Новое исследование наноматериалов может помочь в создании стабильного простого вакцинного пластыря COVID-19

Новое исследование наноматериалов может помочь в создании стабильного простого вакцинного пластыря COVID-19

От мРНК-вакцин, поступающих в клинические испытания, до вакцин на основе пептидов и использования молекулярного фермерства для масштабирования производства вакцин, пандемия COVID-19 выдвигает новые и появляющиеся нанотехнологии на передний план и в заголовки.

]

Наноинженеры в Калифорнийском университете в Сан-Диего подробно описывают современные подходы к разработке вакцины против COVID-19 и подчеркивают, как нанотехнологии способствовали этим достижениям, в обзорной статье в Nature Nanotechnology опубликованной 15 июля.

« Нанотехнологии играют важную роль в разработке вакцин », – писали исследователи во главе с профессором наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Николь Стейнметц.

Штайнмец также является основателем и директором Центра наноиммуноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего. « Наноматериалы идеально подходят для доставки антигенов, служа адъювантными платформами и имитируя вирусные структуры. Первые кандидаты, запущенные в клинические испытания, основаны на новых нанотехнологиях и готовы оказать влияние ».

Steinmetz возглавляет усилия, финансируемые Национальным научным фондом, для разработки – с использованием растительного вируса – стабильного, легкого в изготовлении вакцинного пластыря COVID-19, который можно доставлять по всему миру и безболезненно самостоятельно вводить пациентами. И сама вакцина, и платформа доставки пластыря микроигл опираются на нанотехнологии. Эта вакцина относится к подходу на основе пептидов, описанному ниже.

«С точки зрения разработки технологии вакцин это захватывающее время, и новые технологии и подходы готовы оказать клиническое воздействие впервые. Например, на сегодняшний день ни одна мРНК-вакцина не была клинически Одобрено, но технология вакцины мРНК Модерны для COVID-19 делает успехи и была первой вакциной, которая прошла клинические испытания в США. "

По состоянию на 1 июня в разработке находится 157 кандидатов на вакцины COVID-19, из которых 12 – в клинических испытаниях.

" Существует множество технологий нанотехнологических платформ, предназначенных для приложений против SARS-CoV-2; хотя они весьма перспективны, многие из них, тем не менее, могут быть развернуты через несколько лет и, следовательно, могут не повлиять на SARS-CoV. Пандемия -2 "написал Штейнмец.

" Тем не менее, столь же разрушительным, как COVID-19, он может послужить стимулом для научного сообщества, финансирующих органов и заинтересованных сторон прилагать более целенаправленные усилия к разработке технологий платформы, чтобы подготовить страны к готовности к будущему пандемии "написал Штейнмец.

Для смягчения некоторых недостатков современных вакцин, а именно живых ослабленных или инактивированных штаммов самого вируса, достижения в области нанотехнологий позволили создать несколько типов вакцин следующего поколения, в том числе:

Вакцины на основе пептидов: с использованием комбинации информатики и иммунологического исследования антител и сывороток пациентов были идентифицированы различные В- и Т-клеточные эпитопы белка SARS-CoV-2 S.

По прошествии времени и сыворотки от выздоравливающих пациентов с COVID-19 подвергаются скринингу на нейтрализующие антитела, полученные экспериментальным путем пептидные эпитопы подтвердят полезные области эпитопов и приведут к более оптимальным антигенам в пептидных вакцинах SARS-CoV-2 второго поколения. Национальные институты здравоохранения недавно профинансировали Институт иммунологии La Jolla в этом направлении.

Пептидные подходы представляют собой простейшую форму вакцин, которые легко конструируются, легко проверяются и быстро производятся. Вакцины на основе пептидов могут быть изготовлены в виде пептидов плюс адъювантных смесей, или пептиды могут доставляться с помощью соответствующего наноносителя или кодироваться с помощью составов вакцин на основе нуклеиновых кислот.

Несколько основанных на пептидах вакцин, а также конъюгаты пептид-наночастица находятся в клинических испытаниях и разработках для хронических заболеваний и рака, и OncoGen и Университет Кембриджа / DIOSynVax используют полученные из иммуноинформатики пептидные последовательности белка S в своем COVID-19 составы вакцин.

Интригующим классом нанотехнологий для пептидных вакцин являются вирусоподобные частицы (VLP) из бактериофагов и вирусов растений. Несмотря на то что эти VLP не являются заразными для млекопитающих, они имитируют молекулярные структуры, связанные с патогенами, что делает их хорошо видимыми для иммунной системы.

Это позволяет VLP служить не только в качестве платформы доставки, но также и в качестве адъюванта. VLP усиливают поглощение вирусных антигенов антигенпрезентирующими клетками и обеспечивают дополнительный иммунный стимул, приводящий к активации и усилению последующего иммунного ответа.

Штейнмец и профессор Джон Покорски получили грант NSF Rapid Research Response для разработки вакцины на основе пептидов COVID-19 из растительного вируса. В их подходе используется вирус мозаики Cowpea, который заражает бобовые, придает ему вид SARS-CoV-2 и вплетает на его поверхность антигенные пептиды, что стимулирует иммунный ответ.

Их подход, как и другие растительные системы экспрессии, можно легко расширить с помощью молекулярного фермерства. В молекулярном сельском хозяйстве каждое растение является биореактором. Чем больше будет выращено растений, тем больше будет сделано вакцин.

