Uma nova maneira de aumentar significativamente a potência de quase todas as vacinas foi desenvolvida por pesquisadores do Instituto Internacional de Nanotecnologia (IIN) da Northwestern University. Os cientistas usaram química e nanotecnologia para mudar a localização estrutural de adjuvantes e antígenos em uma vacina em nanoescala, aumentando consideravelmente o desempenho da vacina. O antígeno tem como alvo o sistema imunológico e o adjuvante é um estimulador que aumenta a eficácia do antígeno.
Os cientistas usaram química e nanotecnologia para mudar a localização estrutural de adjuvantes e antígenos em uma vacina em nanoescala, aumentando consideravelmente o desempenho da vacina. O antígeno tem como alvo o sistema imunológico e o adjuvante é um estimulador que aumenta a eficácia do antígeno.
O estudo será publicado em 30 de janeiro na Natureza Engenharia Biomédica.
“O trabalho mostra que a estrutura da vacina, e não apenas os componentes, é um fator crítico na determinação da eficácia da vacina”, disse o investigador principal Chad A. Mirkin, diretor do IIN. “Onde e como posicionamos os antígenos e o adjuvante dentro de uma única arquitetura muda significativamente a forma como o sistema imunológico os reconhece e os processa.
Mirkin também é professor de química George B. Rathmann no Weinberg College of Arts and Sciences e professor de medicina na Northwestern University Feinberg School of Medicine.
Essa nova ênfase na estrutura tem o potencial de melhorar a eficácia das vacinas convencionais contra o câncer, que historicamente não funcionaram bem, disse Mirkin.
A equipe de Mirkin estudou o efeito da estrutura da vacina no contexto de sete tipos diferentes de câncer até o momento, incluindo câncer de mama triplo negativo, câncer cervical induzido por papilomavírus, melanoma, câncer de cólon e câncer de próstata para determinar a arquitetura mais eficaz para tratar cada um doença.
As vacinas convencionais adotam uma abordagem combinada
Com a maioria das vacinas convencionais, o antígeno e o adjuvante são misturados e injetados no paciente. Não há controle sobre a estrutura da vacina e, consequentemente, controle limitado sobre o tráfico e processamento dos componentes da vacina. Portanto, não há controle sobre a eficácia da vacina.
“Um desafio com as vacinas convencionais é que, a partir desse misto de mistura, uma célula imune pode captar 50 antígenos e um adjuvante ou um antígeno e 50 adjuvantes”, disse a autora do estudo e ex-associada de pós-doutorado da Northwestern, Michelle Teplensky, que agora é assistente professor da Universidade de Boston. “Mas deve haver uma proporção ideal de cada um que maximize a eficácia da vacina.”
Digite SNAs (ácidos nucleicos esféricos), que são a plataforma estrutural – inventada e desenvolvida por Mirkin – usada nesta nova classe de vacinas modulares. Os SNAs permitem que os cientistas identifiquem exatamente quantos antígenos e adjuvantes estão sendo entregues às células. Os SNAs também permitem que os cientistas personalizem como esses componentes da vacina são apresentados e a taxa em que são processados. Tais considerações estruturais, que causam grande impacto na eficácia da vacina, são amplamente ignoradas nas abordagens convencionais.
Vacinas desenvolvidas por meio de ‘vacinologia racional’ oferecem dosagem precisa para máxima eficácia
Essa abordagem para controlar sistematicamente as localizações de antígenos e adjuvantes em arquiteturas modulares de vacinas foi criada por Mirkin, que cunhou o termo vacinologia racional para descrevê-la. Baseia-se no conceito de que a apresentação estrutural dos componentes da vacina é tão importante quanto os próprios componentes na condução da eficácia.
“As vacinas desenvolvidas por meio da vacinologia racional fornecem a dose precisa de antígeno e adjuvante para cada célula imune, de modo que todas estão igualmente preparadas para atacar as células cancerígenas”, disse Mirkin, que também é membro do Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center de Northwestern Universidade. “Se suas células imunológicas são soldados, uma vacina tradicional deixa algumas desarmadas; Mirkin perguntou retoricamente.
Construindo uma vacina (ainda) melhor
A equipe desenvolveu uma vacina contra o câncer que dobrou o número de células T específicas do antígeno do câncer e aumentou a ativação dessas células em 30%, reconfigurando a arquitetura da vacina para conter vários alvos para ajudar o sistema imunológico a encontrar células tumorais.
