Tecnologia Científica

Engenheiros usam “origami de DNA” para identificar regras de design de vacinas
Em testes de laboratório, estruturas de DNA semelhantes a vírus revestidas com proteínas virais provocam uma forte resposta imune nas células B humanas.
Por Anne Trafton - 02/07/2020


Ao dobrar o DNA em uma estrutura semelhante a um vírus, os pesquisadores do MIT projetaram partículas semelhantes ao HIV que provocam uma forte resposta imune das células imunes humanas cultivadas em um laboratório. - Imagem: Cortesia dos pesquisadores, editada pelo MIT News

Ao dobrar o DNA em uma estrutura semelhante a um vírus, os pesquisadores do MIT projetaram partículas semelhantes ao HIV que provocam uma forte resposta imune das células imunes humanas cultivadas em um laboratório. Tais partículas podem eventualmente ser usadas como uma vacina contra o HIV.

As partículas de DNA, que imitam de perto o tamanho e a forma dos vírus, são revestidas com proteínas ou antígenos do HIV, dispostas em padrões precisos, projetados para provocar uma forte resposta imune. Os pesquisadores estão agora trabalhando na adaptação dessa abordagem para desenvolver uma vacina potencial para o SARS-CoV-2, e eles antecipam que poderia funcionar para uma ampla variedade de doenças virais.

"As regras grosseiras de design que começam a sair deste trabalho devem ser genericamente aplicáveis ​​a antígenos e doenças", diz Darrell Irvine, professor de Underwood-Prescott com nomeações nos departamentos de Engenharia Biológica e Ciência e Engenharia de Materiais; um diretor associado do Instituto Koch para Pesquisa Integrativa do Câncer do MIT; e membro do Instituto Ragon de MGH, MIT e Harvard.

Irvine e Mark Bathe, professor de engenharia biológica do MIT e membro associado do Broad Institute of MIT e Harvard, são os principais autores do estudo, que aparece hoje na Nature Nanotechnology . Os principais autores do artigo são ex-pós-docs do MIT, Rémi Veneziano e Tyson Moyer.

DNA design

Como as moléculas de DNA são altamente programáveis, os cientistas vêm trabalhando desde a década de 1980 em métodos para projetar moléculas de DNA que poderiam ser usadas para a entrega de medicamentos e muitas outras aplicações, mais recentemente usando uma técnica chamada origami de DNA que foi inventada em 2006 por Paul Rothemund da Caltech. .

Em 2016, o laboratório de Bathe desenvolveu um algoritmo que pode projetar e criar automaticamente formas arbitrárias tridimensionais semelhantes a vírus usando origami de DNA. Esse método oferece controle preciso sobre a estrutura do DNA sintético, permitindo que os pesquisadores anexem uma variedade de moléculas, como antígenos virais, em locais específicos.

"A estrutura do DNA é como um quadro onde os antígenos podem ser conectados em qualquer posição", diz Bathe. "Essas partículas semelhantes a vírus nos permitiram revelar princípios moleculares fundamentais de reconhecimento de células imunes pela primeira vez".

Os vírus naturais são nanopartículas com antígenos dispostos na superfície das partículas, e acredita-se que o sistema imunológico (especialmente as células B) tenha evoluído para reconhecer eficientemente esses antígenos particulados. As vacinas estão agora sendo desenvolvidas para imitar estruturas virais naturais, e acredita-se que essas vacinas com nanopartículas são muito eficazes na produção de uma resposta imune das células B porque são do tamanho certo para serem transportadas para os vasos linfáticos, que as enviam diretamente para as células B que esperam nos gânglios linfáticos. As partículas também são do tamanho certo para interagir com as células B e podem apresentar uma matriz densa de partículas virais.

No entanto, determinar o tamanho certo de partícula, espaçamento entre antígenos e número de antígenos por partícula para estimular de maneira ideal as células B (que se ligam aos antígenos alvo através de seus receptores de células B) tem sido um desafio. Bathe e Irvine decidiram usar esses suportes de DNA para imitar essas estruturas de partículas virais e vacinais, na esperança de descobrir os melhores projetos de partículas para a ativação das células B.

"Há muito interesse no uso de estruturas de partículas semelhantes a vírus, nas quais você pega um antígeno da vacina e o coloca na superfície de uma partícula, para obter respostas ótimas das células B", diz Irvine. "No entanto, as regras de como projetar essa tela realmente não são bem compreendidas."

Outros pesquisadores tentaram criar vacinas de subunidades usando outros tipos de partículas sintéticas, como polímeros, lipossomas ou proteínas de auto-montagem, mas com esses materiais, não é possível controlar a colocação de proteínas virais tão precisamente quanto no origami de DNA.

Para este estudo, os pesquisadores projetaram partículas icosaédricas com tamanho e formato semelhantes aos de um vírus típico. Eles anexaram um antígeno de HIV manipulado relacionado à proteína gp120 ao andaime em várias distâncias e densidades. Para sua surpresa, eles descobriram que as vacinas que produziam a resposta mais forte das células B não eram necessariamente aquelas que embalavam os antígenos o mais próximo possível da superfície do andaime.

“Supõe-se frequentemente que quanto maior a densidade do antígeno, melhor, com a ideia de aproximar o máximo possível os receptores de células B o que impulsiona a sinalização. No entanto, o resultado experimental, que ficou muito claro, foi que, na verdade, o espaçamento mais próximo possível que pudemos fazer não era o melhor. E, à medida que você aumenta a distância entre dois antígenos, a sinalização aumenta ”, diz Irvine.

Os resultados deste estudo têm o potencial de orientar o desenvolvimento da vacina contra o HIV, uma vez que o antígeno usado atualmente está sendo testado em um ensaio clínico em humanos, usando um suporte de nanopartículas de proteínas.

Com base em seus dados, os pesquisadores do MIT trabalharam com Jayajit Das, professor de imunologia e microbiologia da Ohio State University, para desenvolver um modelo para explicar por que distâncias maiores entre antígenos produzem melhores resultados. Quando os antígenos se ligam aos receptores na superfície das células B, os receptores ativados se cruzam dentro da célula, melhorando sua resposta. No entanto, o modelo sugere que, se os antígenos estiverem muito próximos, essa resposta será diminuída.

Além do HIV

Nos últimos meses, o laboratório de Bathe criou uma variante dessa vacina com os laboratórios Aaron Schmidt e Daniel Lingwood do Instituto Ragon, nos quais eles trocaram os antígenos do HIV por uma proteína encontrada na superfície do vírus SARS-CoV-2. Agora eles estão testando se esta vacina produzirá uma resposta eficaz contra o coronavírus SARS-CoV-2 em células B isoladas e em camundongos.

"Nossa tecnologia de plataforma permite que você troque facilmente diferentes antígenos e peptídeos de subunidades de diferentes tipos de vírus para testar se eles podem ser potencialmente funcionais como vacinas", diz Bathe.

Como essa abordagem permite que antígenos de vírus diferentes sejam transportados no mesmo suporte de DNA, pode ser possível projetar variantes que tenham como alvo vários tipos de coronavírus, incluindo variantes passadas e potencialmente futuras que possam surgir, dizem os pesquisadores.

Recentemente, Bathe recebeu uma concessão do fundo Fast Grants Covid-19 para desenvolver sua vacina contra SARS-CoV-2. A pesquisa sobre o HIV apresentada no artigo da Nature Nanotechnology foi financiada pelo Human Frontier Science Program, pelo US Office of Naval Research, pelo US Army Research Office pelo Instituto de Nanotecnologias de Soldados do MIT, pelo Ragon Institute e pelo National Institutes of Health dos EUA.

 

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