Скорость и масштабируемость платформы была недавно продемонстрирована Medicago, производящей 10 миллионов доз вакцины против гриппа в течение одного месяца. Во время эпидемии лихорадки Эбола в 2014 году пациентов лечили ZMapp, коктейлем антител, изготовленным путем молекулярного фермерства. Молекулярное сельское хозяйство имеет низкие производственные затраты и является более безопасным, поскольку патогены человека не могут размножаться в клетках растений.

Вакцины на основе нуклеиновых кислот: для быстро возникающих вирусных инфекций и пандемий, таких как COVID-19, быстрая разработка и крупномасштабное внедрение вакцин является критической потребностью, которая может не удовлетворяться субъединичными вакцинами.

Предоставление генетического кода для производства вирусных белков in situ является многообещающей альтернативой традиционным подходам к вакцинам. Как ДНК-вакцины, так и мРНК-вакцины подпадают под эту категорию и применяются в контексте пандемии COVID-19.

  • ДНК-вакцины состоят из маленьких круглых кусочков бактериальных плазмид, которые предназначены для нацеливания на ядерное оборудование и вырабатывают S-белок SARS-CoV-2 ниже по течению.
  • мРНК-вакцины, с другой стороны, основаны на мРНК конструктора, доставляемой в цитоплазму, где механизм клетки-хозяина затем транслирует ген в белок – в данном случае полноразмерный S-белок SARS-CoV-2. мРНК-вакцины могут быть получены путем транскрипции in vitro, что исключает необходимость в клетках и связанных с ними регуляторных барьерах

Хотя ДНК-вакцины обладают более высокой стабильностью по сравнению с мРНК-вакцинами, мРНК не интегрируется и, следовательно, не представляет риска инсерционного мутагенеза. Кроме того, период полураспада, стабильность и иммуногенность мРНК можно настроить с помощью установленных модификаций.

Несколько вакцин против COVID-19, использующих ДНК или РНК, находятся в стадии разработки: Inovio Pharmaceuticals проводит фазу I клинических испытаний, а Entos Pharmeuticals готовится к фазе I клинических испытаний с использованием ДНК.

Технология, основанная на мРНК Модерны, была самой быстрой для первого этапа клинических испытаний в США, который начался 16 марта, и BioNTech-Pfizer недавно объявил о нормативном одобрении в Германии для клинических испытаний фазы 1/2 для тестирования четырех потенциальных мРНК-кандидатов.

Субъединичные вакцины: Субъединичные вакцины используют только минимальные структурные элементы патогенного вируса, которые обеспечивают первичный защитный иммунитет – либо белки самого вируса, либо собранные VLP. Субъединичные вакцины могут также использовать неинфекционные VLPs, полученные из самого патогена, в качестве антигена.

Эти VLPs лишены генетического материала и сохраняют некоторые или все структурные белки патогена, имитируя тем самым иммуногенные топологические особенности инфекционного вируса, и могут быть получены посредством рекомбинантной экспрессии и масштабируемыми посредством ферментации или молекулярного фермерства.

Фронтранс среди разработчиков – Novavax, которая инициировала испытание I / II фазы 25 мая 2020 года. Также Sanofi Pasteur / GSK, Vaxine, Johnson & Johnson и Университет Питтсбурга объявили, что они планируют начать клинические испытания I фазы. в течение следующих нескольких месяцев.

Другие, в том числе Clover Biopharmaceuticals и Университет Квинсленда, Австралия, самостоятельно разрабатывают субъединичные вакцины, разработанные для представления предварительного тримерного подтверждения белка S с использованием технологии молекулярного зажима и технологии Trimer-tag, соответственно.

Разработка устройства доставки

Наконец, исследователи отмечают, что влияние нанотехнологий на разработку вакцины против COVID-19 не ограничивается самой вакциной, а распространяется на разработку устройств и платформ для введения вакцины.

Это исторически осложнялось живыми аттенуированными и инактивированными вакцинами, требующими постоянного охлаждения, а также нехваткой медицинских работников, где вакцины необходимы.

" В последнее время стали известны современные альтернативы таким проблемам распространения и доступа, такие как однократные имплантаты с медленным высвобождением и пластыри на основе микроигл, которые могут снизить зависимость от холодной цепи и обеспечить вакцинацию даже в ситуациях, когда квалифицированные медицинские работники встречаются редко или пользуются большим спросом "пишут исследователи.

" Пластыри на основе микроигл могут даже применяться самостоятельно, что резко ускорит внедрение и распространение таких вакцин, а также уменьшит нагрузку на систему здравоохранения ."

Pokorski и Steinmetz совместно разрабатывают платформу доставки микроигл с их вакциной против растительного вируса COVID-19 по обеим этим причинам.

Работа выполнена при поддержке гранта Национального научного фонда (NSF CMMI-2027668)

" Достижения в области био / нанотехнологий и передового нанопроизводства в сочетании с открытой отчетностью и обменом данными закладывают основу для быстрого развития инновационных технологий вакцин для оказания воздействия во время пандемии COVID-19 ", – пишут исследователи .

" Некоторые из этих технологий платформы могут служить технологиями" включай и работай ", которые могут быть адаптированы к сезонным или новым штаммам коронавирусов. COVID-19 таит в себе потенциал стать сезонным заболеванием, подчеркивая необходимость продолжения инвестиции в коронавирусные вакцины . "

Источник: https://ucsd.edu/

Source link