Новая платформа для создания вакцин на основе ДНК-оригами под названием DoriVac может преодолеть ключевые ограничения мРНК-вакцин. Предварительные испытания показали, что она вызывает сильный иммунный ответ, при этом более стабильна и проста в производстве. Фото: Shutterstock

Пандемия COVID-19 привлекла внимание мировой общественности к вакцинам на основе матричной РНК (мРНК). После завершения клинических испытаний первая вакцина против COVID-19 на основе мРНК была введена 8 декабря 2020 года. Позже исследователи с помощью моделирования подсчитали, что за первый год применения этих вакцин удалось предотвратить по меньшей мере 14,4 миллиона смертей по всему миру.

Из-за высокой эффективности мРНК-вакцин ученые начали разрабатывать их для защиты от других инфекционных заболеваний. В настоящее время проводятся клинические испытания вакцин против вируса гриппа, респираторно-синцитиального вируса (РСВ), ВИЧ, вируса Зика, вируса Эпштейна — Барр и бактерий туберкулеза. В то же время исследования вакцин против COVID-19 выявили существенные ограничения, указывающие на необходимость разработки новых стратегий вакцинации.

Проблемы с эффективностью и производством мРНК-вакцин

Иммунная защита, обеспечиваемая мРНК-вакцинами против COVID-19, может сильно различаться у разных людей, и она не сохраняется бесконечно. Ситуация осложняется тем, что SARS-CoV-2 постоянно мутирует, образуя новые штаммы, которые могут частично обходить иммунную защиту. В результате вакцины часто приходится обновлять.

Существуют и практические проблемы. Производство мРНК-вакцин — сложный и дорогостоящий процесс, а контролировать количество молекул мРНК, упакованных в липидные наночастицы, по-прежнему непросто. Кроме того, эти вакцины требуют хранения в холодильнике и могут вызывать нежелательные побочные эффекты. Преодоление этих ограничений может повысить эффективность подготовки к будущим угрозам, связанным с инфекционными заболеваниями, и реагирования на них.

Платформа для создания вакцины на основе ДНК-оригами предлагает альтернативный вариант

Чтобы решить эти проблемы, междисциплинарная группа ученых из Института Висса при Гарвардском университете, Института рака Дана-Фарбер (DFCI) и партнерских организаций разработала другой подход. Они использовали платформу на основе нанотехнологии ДНК-оригами под названием DoriVac, которая выполняет функции как вакцины, так и адъюванта.

Исследователи разработали вакцину DoriVac, нацеленную на пептидный участок (HR2), который содержится в шиповидных белках нескольких вирусов, в том числе SARS-CoV-2, ВИЧ и вируса Эбола. У мышей вакцина против SARS-CoV-2 HR2 вызывала сильный иммунный ответ, в том числе гуморальную (с участием антител) и клеточную (с участием Т-клеток) активность.

Команда также протестировала вакцину на доклинической модели человека с использованием микрофлюидного чипа-органа, разработанного Институтом Висса, который имитирует человеческий лимфатический узел in vitro. В этой системе вакцина SARS-CoV-2 HR2 также вызывала сильный антиген-специфичный иммунный ответ в клетках человека.

При прямом сравнении с мРНК-вакцинами против SARS-CoV-2, доставляемыми с помощью липидных наночастиц, вакцина DoriVac, содержащая тот же вариант шиповидного белка, вызывала такую же сильную иммунную реакцию у людей. Однако вакцина на основе ДНК-оригами оказалась более стабильной, ее было проще хранить и производить. Об этих результатах было рассказано в статье Nature Biomedical Engineering.

«Платформа DoriVac — это чрезвычайно гибкая система с рядом важнейших преимуществ, в том числе беспрецедентным контролем над составом вакцины и возможностью программировать иммунное распознавание в целевых иммунных клетках на молекулярном уровне для достижения более эффективного иммунного ответа», — сказал соавтор исследования и сотрудник Института Висса Уильям Ши, доктор философии, чья группа стала первопроходцем в разработке новой концепции вакцины. «Наше исследование демонстрирует универсальность и потенциал вакцины DoriVac, подробно рассматривая иммунные изменения, необходимые для борьбы с инфекционными вирусами». Ши также является профессором Гарвардской медицинской школы и DFCI.

Как создаются вакцины на основе ДНК-оригами

В 2024 году команда Ши из Института Висса и Dana-Farber представила DoriVac — платформу для создания вакцин на основе ДНК-нанотехнологий с широким спектром потенциального применения. Ян (Клэр) Цзэн, доктор медицины и философии, возглавлявшая эту работу вместе с коллегами, показала, что DoriVac может точно доставлять в клетки иммуностимулирующие адъювантные молекулы на наноуровне.

Предыдущие исследования на мышах с опухолями показали, что эти вакцины вызывают более сильный иммунный ответ, чем вакцины без структуры ДНК-оригами. Вакцины DoriVac состоят из крошечных самособирающихся квадратных наноструктур ДНК. На одной стороне расположены молекулы адъюванта, расположенные на тщательно выверенном нанометровом расстоянии друг от друга, а на другой — выбранные антигены, такие как пептиды или белки из опухолей или патогенов.

