ДНК-оригами учит организм убивать вирусы — молекулы сами складываются в вакцину и выживают без дорогих криокамер

Пандемия COVID-19 вывела вакцины на основе матричной РНК на первый план мировой медицины. Первая инъекция препарата такого типа была сделана 8 декабря 2020 года, а математические модели показывают: только за первый год применения подобные вакцины предотвратили не менее 14,4 миллиона смертей от коронавирусной инфекции.

Успех подтолкнул разработчиков к расширению применения технологии. Сейчас идут клинические испытания вакцин на основе мРНК против гриппа, респираторно-синцитиального вируса (RSV), ВИЧ, вируса Зика, вируса Эпштейна-Барр и возбудителя туберкулеза. Однако исследования последних лет выявили и слабые стороны платформы.

Иммунная реакция на мРНК-вакцины заметно различается у разных людей, а защита со временем ослабевает. Дополнительную сложность создает эволюция SARS-CoV-2: вирус постоянно образует новые варианты, способные частично обходить иммунитет. По этой причине вакцины приходится регулярно обновлять. Существуют и технологические ограничения - сложное и дорогое производство, трудности с точным контролем количества молекул мРНК внутри липидных наночастиц-носителей, необходимость холодного хранения и риск побочных эффектов вне целевой ткани.

Поиск альтернатив привел ученых из Института Wyss при Гарвардском университета, онкологического центра Dana-Farber и нескольких партнерских лабораторий к другой идее. Команда использовала технологию ДНК-оригами - метод сборки наноструктур из цепочек ДНК, которые сами складываются в заданную форму. На основе подхода исследователи создали вакцинную платформу DoriVac, способную одновременно выступать и антигеном, и иммунным усилителем.

Вакцины DoriVac состоят из крошечных квадратных наноблоков, которые самособираются из ДНК. На одной стороне структуры расположены молекулы адъюванта - веществ, усиливающих иммунный ответ, - с точно рассчитанным расстоянием между ними. На противоположной стороне размещают антигены, например фрагменты белков вирусов или опухолевых клеток.

Команда испытала вариант вакцины, нацеленный на участок HR2 в составе шиповидного белка ряда вирусов, включая SARS-CoV-2, ВИЧ и вирус Эбола. У мышей препарат вызвал выраженный иммунный ответ. Организм активнее вырабатывал антитела, а также формировал клеточный иммунитет, связанный с работой Т-лимфоцитов.

Детальный анализ показал рост числа В-клеток, производящих антитела, увеличение количества активированных дендритных клеток, отвечающих за представление антигена иммунной системе, а также расширение популяций Т-клеток памяти и Т-лимфоцитов. Подобные клетки считаются ключевыми для долгосрочной защиты от инфекции.

Однако результаты на мышах не всегда напрямую переносятся на человека. Чтобы приблизить эксперименты к реальной клинической ситуации, исследователи применили микрофлюидную систему human lymph node-on-a-chip - миниатюрную модель человеческого лимфатического узла на чипе. Технология Organ Chip, разработанная в Wyss Institute, позволяет воспроизводить работу иммунной ткани и заранее оценивать реакцию человеческого организма.

В модели человеческого лимфатического узла вакцина SARS-CoV-2 HR2 также вызвала сильный иммунный отклик. Дендритные клетки активно вырабатывали провоспалительные цитокины, а количество защитных Т-клеток CD4+ и CD8+ заметно увеличивалось.

Затем исследователи сравнили вариант DoriVac с полной версией шиповидного белка коронавируса и современные мРНК-вакцины, упакованные в липидные наночастицы. В экспериментах на мышах иммунный ответ оказался сопоставимым: активировались как антитела, так и противовирусные Т-клетки.

При сопоставимой эффективности платформа DoriVac показала несколько практических преимуществ. ДНК-наноструктуры оказались более стабильными, не требуют столь жесткой холодовой цепочки хранения и потенциально проще в производстве. Распространение вакцин может упроститься, особенно в регионах с ограниченной медицинской инфраструктурой.

Параллельные исследования в компании DoriNano, созданной для коммерциализации технологии, также указывают на благоприятный профиль безопасности платформы. Дальнейшие испытания подтвердят, может ли ДНК-оригами стать основой для нового поколения вакцин против широкого круга вирусных инфекций.