Ein komplexer synthetischer Impfstoff auf der Grundlage von DNA-Molekülen wurde entwickelt

Auf der Suche nach Möglichkeiten zur Entwicklung sichererer und wirksamerer Impfstoffe haben sich Wissenschaftler des Biodesign Institute der Arizona State University einem vielversprechenden Gebiet namens DNA-Nanotechnologie zugewandt, um einen völlig neuen Typ synthetischer Impfstoffe zu entwickeln.

In einer kürzlich in der Fachzeitschrift Nano Letters veröffentlichten Studie haben sich der Immunologe Yung Chang vom Institute of Bioengineering mit Kollegen, darunter dem renommierten DNA-Nanotechnologen Hao Yan, zusammengetan, um den weltweit ersten Impfstoffkomplex zu synthetisieren, der sicher und effizient an die Zielstellen geliefert werden kann, indem er auf selbstorganisierenden, dreidimensionalen DNA-Nanostrukturen platziert wird.

„Als Hao vorschlug, DNA nicht als genetisches Material, sondern als Arbeitsplattform zu betrachten, kam mir die Idee, diesen Ansatz auf die Immunologie anzuwenden“, sagt Chang, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Biowissenschaften und Forscher am Zentrum für Infektionskrankheiten und Impfstoffe des Instituts für Bioengineering. „Das würde uns eine großartige Gelegenheit bieten, DNA-Träger zur Herstellung eines synthetischen Impfstoffs zu nutzen.“

Die große Frage war: Ist es sicher? Wir wollten eine Gruppe von Molekülen entwickeln, die eine sichere und starke Immunreaktion im Körper auslösen können. Da Haos Team in den letzten Jahren verschiedene DNA-Nanostrukturen entwickelt hatte, begannen wir zusammenzuarbeiten, um potenzielle medizinische Anwendungen für diese Strukturen zu finden.

Die Einzigartigkeit der von Wissenschaftlern aus Arizona vorgeschlagenen Methode besteht darin, dass der Antigenträger ein DNA-Molekül ist.

Zu dem multidisziplinären Forschungsteam gehörten außerdem der Biochemie-Doktorand der University of Arizona und Erstautor des Artikels Xiaowei Liu, Professor Yang Xu, Biochemie-Dozent Yan Liu, Craig Clifford, Student der School of Biosciences, und Tao Yu, ein Doktorand der Sichuan University in China.

Chang weist darauf hin, dass die flächendeckende Einführung von Impfungen zu einem der bedeutendsten Erfolge der öffentlichen Gesundheit geführt hat. Die Kunst der Impfstoffherstellung beruht auf gentechnischen Verfahren, um virusähnliche Partikel aus Proteinen zu konstruieren, die das Immunsystem stimulieren. Diese Partikel ähneln in ihrer Struktur echten Viren, enthalten aber keine gefährlichen genetischen Komponenten, die Krankheiten verursachen.

Ein wichtiger Vorteil der DNA-Nanotechnologie, die es ermöglicht, einem Biomolekül eine zwei- oder dreidimensionale Form zu geben, ist die Fähigkeit, mit sehr präzisen Methoden Moleküle zu erzeugen, die typische Funktionen natürlicher Moleküle im Körper erfüllen können.

„Wir haben mit DNA-Nanostrukturen unterschiedlicher Größe und Form experimentiert und ihnen Biomoleküle hinzugefügt, um die Reaktion des Körpers zu sehen“, erklärt Yang, Leiter der Abteilung für Chemie und Biochemie und Forscher am Zentrum für Einzelmolekül-Biophysik am Institut für Bioengineering. Durch einen Ansatz, den die Wissenschaftler „Biomimikry“ nennen, ähneln die getesteten Impfstoffkomplexe der Größe und Form natürlicher Viruspartikel.

Um die Durchführbarkeit ihres Konzepts zu demonstrieren, verbanden die Forscher das immunstimulierende Protein Streptavidin (STV) und das immunstärkende Medikament CpG-Oligodeoxynukleotid mit separaten pyramidenförmigen verzweigten DNA-Strukturen, was ihnen schließlich die Herstellung eines synthetischen Impfstoffkomplexes ermöglichen sollte.

