Investigadores del Instituto Internacional de Nanotecnología (IIN) de la Universidad Northwestern han desarrollado una nueva forma de aumentar significativamente la potencia de casi cualquier vacuna. Los científicos utilizaron la química y la nanotecnología para cambiar la ubicación estructural de los adyuvantes y antígenos en y dentro de una vacuna a nanoescala, lo que aumentó considerablemente el rendimiento de la vacuna. El antígeno se dirige al sistema inmunitario y el adyuvante es un estimulador que aumenta la eficacia del antígeno.

Los científicos utilizaron la química y la nanotecnología para cambiar la ubicación estructural de los adyuvantes y antígenos en y dentro de una vacuna a nanoescala, lo que aumentó considerablemente el rendimiento de la vacuna. El antígeno se dirige al sistema inmunitario y el adyuvante es un estimulador que aumenta la eficacia del antígeno.

El estudio se publicará el 30 de enero en Nature Biomedical Engineering.

« El trabajo muestra que la estructura de la vacuna y no solo los componentes es un factor crítico para determinar la eficacia de la vacuna », dijo el investigador principal Chad A. Mirkin, director del IIN. « Dónde y cómo colocamos los antígenos y el adyuvante dentro de una sola arquitectura cambia notablemente la forma en que el sistema inmunitario los reconoce y procesa.

Mirkin también es profesor de Química George B. Rathmann en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg y profesor de medicina en la Facultad de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern.

Este nuevo mayor énfasis en la estructura tiene el potencial de mejorar la eficacia de las vacunas contra el cáncer convencionales, que históricamente no han funcionado bien, dijo Mirkin.

El equipo de Mirkin ha estudiado el efecto de la estructura de la vacuna en el contexto de siete tipos diferentes de cáncer hasta la fecha, incluido el cáncer de mama triple negativo, el cáncer de cuello uterino inducido por el virus del papiloma, el melanoma, el cáncer de colon y el cáncer de próstata para determinar la arquitectura más eficaz para tratar cada uno. enfermedad.

Las vacunas convencionales adoptan un enfoque combinado

Con la mayoría de las vacunas convencionales, el antígeno y el adyuvante se mezclan y se inyectan al paciente. No hay control sobre la estructura de la vacuna y, en consecuencia, control limitado sobre el tráfico y procesamiento de los componentes de la vacuna. Por lo tanto, no hay control sobre qué tan bien funciona la vacuna.

« Un desafío con las vacunas convencionales es que, a partir de ese revoltijo combinado, una célula inmunitaria podría captar 50 antígenos y un adyuvante o un antígeno y 50 adyuvantes », dijo la autora del estudio y ex asociada postdoctoral de Northwestern, Michelle Teplensky, quien ahora es asistente profesor de la Universidad de Boston. « Pero debe haber una proporción óptima de cada uno que maximizaría la efectividad de la vacuna ».

Ingrese los SNA (ácidos nucleicos esféricos), que son la plataforma estructural, inventada y desarrollada por Mirkin, utilizada en esta nueva clase de vacunas modulares. Los SNA permiten a los científicos determinar exactamente cuántos antígenos y adyuvantes se administran a las células. Los SNA también permiten a los científicos adaptar cómo se presentan estos componentes de la vacuna y la velocidad a la que se procesan. Estas consideraciones estructurales, que tienen un gran impacto en la eficacia de la vacuna, se ignoran en gran medida en los enfoques convencionales.

Las vacunas desarrolladas a través de la ‘vacunología racional’ ofrecen una dosificación precisa para una máxima eficacia

Este enfoque para controlar sistemáticamente las ubicaciones de antígenos y adyuvantes dentro de las arquitecturas de vacunas modulares fue creado por Mirkin, quien acuñó el término vacunología racional para describirlo. Se basa en el concepto de que la presentación estructural de los componentes de la vacuna es tan importante como los propios componentes para impulsar la eficacia.

« Las vacunas desarrolladas a través de la vacunología racional administran la dosis precisa de antígeno y adyuvante a cada célula inmunitaria, por lo que todas están igualmente preparadas para atacar las células cancerosas », dijo Mirkin, quien también es miembro del Centro Integral de Cáncer Robert H. Lurie de Northwestern. Universidad. « Si sus células inmunitarias son soldados, una vacuna tradicional deja a algunas desarmadas; nuestra vacuna las arma a todas con un arma poderosa para matar el cáncer. ¿Qué ‘soldados’ de células inmunitarias quiere que ataquen a sus células cancerosas? ». Mirkin preguntó retóricamente.

Construyendo una vacuna (aún) mejor

El equipo desarrolló una vacuna contra el cáncer que duplicó la cantidad de células T específicas del antígeno del cáncer y aumentó la activación de estas células en un 30 % al reconfigurar la arquitectura de la vacuna para contener múltiples objetivos para ayudar al sistema inmunitario a encontrar células tumorales.

