Plataforma de vacina baseada em origami de DNA melhora respostas antitumorais por meio de espaçamento de moléculas com precisão nanométrica
Devido ao espaçamento nanopreciso das moléculas adjuvantes (mostradas como fitas verdes em uma face de suas estruturas de bloco quadrado), as vacinas DoriVac, após serem absorvidas pelas células imunológicas apresentadoras de antígenos, podem ativar de forma mais eficaz o mecanismo de ativação das células (mostrado em roxo) em compartimentos intracelulares do que moléculas adjuvantes livres e desorganizadas. Crédito:Ju Hee/KIST As vacinas terapêuticas contra o câncer são uma forma de imunoterapia em desenvolvimento que pode não apenas destruir as células cancerígenas dos pacientes, mas também impedir que o câncer volte e se espalhe. Múltiplas vacinas terapêuticas contra o cancro estão a ser estudadas em ensaios clínicos, mas apesar da sua promessa, ainda não são utilizadas rotineiramente por oncologistas clínicos para tratar os seus pacientes.
O ingrediente central das vacinas terapêuticas contra o câncer são os antígenos, que são preferencialmente produzidos ou recentemente produzidos (neoantígenos) pelas células tumorais e permitem que o sistema imunológico do paciente procure e destrua as células cancerosas.
Na maioria dos casos, esses antígenos não podem agir sozinhos e precisam da ajuda de moléculas adjuvantes que desencadeiam um sinal de alarme geral nas células do sistema imunológico, conhecidas como células apresentadoras de antígenos (APCs). As APCs internalizam moléculas de antígeno e adjuvantes e apresentam os antígenos a diferentes tipos de células T. Essas células T então lançam um ataque imediato contra o tumor ou preservam uma memória mais duradoura do tumor para defesa futura.
A eficácia de uma vacina contra o câncer depende do nível e da duração do “alarme” que seus adjuvantes podem soar nas APCs. Anteriormente, os pesquisadores descobriram que a entrega simultânea de moléculas de adjuvante e antígeno às APCs usando nanoestruturas como origami de DNA pode aumentar a ativação de APC. No entanto, nenhuma destas abordagens investigou sistematicamente como o número e o arranjo em nanoescala das moléculas adjuvantes afetam a imunidade dirigida ao tumor a jusante.
Agora, uma equipe de pesquisa do Instituto Wyss da Universidade de Harvard, do Dana-Farber Cancer Institute (DFCI), da Harvard Medical School (HMS) e do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST) criou uma plataforma de origami de DNA chamada DoriVac, cujo núcleo O componente é uma nanoestrutura quadrada em forma de bloco automontável.
A uma face do bloco quadrado, números definidos de moléculas adjuvantes podem ser anexados em padrões nanoprecisos e altamente sintonizáveis, enquanto a face oposta pode ligar antígenos tumorais. O estudo descobriu que moléculas de um adjuvante conhecido como CpG espaçadas exatamente 3,5 nanômetros umas das outras resultaram na estimulação mais benéfica de APCs que induziram um perfil altamente desejável de células T, incluindo aquelas que matam células cancerígenas (células T citotóxicas), aqueles que causam inflamação benéfica (células T polarizadas Th-1) e aqueles que fornecem uma memória imunológica de longo prazo do tumor (células T de memória).
As vacinas DoriVac permitiram que camundongos portadores de tumores controlassem melhor o crescimento dos tumores e sobrevivessem significativamente mais tempo do que os camundongos controle. É importante ressaltar que os efeitos do DoriVac também sinergizaram com os dos inibidores do ponto de controle imunológico, que são uma imunoterapia de grande sucesso e já amplamente utilizada na clínica. As descobertas foram publicadas na Nature Nanotechnology .
"A tecnologia de vacina de origami de DNA da DoriVac combina diferentes capacidades nanotecnológicas que desenvolvemos ao longo dos anos com um conhecimento cada vez mais profundo sobre os processos imunológicos de supressão do câncer", disse William Shih, Ph.D., membro do corpo docente do Wyss Core, que liderou a equipe do Wyss Institute. junto com o primeiro autor Yang (Claire) Zeng, M.D., Ph.D..
“Prevemos que, no futuro, os antígenos identificados em pacientes com diferentes tipos de tumores possam ser rapidamente carregados em origami de DNA pré-fabricado contendo adjuvante para permitir vacinas contra o câncer personalizadas altamente eficazes que podem ser combinadas com inibidores de checkpoint aprovados pela FDA em terapias combinadas. "
Shih também é professor do Departamento de Biologia do Câncer da HMS e da DFCI e, como alguns outros autores, membro do Centro interinstitucional "Imunoengenharia para Melhorar a Imunoterapia" (i3) baseado em Wyss.
Lógica do origami de DNA
O adjuvante CpG é uma cadeia sintética de DNA composta por motivos repetidos de nucleotídeos CpG que imitam o material genético de patógenos bacterianos e virais invasores de células imunes. Tal como os seus homólogos naturais, os adjuvantes CpG ligam-se a um “receptor de perigo” chamado TLR9 nas células imunitárias, que por sua vez induz uma resposta imunitária inflamatória (inata) que funciona em conjunto com a resposta imunitária induzida pelo antigénio (adaptativa).
