Một loại vắc-xin tổng hợp phức tạp dựa trên các phân tử DNA đã được tạo ra

Trong quá trình tìm kiếm phương pháp tạo ra vắc-xin an toàn và hiệu quả hơn, các nhà khoa học tại Viện Thiết kế sinh học thuộc Đại học bang Arizona đã chuyển hướng sang một lĩnh vực đầy hứa hẹn mang tên công nghệ nano DNA để tạo ra một loại vắc-xin tổng hợp hoàn toàn mới.

Trong một nghiên cứu được công bố gần đây trên tạp chí Nano Letters, nhà miễn dịch học Yung Chang thuộc Viện Kỹ thuật sinh học đã hợp tác với các đồng nghiệp bao gồm chuyên gia công nghệ nano DNA nổi tiếng Hao Yan để tổng hợp phức hợp vắc-xin đầu tiên trên thế giới có thể được đưa đến các vị trí mục tiêu một cách an toàn và hiệu quả bằng cách đặt trên các cấu trúc nano DNA ba chiều tự lắp ráp.

“Khi Hao đề xuất rằng chúng ta nên xem DNA không phải là vật liệu di truyền mà là nền tảng làm việc, tôi đã nảy ra ý tưởng áp dụng cách tiếp cận này vào miễn dịch học”, Chang, phó giáo sư tại Khoa Khoa học Sự sống và là nhà nghiên cứu tại Trung tâm Bệnh truyền nhiễm và Vắc-xin tại Viện Kỹ thuật Sinh học, cho biết. “Điều này sẽ mang đến cho chúng ta cơ hội tuyệt vời để sử dụng các chất mang DNA để tạo ra vắc-xin tổng hợp”.

"Câu hỏi lớn là: Liệu nó có an toàn không? Chúng tôi muốn tạo ra một nhóm các phân tử có thể kích hoạt phản ứng miễn dịch an toàn và mạnh mẽ trong cơ thể. Vì nhóm của Hao đã thiết kế nhiều cấu trúc nano DNA khác nhau trong vài năm qua, nên chúng tôi bắt đầu hợp tác để tìm ra các ứng dụng y tế tiềm năng cho các cấu trúc này."

Điểm độc đáo của phương pháp do các nhà khoa học Arizona đề xuất là chất mang kháng nguyên là phân tử DNA.

Nhóm nghiên cứu đa ngành cũng bao gồm nghiên cứu sinh hóa học tại Đại học Arizona và là tác giả đầu tiên của bài báo Xiaowei Liu, giáo sư Yang Xu, giảng viên hóa sinh học Yan Liu, sinh viên Khoa Khoa học Sinh học Craig Clifford và Tao Yu, nghiên cứu sinh tại Đại học Tứ Xuyên ở Trung Quốc.

Chang chỉ ra rằng việc áp dụng rộng rãi vắc-xin đã dẫn đến một trong những chiến thắng quan trọng nhất của sức khỏe cộng đồng. Nghệ thuật tạo ra vắc-xin dựa trên kỹ thuật di truyền để tạo ra các hạt giống vi-rút từ các protein kích thích hệ thống miễn dịch. Các hạt này có cấu trúc tương tự như vi-rút thực sự nhưng không chứa các thành phần di truyền nguy hiểm gây bệnh.

Một lợi thế quan trọng của công nghệ nano DNA, cho phép tạo ra hình dạng hai hoặc ba chiều cho phân tử sinh học, là khả năng tạo ra các phân tử bằng các phương pháp rất chính xác có thể thực hiện các chức năng điển hình của các phân tử tự nhiên trong cơ thể.

“Chúng tôi đã thử nghiệm với các kích thước và hình dạng khác nhau của các cấu trúc nano DNA và thêm các phân tử sinh học vào chúng để xem cơ thể sẽ phản ứng như thế nào”, Yang, giám đốc Khoa Hóa học và Hóa sinh và là nhà nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý sinh học phân tử đơn tại Viện Kỹ thuật sinh học, giải thích. Thông qua một phương pháp mà các nhà khoa học gọi là “mô phỏng sinh học”, các phức hợp vắc-xin mà họ thử nghiệm sẽ xấp xỉ kích thước và hình dạng của các hạt vi-rút tự nhiên.

Để chứng minh tính khả thi của khái niệm này, các nhà nghiên cứu đã gắn protein kích thích miễn dịch streptavidin (STV) và thuốc tăng cường miễn dịch CpG oligodeoxynucleotide vào các cấu trúc DNA phân nhánh hình chóp riêng biệt, cuối cùng cho phép họ thu được phức hợp vắc-xin tổng hợp.