«Пока мы разрабатывали платформу для лечения рака, пандемия COVID-19 набирала обороты. Поэтому быстро возник вопрос о том, можно ли использовать превосходную адъювантную активность DoriVac для лечения инфекционных заболеваний», — сказал Цзэн, один из первых авторов нового исследования и соавтор, а ныне соучредитель и генеральный директор/технический директор компании DoriNano, которая занимается внедрением этой технологии в клиническую практику.

Чтобы изучить эту идею, Цзэн и соавтор исследования Оливия Янг, доктор философии, бывшая аспирантка группы Ши, сотрудничали с командой Дональда Ингбера из Института Висса. Группа Ингбера занимается разработкой противовирусных инноваций с использованием искусственного интеллекта и мультиомных подходов, а также микрофлюидных систем «орган на чипе». Вместе с соавтором Лонглонг Си, доктором философии, бывшим постдоком в лаборатории Ингбера, исследователи разработали вакцины DoriVac против SARS-CoV-2, ВИЧ и лихорадки Эбола. Эти вакцины содержат пептиды HR2, которые являются консервативными антигенами в составе вирусных шиповидных белков.

«Наш анализ иммунных реакций, вызванных первыми вакцинами DoriVac у мышей, позволил сделать несколько обнадеживающих выводов, в том числе о значительно более сильной и обширной активации гуморального и клеточного иммунитета по сравнению с тем, что могли обеспечить антигены и адъюванты без оригами», — сказал Цзэн. «Мы обнаружили, что количество В-клеток, продуцирующих антитела, активированных антигенпрезентирующих дендритных клеток (ДК), а также антигенспецифичных клеток памяти и цитотоксических Т-клеток, которые играют важную роль в долгосрочной защите, увеличилось, особенно в случае с HR2 SARS-CoV-2», — пояснил Цзэн.

От исследований на мышах к моделям на людях

Одна из проблем при разработке вакцин заключается в том, что иммунный ответ у мышей часто не в полной мере отражает то, что происходит в организме человека. Из-за этого многие многообещающие методы лечения не оправдывают ожиданий в ходе клинических испытаний. Чтобы лучше прогнозировать результаты на людях, команда протестировала вакцины DoriVac на чипе с человеческим лимфатическим узлом (human LN Chip), который имитирует некоторые аспекты иммунной системы человека.

Эта система, разработанная соавтором исследования Мин Вэнь Ку и соавтором-корреспондентом Гириджем Гойалом, доктором философии, директором отдела биоинспирированной терапии в Институте Висса, показала, что вакцина SARS-CoV-2-HR2 DoriVac активирует дендритные клетки человека и значительно увеличивает выработку ими воспалительных цитокинов по сравнению с компонентами без оригами. Она также увеличивает количество CD4+ и CD8+ Т-клеток, выполняющих множество защитных функций, что еще раз подтверждает потенциал этой платформы для применения на людях.

«Прогностические возможности чипов LN, созданных на основе человеческого генома, стали для нас идеальной площадкой для тестирования вакцин DoriVac. Вызванные ими профили и активность антиген-специфичных иммунных клеток, скорее всего, будут такими же, как у людей, получивших эти вакцины. Такое сочетание технологий позволило нам значительно повысить шансы на успех нового класса вакцин и создать новый испытательный полигон для будущих разработок в области вакцинологии», — сказал соавтор исследования Ингбер, доктор медицины и философии, профессор сосудистой биологии имени Джуды Фолкмана в Гарвардской медицинской школе и Бостонской детской больнице, а также профессор биоинспирированной инженерии имени Хансйорга Висса в Гарвардской школе инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона.

Сравнение мРНК-вакцин

Исследователи также изучили вакцину DoriVac, содержащую полный набор шиповидных белков SARS-CoV-2. Под руководством Цзэна и его соавтора Цяньчэна Сюна команда сравнила ее с вакцинами Moderna и Pfizer/BioNTech на основе мРНК и липидных наночастиц (ЛНЧ), которые кодируют тот же шиповидный белок.

При использовании стандартного подхода к бустерной вакцинации у мышей оба типа вакцин вызывали схожие противовирусные реакции Т-клеток и В-клеток, продуцирующих антитела.

«Это подчеркнуло потенциал DoriVac как платформы для создания самоадъювантных вакцин на основе ДНК-нанотехнологий. Но у вакцин DoriVac есть ряд других преимуществ: они не требуют соблюдения холодовой цепи, как мРНК-вакцины, и поэтому могут распространяться гораздо эффективнее, особенно в регионах с ограниченными ресурсами; кроме того, они позволяют преодолеть некоторые из сложнейших производственных проблем, связанных с вакцинами на основе липидных наночастиц, — и это только два основных преимущества», — сказал Ши. Недавние исследования, проведенные в DoriNano, также показали, что вакцина DoriVac обладает многообещающим профилем безопасности.