El equipo investigó las diferencias en qué tan bien el sistema inmunitario reconocía dos antígenos según su ubicación, en el núcleo o el perímetro, de la estructura del SNA. Para un SNA con una ubicación óptima, podrían aumentar la respuesta inmunitaria y la rapidez con la que la nanovacuna desencadenó la producción de citocinas (una proteína de las células inmunitarias) para impulsar las células T que atacan a las células cancerosas. Los científicos también estudiaron cómo las diferentes ubicaciones afectaron la capacidad del sistema inmunitario para recordar al invasor y si la memoria era a largo plazo.

« Dónde y cómo colocamos los antígenos y el adyuvante dentro de una sola arquitectura cambia notablemente la forma en que el sistema inmunitario los reconoce y procesa », dijo Mirkin.

La estructura más poderosa lanza dos golpes para burlar al astuto tumor mutante.

Los datos del estudio muestran que unir dos antígenos diferentes a un SNA que comprende una capa de adyuvante fue el enfoque más potente para una estructura de vacuna contra el cáncer. Condujo a un aumento del 30% en la activación de células T específicas de antígeno y duplicó el número de células T en proliferación en comparación con una estructura en la que los mismos dos antígenos estaban unidos a dos SNA separados.

Estas nanoestructuras de SNA diseñadas detuvieron el crecimiento tumoral en múltiples modelos animales.

« Es notable », dijo Mirkin. « Al alterar la ubicación de los antígenos en dos vacunas que son casi idénticas desde el punto de vista de la composición, el beneficio del tratamiento contra los tumores cambia drásticamente. Una vacuna es potente y útil, mientras que la otra es mucho menos efectiva ».

Muchas vacunas contra el cáncer actuales están diseñadas para activar principalmente las células T citotóxicas, solo una defensa contra una célula cancerosa. Debido a que las células tumorales siempre están mutando, pueden escapar fácilmente de esta vigilancia de las células inmunitarias, lo que hace que la vacuna sea rápidamente ineficaz. Las probabilidades son mayores de que la célula T reconozca una célula cancerosa mutante si tiene más formas (múltiples antígenos) para reconocerla.

« Se necesita más de un tipo de célula T activada, para poder atacar más fácilmente una célula tumoral », dijo Teplensky. « Cuantos más tipos de células tenga el sistema inmunitario para combatir los tumores, mejor. Las vacunas que consisten en múltiples antígenos dirigidos a múltiples tipos de células inmunitarias son necesarias para inducir una remisión tumoral mejorada y duradera ».

Otra ventaja del enfoque de vacunología racional, especialmente cuando se usa con una nanoestructura como un SNA, es que es fácil alterar la estructura de una vacuna para combatir un tipo diferente de enfermedad. Mirkin dijo que simplemente cambiaron un péptido, un fragmento de una proteína cancerosa con un mango químico que se « engancha » a la estructura, similar a agregar un nuevo amuleto a un brazalete.

Camino a la vacuna más eficaz para cualquier tipo de cáncer

« La importancia colectiva de este trabajo es que sienta las bases para desarrollar las formas de vacuna más efectivas para casi cualquier tipo de cáncer », dijo Teplensky. « Se trata de redefinir cómo desarrollamos vacunas en todos los ámbitos, incluidas las de enfermedades infecciosas ».

En un artículo publicado anteriormente, Mirkin, Teplensky y sus colegas demostraron la importancia de la estructura de la vacuna para la COVID-19 al crear vacunas que exhibieron inmunidad protectora en el 100 % de los animales contra una infección viral letal.

« Pequeños cambios en la ubicación del antígeno en una vacuna elevan significativamente la comunicación de célula a célula, el diálogo cruzado y la sinergia celular », dijo Mirkin. « Los desarrollos realizados en este trabajo brindan un camino a seguir para repensar el diseño de vacunas para el cáncer y otras enfermedades en su conjunto ».

Doctorado del Noroeste El candidato Michael Evangelopoulos también es autor del artículo, titulado « Vacunas contra el cáncer de ácido nucleico esférico de antígenos múltiples ».

Fundado en 2000 como una organización paraguas para fusionar y fomentar los esfuerzos de nanotecnología, el IIN representa y une más de $ 1 mil millones en investigación de nanotecnología, programas educativos e infraestructura de apoyo.

Este estudio se basa en el trabajo respaldado por el Polsky Urologic Cancer Institute of the Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center of Northwestern University at Northwestern Memorial Hospital, Edward Bachrach y el National Cancer Institute of the National Institutes of Health (R01CA208783, R01CA257926 y P50CA221747 ). Teplensky también recibió el apoyo del Premio del Programa de Capacitación en Nanotecnología del Cáncer de la Universidad Northwestern (T32CA186897). Evangelopoulos recibió el apoyo parcial de la Beca Dr. John N. Nicholson y la Fundación de Beneficios Públicos Alexander S. Onassis.