Origami-Impfstoffe wirken gegen Krebs

Jul 11, 2023

Stephanie kam 2021 als stellvertretende Redakteurin zu Drug Discovery News. Sie promovierte 2019 an der University of California Los Angeles und hat für das Discover Magazine geschrieben,...

Mit einer präzisen Falte über der anderen entsteht ein Schmetterling aus einem einst einzigen Blatt Papier. Die traditionelle Origami-Kunst erweckt Papiertiere aus einer Reihe komplizierter und zarter Falten zum Leben. Inspiriert von der Präzision von Origami weiteten Bioingenieure ihre Ideen auf ein viel älteres Medium als Papier aus: DNA. Damit haben sie eine neue Möglichkeit geschaffen, das Immunsystem bei der Bekämpfung von Krebs zu unterstützen.

DNA-Origami ist wie eine Plug-and-Play-Plattform. Sie können das Antigen austauschen, um es an verschiedene Krebsarten anzupassen, oder das Antigen austauschen, um es an eine Infektionskrankheit anzupassen. - Yang (Claire) Zeng, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University

Krebsimpfstoffe stärken das Immunsystem, um Tumore abzutöten. Durch die Bündelung von Tumorantigenen zusammen mit Adjuvantien zur Verstärkung der Immunantwort aktivieren die Impfstoffe zytotoxische T-Zellen und verstärken andere Immunwege, um Tumorzellen abzutöten. Aufgrund ihrer geringen Größe und vollständigen Programmierbarkeit haben sich DNA-Origami-Nanostrukturen als neues und verbessertes System zur Abgabe von Krebsimpfstoffen herausgestellt (2).

DNA-Origami-Impfstoffe sind einzelsträngige DNA-Stücke, die ineinander gefaltet oder durch kurze komplementäre DNA-Sequenzen zusammengehalten werden. Diese DNA-Stränge können sich selbst zu einer eleganten dreidimensionalen Nanostruktur zusammenfügen. Mithilfe von Computerprogrammen entwerfen Wissenschaftler DNA-Origami-Strukturen mit präzisen Faltungen und binden häufig Moleküle – wie Impfstoffantigene und Adjuvanzien – in einer bestimmten Anzahl und Anordnung daran an. Aufgrund ihrer geringen Größe nehmen Immunzellen diese Origami-Nanostrukturen leicht auf, was sie zu einem idealen Gefäß für die Impfstoffabgabe macht.

„DNA-Origami ist wie eine Plug-and-Play-Plattform“, sagte Yang (Claire) Zeng, Krebsimmunologe und Bioingenieur am Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard University. „Man kann das Antigen austauschen, um es an verschiedene Krebsarten anzupassen, oder das Antigen austauschen, um es an Infektionskrankheiten anzupassen.“

Die Lieferung der Ladung an die richtigen Immunzellen zur richtigen Zeit war eine der größten Herausforderungen bei Krebsimpfstoffen. Mit cleverer Technik entwarfen Baoquan Ding, ein Bioingenieur am National Center for Nanoscience and Technology, und sein Team eine Lösung in Form eines Rigatoni mit einer Überraschung im Inneren (3).

Mithilfe von Mäusen injizierten Ding und sein Team ihren DNA-Origami-Impfstoff unter die Haut. Die Nanostrukturen gelangten zu den Lymphknoten, Orten voller dendritischer Zellen, die bereit sind, den Impfstoff aufzunehmen. In den Lymphknoten würden „die Zellen des Immunsystems diese Struktur quasi verschlucken“ und in ein Endosom umwandeln, sagte er.

Aufgrund des saureren pH-Werts im Inneren des Endosoms im Vergleich zur zellulären Umgebung außerhalb spaltet sich Dings röhrenförmige DNA-Origami-Struktur der Länge nach entlang ihrer Naht und flacht zu einer rechteckigen Folie ab. Diese gezielte Transformation des DNA-Origami-Trägers bringt die Bestandteile des Krebsimpfstoffs genau dann zum Vorschein, wenn und wo sie benötigt werden: in den Immunzellen. In seiner flachen, aktivierten Ausrichtung verstärken das tumorspezifische Antigen und zwei verschiedene Adjuvanzien die Reaktion der Immunzelle auf Tumorzellen.

Es handelt sich um eine ziemlich leistungsfähige Technologie, die sich jedoch noch in einem frühen Stadium befindet. – Baoquan Ding, Nationales Zentrum für Nanowissenschaften und Technologie

Einige Impfstoffe erfordern Lipid-Nanopartikel (LNPs), um ihre Impfstoffkomponenten in dendritische Zellen zu transportieren, wie beispielsweise die SARS-CoV-2-Impfstoffe von Moderna und Pfizer-BioNTech, aber LNPs haben nie genau die gleiche Größe.