"Sabíamos por trabalhos anteriores que, para desencadear fortes respostas inflamatórias, os receptores TLR9 precisam dimerizar e agregar-se em complexos multiméricos que se ligam a múltiplas moléculas de CpG. As distâncias em nanoescala entre os domínios de ligação a CpG em montagens eficazes de TLR9 reveladas pela análise estrutural caíram direto no gama do que supomos que poderíamos espelhar com estruturas de origami de DNA apresentando moléculas CpG precisamente espaçadas", explicou Zeng, que era instrutor de medicina na época do estudo e agora é cientista sênior da DFCI e da Harvard Medical School (HMS).
Além de Shih, Zeng também foi orientado no projeto pelos autores seniores Ju Hee Ryu, Ph.D., pesquisador principal do KIST, e pelo membro do corpo docente fundador da Wyss, David Mooney, Ph.D., que também é professor em Harvard. Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS) e um dos principais investigadores do i3 Center.
Zeng e a equipe fabricaram vacinas DoriVac nas quais diferentes números de cadeias CpG foram espaçadas em 2,5, 3,5, 5 ou 7 nanômetros umas das outras em uma face do bloco quadrado, e um antígeno modelo foi anexado à face oposta. Eles protegeram suas estruturas de serem degradadas no corpo usando um método de modificação química que o grupo de Shih havia desenvolvido anteriormente.
Quando internalizadas por diferentes tipos de APCs, incluindo células dendríticas (DCs), que orquestram as respostas das células T dirigidas ao tumor, as vacinas DoriVac melhoraram a absorção de antígenos em comparação com os controles que consistem em moléculas de antígeno livres.
Um espaçamento CpG de 3,5 nanômetros produziu as respostas mais fortes e benéficas em APCs e superou significativamente uma vacina de controle contendo apenas moléculas CpG livres.
“Ficámos entusiasmados ao descobrir que a vacina DoriVac induziu preferencialmente um estado de activação imunitária que apoia a imunidade antitumoral, que é o que os investigadores geralmente querem ver numa boa vacina”, disse Zeng.
Além do espaçamento, o número de moléculas CpG nas vacinas DoriVac também foi importante. A equipe testou vacinas contendo entre 12 a 63 moléculas CpG com espaçamento ideal e descobriu que 18 moléculas CpG forneceram a melhor ativação de APC. Isto significa que a sua abordagem também pode ajudar a limitar a dosagem de moléculas de CpG e, assim, minimizar os efeitos colaterais tóxicos comumente observados com adjuvantes.
Obtido na tradução (tumor)
É importante ressaltar que essas tendências in vitro foram traduzidas em modelos de tumores de camundongos in vivo. Quando injetadas profilaticamente sob a pele de camundongos, as vacinas DoriVac acumularam-se nos gânglios linfáticos mais próximos, onde estimularam as DCs.
Uma vacina carregada com um antígeno de melanoma evitou o crescimento de células agressivas de melanoma subsequentemente injetadas. Embora todos os animais de controle tenham sucumbido ao câncer no dia 42 do experimento, todos os animais protegidos por DoriVac estavam vivos.
As vacinas DoriVac também inibiram o crescimento tumoral em camundongos nos quais a formação de tumores melanoma já estava em andamento, com um espaçamento de 3,5 nanômetros de 18 moléculas CpG proporcionando novamente efeitos máximos nas células DC e T, e a redução mais forte no crescimento tumoral.
Em seguida, a equipe perguntou se as vacinas DoriVac também poderiam aumentar as respostas imunológicas produzidas por pequenos “neoantígenos” emergentes em tumores de melanoma.
Os neoantígenos são alvos ideais porque são produzidos exclusivamente por células tumorais. No entanto, muitas vezes eles próprios não são muito imunogênicos, o que torna os adjuvantes altamente eficazes um componente importante nas vacinas neoantígenas. Uma vacina DoriVac personalizada com quatro neoantígenos permitiu aos pesquisadores suprimir significativamente o crescimento do tumor em camundongos que produziram os neoantígenos.
Finalmente, os pesquisadores perguntaram se o DoriVac poderia ter sinergia com a terapia de checkpoint imunológico, que reativa as células T que foram silenciadas nos tumores.
Em camundongos, as duas terapias combinadas resultaram na regressão total dos tumores de melanoma e impediram que voltassem a crescer quando os animais foram expostos novamente às mesmas células tumorais quatro meses depois. Os animais construíram uma memória imunológica do tumor. A equipe obteve uma eficiência de vacinação semelhante em um modelo de linfoma em camundongos.
“Acreditamos que o valor da DoriVac para determinar um ponto ideal na entrega de adjuvantes e melhorar a entrega e os efeitos de antígenos acoplados pode abrir caminho para vacinas clínicas contra o câncer mais eficazes para uso em pacientes com uma variedade de tipos de câncer”, disse Zeng.
A equipe está atualmente traduzindo a plataforma DoriVac para sua aplicação clínica, o que é apoiado pela avaliação do estudo da distribuição da vacina e dos anticorpos direcionados à vacina em camundongos, bem como das citocinas produzidas pelas células do sistema imunológico em resposta às vacinas in vivo.
“A plataforma DoriVac é o nosso primeiro exemplo de como a nossa busca pelo que chamamos de Robótica Molecular – moléculas sintéticas bioinspiradas que têm forma e função programáveis – pode levar a terapêuticas inteiramente novas e poderosas. com propriedades adaptadas para atender desafios clínicos específicos, esperamos ver sua rápida tradução para a clínica", disse o Diretor Fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D.
