilagodili su ga za upotrebu u liječenju tumora debelog crijeva kod miševa koji su se već formirali. U budućnosti se nadaju da će ga koristiti i za borbu protiv drugih vrsta raka.

Ova platforma bi mogla biti posebno prikladna za personalizirana cjepiva protiv raka, jer bi se u cjepivo moglo ugraditi mnogo različitih antigena.