È stato creato un complesso vaccino sintetico basato su molecole di DNA

Alla ricerca di modi per creare vaccini più sicuri ed efficaci, gli scienziati del Biodesign Institute dell'Arizona State University si sono rivolti a un campo promettente chiamato nanotecnologia del DNA per creare un tipo di vaccino sintetico completamente nuovo.

In uno studio pubblicato di recente sulla rivista Nano Letters, l'immunologo Yung Chang dell'Institute of Bioengineering ha collaborato con alcuni colleghi, tra cui il rinomato nanotecnologo del DNA Hao Yan, per sintetizzare il primo complesso vaccinale al mondo che può essere distribuito in modo sicuro ed efficiente ai siti bersaglio, posizionandolo su nanostrutture di DNA tridimensionali autoassemblanti.

"Quando Hao ha suggerito di considerare il DNA non come materiale genetico, ma come una piattaforma di lavoro, ho avuto l'idea di applicare questo approccio all'immunologia", afferma Chang, professore associato presso la School of Life Sciences e ricercatore presso il Center for Infectious Diseases and Vaccines dell'Institute for Bioengineering. "Questo ci offrirebbe un'ottima opportunità per utilizzare vettori di DNA per creare un vaccino sintetico".

"La domanda fondamentale era: è sicuro? Volevamo creare un gruppo di molecole in grado di innescare una risposta immunitaria sicura e potente nell'organismo. Dato che il team di Hao aveva progettato diverse nanostrutture di DNA negli ultimi anni, abbiamo iniziato a collaborare per trovare potenziali applicazioni mediche per queste strutture."

La particolarità del metodo proposto dagli scienziati dell'Arizona è che il vettore dell'antigene è una molecola di DNA.

Il team di ricerca multidisciplinare comprendeva anche Xiaowei Liu, studente laureato in biochimica presso l'Università dell'Arizona e primo autore dell'articolo, il professor Yang Xu, il docente di biochimica Yan Liu, Craig Clifford, studente della Facoltà di Scienze biologiche e Tao Yu, studente laureato presso l'Università del Sichuan in Cina.

Chang sottolinea che l'adozione diffusa della vaccinazione ha portato a uno dei più significativi trionfi della salute pubblica. L'arte di creare vaccini si basa sull'ingegneria genetica per costruire particelle simili a virus a partire da proteine che stimolano il sistema immunitario. Queste particelle hanno una struttura simile ai virus reali, ma non contengono componenti genetiche pericolose che causano malattie.

Un importante vantaggio della nanotecnologia del DNA, che consente di dare una forma bidimensionale o tridimensionale a una biomolecola, è la possibilità di creare molecole con metodi molto precisi, in grado di svolgere funzioni tipiche delle molecole naturali presenti nell'organismo.

"Abbiamo sperimentato nanostrutture di DNA di diverse dimensioni e forme e vi abbiamo aggiunto biomolecole per vedere come avrebbe reagito l'organismo", spiega Yang, direttore del Dipartimento di Chimica e Biochimica e ricercatore presso il Center for Single Molecule Biophysics dell'Istituto di Bioingegneria. Attraverso un approccio che gli scienziati chiamano "biomimetica", i complessi vaccinali testati si avvicinano per dimensioni e forma alle particelle virali naturali.

Per dimostrare la fattibilità del loro concetto, i ricercatori hanno attaccato la proteina immunostimolante streptavidina (STV) e il farmaco immunostimolante oligodesossinucleotide CpG a strutture di DNA ramificato piramidale separate, che alla fine avrebbero consentito loro di ottenere un complesso vaccinale sintetico.

Il team doveva innanzitutto dimostrare che le cellule bersaglio potessero assorbire le nanostrutture. Attaccando una molecola tag emettitrice di luce alla nanostruttura, gli scienziati sono stati in grado di verificare che quest'ultima trovasse la sua corretta posizione nella cellula e rimanesse stabile per diverse ore, un tempo sufficiente a innescare una risposta immunitaria.

Successivamente, in esperimenti sui topi, gli scienziati hanno lavorato alla somministrazione del "carico" vaccinale alle cellule che rappresentano i primi anelli della catena di risposta immunitaria dell'organismo, coordinando le interazioni tra diversi componenti come le cellule presentanti l'antigene, tra cui macrofagi, cellule dendritiche e linfociti B. Una volta che le nanostrutture entrano nella cellula, vengono "analizzate" e "visualizzate" sulla superficie cellulare in modo da poter essere riconosciute dai linfociti T, i globuli bianchi che svolgono un ruolo centrale nell'innescare la risposta difensiva dell'organismo. I linfociti T, a loro volta, aiutano i linfociti B a produrre anticorpi contro gli antigeni estranei.

Per testare in modo affidabile tutte le varianti, i ricercatori hanno iniettato nelle cellule sia il complesso vaccinale completo sia il solo antigene STV, nonché l'antigene STV miscelato con un potenziatore CpG.

Dopo un periodo di 70 giorni, gli scienziati hanno scoperto che i topi immunizzati con il complesso vaccinale completo hanno mostrato una risposta immunitaria 9 volte più forte di quella indotta dalla miscela CpG/STV. La reazione più evidente è stata innescata dalla struttura tetraedrica (piramidale). Tuttavia, la risposta immunitaria al complesso vaccinale è stata riconosciuta non solo come specifica (ovvero, la reazione dell'organismo a un antigene specifico utilizzato dagli sperimentatori) ed efficace, ma anche come sicura, il che è confermato dall'assenza di una reazione immunitaria al DNA "vuoto" (privo di biomolecole) introdotto nelle cellule.

"Siamo stati molto soddisfatti", dice Chang. "È stato meraviglioso vedere i risultati che avevamo previsto. Non succede spesso in biologia."

Il futuro dell’industria farmaceutica risiede nei farmaci mirati

Ora il team sta valutando il potenziale di un nuovo metodo per stimolare specifiche cellule immunitarie a innescare una risposta utilizzando una piattaforma a DNA. La nuova tecnologia potrebbe essere utilizzata per creare vaccini composti da diversi farmaci attivi, nonché per modificare i bersagli per regolare la risposta immunitaria.

Inoltre, la nuova tecnologia ha il potenziale per sviluppare nuovi metodi di terapia mirata, in particolare la produzione di farmaci "mirati" che vengono somministrati in aree del corpo strettamente designate e che pertanto non producono effetti collaterali pericolosi.

Infine, sebbene il campo dello studio del DNA sia ancora agli inizi, il lavoro scientifico dei ricercatori dell'Arizona ha importanti implicazioni pratiche per la medicina, l'elettronica e altri campi.

Chang e Yang riconoscono che c'è ancora molto da imparare e ottimizzare sul loro metodo vaccinale, ma il valore della loro scoperta è innegabile. "Con la dimostrazione del concetto in mano, ora possiamo produrre vaccini sintetici con un numero illimitato di antigeni", conclude Chang.

Il sostegno finanziario per questa ricerca è stato fornito dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti e dal National Institutes of Health.

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