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu cần chứng minh rằng các tế bào mục tiêu có thể hấp thụ các cấu trúc nano. Bằng cách gắn một phân tử thẻ phát sáng vào cấu trúc nano, các nhà khoa học có thể xác minh rằng cấu trúc nano đã tìm thấy vị trí thích hợp của nó trong tế bào và duy trì ổn định trong nhiều giờ - đủ lâu để kích hoạt phản ứng miễn dịch.

Sau đó, trong các thí nghiệm trên chuột, các nhà khoa học đã làm việc để đưa "tải trọng" vắc-xin đến các tế bào là mắt xích đầu tiên trong chuỗi phản ứng miễn dịch của cơ thể, điều phối các tương tác giữa các thành phần khác nhau như tế bào trình diện kháng nguyên, bao gồm đại thực bào, tế bào dạng sợi và tế bào B. Khi các cấu trúc nano xâm nhập vào tế bào, chúng được "phân tích" và "hiển thị" trên bề mặt tế bào để chúng có thể được tế bào T, tế bào bạch cầu đóng vai trò trung tâm trong việc kích hoạt phản ứng phòng vệ của cơ thể, nhận ra. Đến lượt mình, tế bào T giúp tế bào B sản xuất kháng thể chống lại các kháng nguyên lạ.

Để kiểm tra đáng tin cậy tất cả các biến thể, các nhà nghiên cứu đã tiêm vào tế bào cả phức hợp vắc-xin đầy đủ và kháng nguyên STV riêng lẻ, cũng như kháng nguyên STV trộn với chất tăng cường CpG.

Sau thời gian 70 ngày, các nhà khoa học phát hiện ra rằng những con chuột được tiêm chủng bằng phức hợp vắc-xin đầy đủ đã biểu hiện phản ứng miễn dịch mạnh hơn 9 lần so với phản ứng do hỗn hợp CpG/STV tạo ra. Phản ứng đáng chú ý nhất được khởi tạo bởi cấu trúc tứ diện (hình chóp). Tuy nhiên, phản ứng miễn dịch đối với phức hợp vắc-xin được công nhận không chỉ là đặc hiệu (tức là phản ứng của cơ thể đối với một kháng nguyên cụ thể do những người thử nghiệm sử dụng) và hiệu quả, mà còn an toàn, điều này được xác nhận bởi sự vắng mặt của phản ứng miễn dịch đối với DNA "rỗng" (không mang các phân tử sinh học) được đưa vào tế bào.

"Chúng tôi rất vui mừng", Chang nói. "Thật tuyệt vời khi thấy kết quả mà chúng tôi dự đoán. Điều đó không thường xảy ra trong sinh học".

Tương lai của ngành dược phẩm nằm ở các loại thuốc có mục tiêu

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang xem xét tiềm năng của một phương pháp mới để kích thích các tế bào miễn dịch cụ thể kích hoạt phản ứng bằng cách sử dụng nền tảng DNA. Công nghệ mới có thể được sử dụng để tạo ra vắc-xin bao gồm một số loại thuốc hoạt động, cũng như để thay đổi mục tiêu để điều chỉnh phản ứng miễn dịch.

Ngoài ra, công nghệ mới có tiềm năng phát triển các phương pháp điều trị mục tiêu mới, đặc biệt là sản xuất các loại thuốc "có mục tiêu" được đưa đến các vùng được chỉ định nghiêm ngặt trên cơ thể và do đó không gây ra tác dụng phụ nguy hiểm.

Cuối cùng, mặc dù lĩnh vực DNA vẫn còn trong giai đoạn sơ khai, công trình khoa học của các nhà nghiên cứu Arizona có ý nghĩa thực tiễn quan trọng đối với y học, điện tử và các lĩnh vực khác.

Chang và Yang thừa nhận rằng vẫn còn nhiều điều cần học hỏi và tối ưu hóa về phương pháp vắc-xin của họ, nhưng giá trị của khám phá này là không thể phủ nhận. "Với bằng chứng về khái niệm trong tay, giờ đây chúng ta có thể sản xuất vắc-xin tổng hợp với số lượng kháng nguyên không giới hạn", Chang kết luận.

Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ và Viện Y tế Quốc gia đã cung cấp hỗ trợ tài chính cho nghiên cứu này.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ]