Transformando la forma en que se diseñan y fabrican las vacunas contra el cáncer

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

El estudio se publicará el 30 de enero en Ingeniería Biomédica de la Naturaleza.

'El trabajo muestra que la estructura de la vacuna y no sólo 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 única arquitectura cambia notablemente la forma en que el sistema inmunológico los reconoce y procesa.

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

Este nuevo énfasis en la estructura tiene el potencial de mejorar la efectividad 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 de ellos. enfermedad.

Las vacunas convencionales adoptan un enfoque combinado

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

'Un desafío con las vacunas convencionales es que, a partir de esa mezcla, una célula inmune puede recoger 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 profesor asistente en la Universidad de Boston. 'Pero debe haber una proporción óptima de cada uno que maximice la eficacia de la vacuna'.

Ingrese a 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 influyen en gran medida en la eficacia de las vacunas, se ignoran en gran medida en los enfoques convencionales.

Las vacunas desarrolladas mediante la 'vacunología racional' ofrecen dosificaciones precisas para una máxima eficacia

Este enfoque para controlar sistemáticamente las ubicaciones de antígenos y adyuvantes dentro de arquitecturas modulares de vacunas 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 mediante vacunología racional administran la dosis precisa de antígeno y adyuvante a cada célula inmune, por lo que todas están igualmente preparadas para atacar las células cancerosas', dijo Mirkin, quien también es miembro del Centro Integral del Cáncer Robert H. Lurie. de la Universidad del Noroeste. 'Si sus células inmunitarias son soldados, una vacuna tradicional deja a algunas desarmadas; nuestra vacuna las equipa a todas con un arma poderosa para matar el cáncer. ¿Qué 'soldados' de células inmunitarias desea que ataquen sus células cancerosas?', preguntó Mirkin. 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% reconfigurando la arquitectura de la vacuna para que contenga múltiples objetivos para ayudar al sistema inmunológico a encontrar células tumorales.

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

'Dónde y cómo colocamos los antígenos y el adyuvante dentro de una única arquitectura cambia notablemente la forma en que el sistema inmunológico 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 SNA diseñadas detuvieron el crecimiento tumoral en múltiples modelos animales.

'Es extraordinario', 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, sólo una defensa contra las células cancerosas. Debido a que las células tumorales siempre están mutando, pueden escapar fácilmente a esta vigilancia de las células inmunitarias, lo que rápidamente hace que la vacuna sea ineficaz. Las probabilidades de que la célula T reconozca una célula cancerosa mutante son mayores si tiene más formas (múltiples antígenos) de 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 inmunológico para atacar los tumores, mejor. Las vacunas que consisten en múltiples antígenos dirigidos a múltiples tipos de células inmunes son necesarias para inducir una remisión tumoral mejorada y duradera'.

Otra ventaja del enfoque de la vacunología racional, especialmente cuando se utiliza con una nanoestructura como una SNA, es que es fácil alterar la estructura de una vacuna para atacar un tipo diferente de enfermedad. Mirkin dijo que simplemente reemplazan un péptido, un fragmento de una proteína cancerosa con un mango químico que se 'engancha' a la estructura, de manera similar a agregar un nuevo dije a una pulsera.

Camino hacia la vacuna más eficaz para cualquier tipo de cáncer

'La importancia colectiva de este trabajo es que sienta las bases para desarrollar las formas más efectivas de vacuna para casi cualquier tipo de cáncer', afirmó Teplensky. 'Se trata de redefinir cómo desarrollamos vacunas en todos los ámbitos, incluidas las para 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 mediante la creación de vacunas que mostraban inmunidad protectora en el 100 % de los animales contra una infección viral letal.

'Pequeños cambios en la colocación del antígeno en una vacuna elevan significativamente la comunicación, la comunicación cruzada y la sinergia celular entre células', dijo Mirkin. 'Los avances logrados en este trabajo abren un camino para repensar el diseño de vacunas contra 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 con múltiples antígenos'.

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

Este estudio se basa en un trabajo respaldado por el Instituto de Cáncer Urológico Polsky del Centro Oncológico Integral Robert H. Lurie de la Universidad Northwestern en el Hospital Northwestern Memorial, Edward Bachrach y el Instituto Nacional del Cáncer de los Institutos Nacionales de Salud (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 contó con el apoyo parcial de la beca Dr. John N. Nicholson y la Fundación de Beneficio Público Alexander S. Onassis.