Das Team musste zunächst beweisen, dass die Zielzellen die Nanostrukturen aufnehmen konnten. Durch die Anbringung eines lichtemittierenden Markierungsmoleküls an der Nanostruktur konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass die Nanostruktur ihren richtigen Platz in der Zelle fand und mehrere Stunden lang stabil blieb – lange genug, um eine Immunreaktion auszulösen.

Anschließend arbeiteten die Wissenschaftler in Experimenten an Mäusen daran, die Impfstoff-„Nutzlast“ an Zellen zu transportieren, die die ersten Glieder der körpereigenen Immunreaktionskette bilden und die Interaktionen zwischen verschiedenen Komponenten wie antigenpräsentierenden Zellen, darunter Makrophagen, dendritischen Zellen und B-Zellen, koordinieren. Sobald die Nanostrukturen in die Zelle gelangen, werden sie analysiert und auf der Zelloberfläche präsentiert, sodass sie von T-Zellen, den weißen Blutkörperchen, die eine zentrale Rolle bei der Auslösung der körpereigenen Abwehrreaktion spielen, erkannt werden können. T-Zellen wiederum unterstützen B-Zellen bei der Produktion von Antikörpern gegen fremde Antigene.

Um alle Varianten zuverlässig zu testen, injizierten die Forscher den Zellen sowohl den vollständigen Impfstoffkomplex und das STV-Antigen allein als auch das STV-Antigen gemischt mit einem CpG-Enhancer.

Nach 70 Tagen stellten die Wissenschaftler fest, dass mit dem vollständigen Impfstoffkomplex immunisierte Mäuse eine neunmal stärkere Immunreaktion zeigten als die durch die CpG/STV-Mischung hervorgerufene. Die auffälligste Reaktion wurde durch die tetraedrische (pyramidenförmige) Struktur ausgelöst. Die Immunreaktion auf den Impfstoffkomplex erwies sich jedoch nicht nur als spezifisch (d. h. als Reaktion des Körpers auf ein von den Experimentatoren verwendetes spezifisches Antigen) und wirksam, sondern auch als sicher. Dies wurde durch das Ausbleiben einer Immunreaktion auf die in die Zellen eingeführte „leere“ DNA (ohne Biomoleküle) bestätigt.

„Wir waren sehr zufrieden“, sagt Chang. „Es war wunderbar, die Ergebnisse zu sehen, die wir vorhergesagt hatten. Das kommt in der Biologie nicht sehr oft vor.“

Die Zukunft der Pharmaindustrie liegt in zielgerichteten Medikamenten

Das Team untersucht nun das Potenzial einer neuen Methode, spezifische Immunzellen mithilfe einer DNA-Plattform zu stimulieren und so eine Reaktion auszulösen. Die neue Technologie könnte zur Entwicklung von Impfstoffen mit mehreren Wirkstoffen sowie zur Veränderung von Zielmolekülen zur Regulierung der Immunreaktion eingesetzt werden.

Darüber hinaus birgt die neue Technologie das Potenzial, neue Methoden der zielgerichteten Therapie zu entwickeln, insbesondere die Herstellung „zielgerichteter“ Medikamente, die an genau festgelegte Stellen im Körper abgegeben werden und daher keine gefährlichen Nebenwirkungen hervorrufen.

Und obwohl sich die DNA-Forschung noch in den Kinderschuhen befindet, hat die wissenschaftliche Arbeit der Forscher aus Arizona erhebliche praktische Auswirkungen auf die Medizin, die Elektronik und andere Bereiche.

Chang und Yang räumen ein, dass es hinsichtlich ihrer Impfmethode noch viel zu lernen und zu optimieren gibt, doch der Wert ihrer Entdeckung ist unbestreitbar. „Mit dem Proof of Concept in der Hand können wir nun synthetische Impfstoffe mit einer unbegrenzten Anzahl von Antigenen herstellen“, so Chang abschließend.

Finanzielle Unterstützung für diese Forschung wurde vom US-Verteidigungsministerium und den National Institutes of Health bereitgestellt.

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