„Wenn ihre Größe etwa 100 Nanometer beträgt, sind sie immer minus oder plus 30 Nanometer. Ihre Größe ist nicht präzise“, sagte Ding. Aus diesem Grund „weiß man nicht, wie viele mRNA-Moleküle sich im Partikel befinden.“

Bei DNA-Origami-Impfstoffen sind jedoch „die Porengröße, Form, Geometrie und das Molekulargewicht sehr präzise – bis hin zur einzelnen Base. Und dann können wir die Anzahl der Adjuvanzien und dann der Antigene, die in unseren Origami-Strukturen eingekapselt sind, präzise steuern.“ er fügte hinzu. Diese Präzision ermöglicht es den Zellen, die den Impfstoff aufnehmen, eine konsistente Immunantwort auszulösen.

Als Ding und sein Team testeten, wie gut ihr pH-aktivierter DNA-Origami-Impfstoff Mäuse mit Melanomen oder Karzinomen behandelte, stellten sie fest, dass die Mäuse, denen der Impfstoff verabreicht wurde, länger überlebten als diejenigen, denen der Impfstoff nicht verabreicht wurde, und dass ihre Tumoren viel langsamer wuchsen. Der Impfstoff hemmte auch die Metastasierung und das Wiederauftreten ihrer Tumoren.

Ding und sein Team sind bestrebt, mit anderen Gruppen zusammenzuarbeiten, um ihren DNA-Origami-Impfstoff an nichtmenschlichen Primaten und schließlich in klinischen Studien zu testen.

„Es ist eine ziemlich leistungsstarke Technologie, aber sie befindet sich noch in einem frühen Stadium“, sagte Ding. „Es gibt ein großes Potenzial.“

DNA ist nicht das einzige genetische Material, das sich in winzige, komplizierte Strukturen faltet; RNA kann das auch. Da der menschliche Körper RNA aufgrund der vielen Viren, die RNA als genetisches Material verwenden, oft als Bedrohung erkennt, kann die RNA, aus der der Origami-Impfstoff besteht, als sein eigenes Adjuvans fungieren und die Immunantwort selbst verstärken.

Unter Berücksichtigung dieser Vorteile einer RNA-basierten Plattform entwickelten der Bioingenieur Hao Yan und der Krebsimmunologe Yung Chang von der Arizona State University einen RNA-Origami-Impfstoff, der aus einem einzelnen RNA-Strang besteht, der sich selbst zu einer rechteckigen Nanostruktur zusammenfügt (4). Da sie das RNA-Origami aus einem einzelnen RNA-Strang herstellen können, kann das Forschungsteam den Zeit- und Kostenaufwand für die Synthese dieser Struktur im Vergleich zu anderen Origamis auf Nukleotidbasis senken, die zum Zusammenhalten viele kurze Stützstränge aus DNA oder RNA benötigen. Yan und seine Kollegen haben zuvor sowohl DNA- als auch RNA-Origami in allen möglichen Formen konstruiert, darunter eine Raute, ein Rechteck und ein Herz (5).

Im Gegensatz zu RNA in ihrem typischen linearen Zustand war ihre RNA-Origami-Nanostruktur überraschend stabil, als Chang und Yan sie falteten. Die RNA-Origami-Struktur widerstand Schäden durch RNA-verdauende Enzyme im Blutplasma und Serum, die dieselbe entfaltete RNA-Sequenz abbauten.

„Es handelt sich um eine Nanostruktur, die tatsächlich mehr als ein Jahr im Kühlschrank aufbewahrt werden kann“, sagte Chang. „Aufgrund der Stabilität braucht man nicht all diese Lipid-Nanopartikel, um es zu stabilisieren, was die Herstellungskosten tatsächlich erheblich senkt.“

Anhand eines Mausmodells für Darmkrebs berichteten Yan und Chang, dass ihr RNA-Origami-Impfstoff die Tumorbildung verhinderte und bestehende Tumore schrumpfte, je nachdem, wann die Wissenschaftler den Impfstoff verabreichten. Anschließend setzten die Forscher Mäusen, die den RNA-Origami-Impfstoff erhalten hatten, zusätzliche Darmkrebszellen zu, deren Tumoren jedoch nie wuchsen, was darauf hindeutet, dass sie eine Immunität gegen den Krebs entwickelt hatten.

Chang und Yan arbeiten nun daran, ein tumorspezifisches Antigen an ihre RNA-Origami-Nanostruktur zu binden und testen es in einem Melanom-Mausmodell. Sie möchten ihren RNA-Origami-Impfstoff unbedingt in anderen Modellen testen und arbeiten an der Gründung eines Unternehmens, um ihren Impfstoff weiterzuentwickeln.

„Wir haben tatsächlich sehr überzeugende Daten, dass diese Plattform im Vergleich zur herkömmlichen Plattform gut funktioniert und auch kosteneffizient ist“, sagte Chang. „Ich bin sehr optimistisch, was diese Impfstoffplattform angeht.“

Wie mit winzigen Schnüren verzierte Eiswürfel zeigt Zengs DNA-Origami-Impfstoff mit dem Namen DoriVac, wie wichtig Präzision bei der Herstellung eines wirksamen Krebsimpfstoffs ist.

Das übliche Impfstoffadjuvans CpG-Oligodesoxynukleotid (CpG) bindet an den TLR9-Rezeptor in dendritischen Zellen, um die Immunantwort auf die Impfung zu verstärken. Aber unterschiedliche Dichten von CpG-Molekülen, die auf einem Impfstoff präsentiert werden, lösen unterschiedliche Immunreaktionen aus (6). Eine hohe CpG-Dichte führt zu einer zellulären Immunantwort – optimal für die Krebsimmuntherapie – und eine niedrige CpG-Dichte aktiviert eine humorale Reaktion.

Bei den meisten Impfstoffen „wenn sie durch andere Nanopartikel verabreicht werden, handelt es sich in diesem Fall nur um einen durchschnittlichen Nanoabstand. Es handelt sich nicht um einen genauen Nanoabstand“, sagte Zeng. Dieser ungenaue CpG-Abstand kann zu einer Mischung verschiedener Immunreaktionen führen, was die Wirksamkeit des Krebsimpfstoffs verringert. „Mithilfe von DNA-Origami können wir präzise Abstände im Nanomaßstab bieten und untersuchen, ob der Abstand der richtige Abstand ist, um die gewünschte Immunantwort auszulösen, die die Tumorzellen abtöten kann.“

In einem aktuellen Vorabdruck beschrieben Zeng und ihre Kollegen mehrere verschiedene Quadratblock-DNA-Origami-Impfstoffe, bei denen sie auf einer Seite unterschiedliche Tumorantigene anbrachten und CpG-Adjuvanzien in präzisen Abständen von entweder 2,5 nm, 3,5 nm, 5 nm oder 7 nm dazwischen anordneten einzelne CpG-Moleküle (7).

Sie fanden heraus, dass CpG-Moleküle, die auf ihrem DNA-Origami-Impfstoff im Abstand von 3,5 nm angeordnet waren, sowohl in vitro als auch in einem Mausmodell für Melanome die beste Immunantwort auslösten. Als die Forscher den Mäusen den optimierten DNA-Origami-Impfstoff verabreichten und sie anschließend mit Melanomkrebszellen behandelten, entwickelte nur eine Maus, die den Impfstoff erhalten hatte, jemals einen Tumor. Bei der Behandlung eines bereits etablierten Tumors verlängerte dieser DNA-Origami-Impfstoff das Überleben der Mäuse und verlangsamte das Tumorwachstum.

Am auffälligsten war, dass Zeng und ihr Team, als sie Mäuse mit aggressivem Melanom oder Lymphom mit ihrem DNA-Origami-Impfstoff und dem Immun-Checkpoint-Inhibitor Anti-PD-L1 behandelten, entdeckten, dass die kombinierte Wirkung eine noch stärkere Antikrebsreaktion hervorrief. In der Melanomgruppe überlebten vier der fünf getesteten Mäuse und in der Lymphomgruppe überlebten alle Mäuse.

„All diese Elemente zusammen können die repressive Mikroumgebung des Tumors wirklich umkehren und andere Immuntherapien, wie den Immun-Checkpoint-Inhibitor, reaktionsfähiger machen“, sagte Zeng.

Sie und ihr Team testen derzeit die Wirksamkeit ihres DNA-Origami-Impfstoffs in humanisierten Mausmodellen und planen, bald Toxizitäts- und Sicherheitstests durchzuführen. Zeng plant, irgendwann im nächsten Sommer ein auf dieser Technologie basierendes Unternehmen auszugründen.

„Wir hoffen bereits, dass DNA-Origami-Nanopartikel die nächste Generation von Impfstoffen sein könnten“, sagte sie.

Stephanie kam 2021 als stellvertretende Redakteurin zu Drug Discovery News. Sie promovierte 2019 an der University of California Los Angeles und hat für das Discover Magazine geschrieben,...

Ausgabe Februar 2023