A equipe investigou as diferenças em quão bem dois antígenos foram reconhecidos pelo sistema imunológico, dependendo de sua colocação – no núcleo ou no perímetro – da estrutura do SNA. Para um SNA com posicionamento ideal, eles poderiam aumentar a resposta imune e a rapidez com que a nanovacina desencadeou a produção de citocinas (uma proteína de células imunes) para aumentar as células T que atacam as células cancerígenas. Os cientistas também estudaram como os diferentes posicionamentos afetaram a capacidade do sistema imunológico de se lembrar do invasor e se a memória era de longo prazo.
“Onde e como posicionamos os antígenos e o adjuvante dentro de uma única arquitetura muda significativamente a forma como o sistema imunológico o reconhece e processa”, disse Mirkin.
A estrutura mais poderosa dá dois socos para enganar o astuto e mutante tumor
Os dados do estudo mostram que anexar dois antígenos diferentes a um SNA compreendendo uma casca de adjuvante foi a abordagem mais potente para uma estrutura de vacina contra o câncer. Isso levou a um aumento de 30% na ativação de células T específicas do antígeno e dobrou o número de células T proliferantes em comparação com uma estrutura na qual os mesmos dois antígenos estavam ligados a dois SNAs separados.
Essas nanoestruturas de SNA projetadas interromperam o crescimento do tumor em vários modelos animais.
“É incrível”, disse Mirkin. “Ao alterar a colocação de antígenos em duas vacinas que são quase idênticas do ponto de vista da composição, o benefício do tratamento contra tumores é dramaticamente alterado. Uma vacina é potente e útil, enquanto a outra é muito menos eficaz.”
Muitas vacinas atuais contra o câncer são projetadas para ativar principalmente as células T citotóxicas, apenas uma defesa contra uma célula cancerígena. Como as células tumorais estão sempre em mutação, elas podem escapar facilmente dessa vigilância das células imunológicas, tornando a vacina ineficaz rapidamente. As chances são maiores de que a célula T reconheça uma célula cancerígena mutante se tiver mais maneiras – múltiplos antígenos – de reconhecê-la.
“Você precisa de mais de um tipo de célula T ativada, para poder atacar mais facilmente uma célula tumoral”, disse Teplensky. “Quanto mais tipos de células o sistema imunológico tiver para perseguir os tumores, melhor. Vacinas que consistem em múltiplos antígenos direcionados a vários tipos de células imunes são necessárias para induzir uma remissão tumoral aprimorada e duradoura”.
Outra vantagem da abordagem da vacinologia racional, especialmente quando usada com uma nanoestrutura como um SNA, é que é fácil alterar a estrutura de uma vacina para atacar um tipo diferente de doença. Mirkin disse que eles simplesmente trocam um peptídeo, um fragmento de uma proteína cancerígena com uma alça química que “se prende” na estrutura, não muito diferente de adicionar um novo pingente a uma pulseira.
Caminho para a vacina mais eficaz para qualquer tipo de câncer
“A importância coletiva deste trabalho é que ele estabelece as bases para o desenvolvimento das formas mais eficazes de vacina para quase qualquer tipo de câncer”, disse Teplensky. “Trata-se de redefinir como desenvolvemos vacinas em todos os setores, incluindo aquelas para doenças infecciosas”.
Em um artigo publicado anteriormente, Mirkin, Teplensky e colegas demonstraram a importância da estrutura da vacina para o COVID-19, criando vacinas que exibiam imunidade protetora em 100% dos animais contra uma infecção viral letal.
“Pequenas mudanças na colocação do antígeno em uma vacina elevam significativamente a comunicação célula a célula, a conversa cruzada e a sinergia celular”, disse Mirkin. “Os desenvolvimentos feitos neste trabalho fornecem um caminho para repensar o design de vacinas para câncer e outras doenças como um todo”.
Northwestern Ph.D. candidato Michael Evangelopoulos também é um autor do papel, intitulado “Multi-Antigen Spherical Nucleic Acid Cancer Vaccines”.
Fundado em 2000 como uma organização guarda-chuva para unir e promover esforços de nanotecnologia, o IIN representa e une mais de US$ 1 bilhão em pesquisa de nanotecnologia, programas educacionais e infra-estrutura de apoio.
Este estudo é baseado no trabalho apoiado pelo Polsky Urologic Cancer Institute do Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center da Northwestern University no Northwestern Memorial Hospital, Edward Bachrach e o National Cancer Institute dos National Institutes of Health (R01CA208783, R01CA257926 e P50CA221747 ). Teplensky também recebeu apoio do Prêmio do Programa de Treinamento em Nanotecnologia do Câncer da Northwestern University (T32CA186897). Evangelopoulos foi parcialmente financiado pelo Dr. John N. Nicholson Fellowship e pela Alexander S. Onassis Public Benefit Foundation.
Com informações de Science Daily.