Путь к наноматериалам для разработки вакцины COVID-19
Профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Николь Штайнметц. Предоставлено: Дэвид Бейло/UC San Diego Jacobs School of Engineering

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 новостей.

Наноинженеры в Калифорнийском университете в Сан-Диего подробно рассказывают о текущих подходах к разработке вакцин против COVID-19 и рассказывают о том, как нанотехнологии способствовали этим достижениям, в обзорной статье в Nature Nanotechnology, опубликованной 15 июля.

«Нанотехнологии играют важную роль в разработке вакцин», — пишут исследователи во главе с профессором наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Николь Штайнметц. Штайнмец также является директором-основателем Центра наноиммуноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Наноматериалы идеально подходят для доставки антигенов, служа в качестве адъювантных платформ и имитируя вирусные структуры. Первые кандидаты, запущенные в клинические испытания, основаны на новых нанотехнологиях и готовы оказать влияние».

Steinmetz возглавляет работу, финансируемую Национальным научным фондом, для разработки — с использованием вируса растений — 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 пептидному подходу, 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 одобрена, но пока Технология вакцины мРНК от Moderna для COVID-19 делает успехи и стала первой вакциной, прошедшей клинические испытания в США. «

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

«Существует множество технологий на платформе нанотехнологий, предназначенных для приложений против SARS-CoV-2; хотя они весьма перспективны, многие из них, тем не менее, могут находиться в нескольких годах от развертывания и, следовательно, могут не оказывать влияния на пандемию SARS-CoV-2. «Стейнмец написал. «Тем не менее, столь же разрушительным, как и 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 будущим пандемиям», — написал Штайнметц.

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 скрининга сыворотки от пациентов с реконвалесцентным COVID-19 на нейтрализующие антитела экспериментально полученные 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.

Основанные на пептидах подходы представляют собой простейшую форму вакцин, которые легко проектируются, легко проверяются и быстро производятся. Вакцины на основе пептидов могут быть приготовлены в виде пептидов плюс адъювантных смесей, или пептиды могут доставляться с помощью подходящего наноносителя или кодироваться с помощью композиций вакцинных нуклеиновых кислот. Несколько основанных на пептидах вакцин, а также конъюгаты пептид-наночастицы находятся в клинических испытаниях и разработках, нацеленных на хронические заболевания и рак, и OncoGen и Университет Кембриджа/DIOSynVax используют полученные из иммуноинформатики пептидные последовательности белка S в своих составах вакцин COVID-19.

Интригующим классом нанотехнологий для пептидных вакцин являются вирусоподобные частицы (VLP) из бактериофагов и вирусов растений. Будучи неинфекционными по отношению к млекопитающим, эти VLPs имитируют молекулярные паттерны, связанные с патогенами, делая их хорошо видимыми для иммунной системы. Это позволяет VLP служить не только в качестве платформы доставки, но и в качестве адъюванта. VLP усиливают поглощение вирусных антигенов антигенпрезентирующими клетками и обеспечивают дополнительный иммунный стимул, приводящий к активации и усилению последующего иммунного ответа. Штайнмец 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.

Путь к наноматериалам для разработки вакцины COVID-19
Графика вируса SARS-CoV-2. Предоставлено: UC San Diego.

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 растений выращивается, тем больше производится вакцин. Компания Medicago недавно продемонстрировала скорость и масштабируемость платформы, выпустив 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 земледелие имеет низкие производственные затраты и является более безопасным, поскольку патогенные микроорганизмы 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 широкомасштабное внедрение вакцин является критической необходимостью, 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 настраивать с помощью установленных модификаций.

В настоящее время разрабатываются несколько вакцин против COVID-19 с использованием ДНК или РНК: Inovio Pharmaceuticals проходит фазу I клинических испытаний, а Entos Pharmeuticals готовится к фазе I клинических испытаний с использованием ДНК. Технология, основанная на мРНК компании Moderna, 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 также могут использовать неинфекционные VLP, 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 масштабируемы посредством ферментации или молекулярного фермерства. Лидерами среди разработчиков являются Novavax, которые инициировали испытание I/II фазы 25 мая 2020 года. Также Sanofi Pasteur/GSK, Vaxine, Johnson & Johnson и Университет Питсбурга объявили, что они планируют начать клинические испытания I фазы в течение следующего несколько месяцев. Другие, в том числе Clover Biopharmaceuticals и Университет Квинсленда, Австралия, самостоятельно разрабатывают субъединичные вакцины, разработанные для представления предварительного подтверждения тримера 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. Исторически это осложнялось живыми аттенуированными и инактивированными вакцинами, требующими постоянного охлаждения, а также недостаточным количеством специалистов здравоохранения, где нужны вакцины «. Недавно появились современные альтернативы таким проблемам распределения и доступа, такие как медленная однократная доза выпускают имплантаты и пластыри на основе микроигл, которые могут снизить зависимость от холодной цепи и обеспечить вакцинацию даже в ситуациях, когда квалифицированные медицинские работники редки или пользуются повышенным спросом «, — пишут исследователи. «Пластыри на основе микроигл могут даже применяться самостоятельно, что значительно ускорит внедрение и распространение таких вакцин, а также уменьшит нагрузку на систему здравоохранения».

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

«Достижения в области био/нанотехнологий и передового нанопроизводства в сочетании с открытой отчетностью и обменом данными закладывают основу для быстрого развития инновационных технологий производства вакцин для оказания воздействия во время пандемии COVID-19», — пишут исследователи. «Некоторые из этих платформенных технологий могут служить технологиями» подключи и работай «, которые могут быть адаптированы к сезонным или новым штаммам коронавирусов. COVID-19 обладает потенциалом стать сезонным заболеванием, подчеркивая необходимость дальнейших инвестиций в вакцины против коронавируса»./р>




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *