Nowy typ szczepionki zapewnia ochronę przed różnymi betakoronawirusami podobnymi do SARS, w tym wariantami SARS-CoV-2, u myszy i małp, wynika z badania przeprowadzonego przez naukowców z laboratorium Pameli Bjorkman z Caltech, profesora biologii Davida Baltimore i bioinżynieria.
Betakoronawirusy, w tym te, które spowodowały pandemie SARS, MERS i COVID-19, stanowią podzbiór koronawirusów, które zarażają ludzi i zwierzęta. Szczepionka działa poprzez prezentowanie układowi odpornościowemu fragmentów białek wypustek z SARS-CoV-2 i siedmiu innych betakoronawirusów podobnych do SARS, przyłączonych do struktury nanocząsteczek białka, aby indukować produkcję szerokiego spektrum reagujących krzyżowo przeciwciał. Warto zauważyć, że po zaszczepieniu tak zwaną nanocząsteczką mozaikową modele zwierzęce były chronione przed dodatkowym koronawirusem SARS-CoV, który nie był jednym z ośmiu reprezentowanych w szczepionce nanocząsteczkowej.
„Zwierzęta zaszczepione nanocząsteczkami mozaiki-8 wytworzyły przeciwciała, które rozpoznawały praktycznie każdy szczep betakoronawirusa podobny do SARS, który ocenialiśmy” – mówi doktor habilitowany Caltech Alexander Cohen (PhD ’21), współautor nowego badania. „Niektóre z tych wirusów mogą być związane ze szczepem, który powoduje następną epidemię betakoronawirusa podobnego do SARS, więc tak naprawdę chcemy czegoś, co jest ukierunkowane na tę całą grupę wirusów. Wierzymy, że to mamy”.
Wyniki badań ukazały się w artykule opublikowanym w czasopiśmie Science 5 lipca.
„SARS-CoV-2 udowodnił, że jest zdolny do tworzenia nowych wariantów, które mogą przedłużyć globalną pandemię COVID-19” – mówi Bjorkman, który jest również profesorem w Merkin Institute i dyrektorem wykonawczym ds. Biologii i Inżynierii Biologicznej. „Ponadto fakt, że trzy betakoronawirusy – SARS-CoV, MERS-CoV i SARS-CoV-2 – rozprzestrzeniły się na ludzi z żywicieli zwierzęcych w ciągu ostatnich 20 lat, ilustruje potrzebę stworzenia szeroko zakrojonych szczepionek”.
Tak szeroka ochrona jest potrzebna, mówi Bjorkman, „ponieważ nie możemy przewidzieć, który wirus lub wirusy spośród ogromnej liczby zwierząt wyewoluują w przyszłości, aby zarażać ludzi i powodować kolejną epidemię lub pandemię. kompleksowa szczepionka chroniąca przed betakoronawirusami podobnymi do SARS, niezależnie od tego, które wirusy zwierzęce mogą ewoluować, aby umożliwić infekcję i rozprzestrzenianie się u ludzi.Ten rodzaj szczepionki chroniłby również przed obecnymi i przyszłymi wariantami SARS-CoV-2 bez konieczności aktualizacji. “
Jak to działa: szczepionka składająca się z domen kolców z ośmiu różnych koronawirusów podobnych do SARS
Technologia szczepionek polegająca na dołączaniu fragmentów wirusa do nanocząstek białka została początkowo opracowana przez współpracowników z Uniwersytetu Oksfordzkiego. Podstawą tej technologii jest maleńka struktura przypominająca klatkę (“nanocząsteczka”) zbudowana z białek zaprojektowanych tak, aby na swojej powierzchni miały “lepkie” wyrostki, do których naukowcy mogą przyczepiać oznakowane białka wirusowe. Te nanocząstki mogą być przygotowane do wyświetlania fragmentów tylko jednego wirusa („homotypowe” nanocząstki) lub fragmentów kilku różnych wirusów („mozaikowe” nanocząstki). Po wstrzyknięciu zwierzęciu szczepionka nanocząsteczkowa prezentuje te fragmenty wirusa układowi odpornościowemu. Indukuje to wytwarzanie przeciwciał, białek układu odpornościowego, które rozpoznają i zwalczają określone patogeny, a także komórkową odpowiedź immunologiczną obejmującą limfocyty T i komórki odporności wrodzonej.
W tym badaniu naukowcy wybrali osiem różnych betakoronawirusów podobnych do SARS – w tym SARS-CoV-2, wirusa, który spowodował pandemię COVID-19, wraz z siedmioma powiązanymi wirusami zwierzęcymi, które mogą potencjalnie wywołać pandemię u ludzi – – i dołączył fragmenty tych ośmiu wirusów do rusztowania nanocząsteczkowego. Zespół wybrał konkretne fragmenty struktur wirusowych, zwane domenami wiążącymi receptor (RBD), które mają kluczowe znaczenie dla przedostawania się koronawirusów do ludzkich komórek. W rzeczywistości ludzkie przeciwciała, które neutralizują koronawirusy, celują przede wszystkim w RBD wirusa.
Pomysł polega na tym, że taka szczepionka może skłonić organizm do produkcji przeciwciał, które szeroko rozpoznają betakoronawirusy podobne do SARS, aby zwalczyć warianty oprócz tych prezentowanych na nanocząstce poprzez celowanie w typowe cechy wirusowych RBD. Ten projekt wywodzi się z idei, że różnorodność i fizyczne rozmieszczenie RBD na nanocząstce skoncentruje odpowiedź immunologiczną na części RBD, które są wspólne dla całej rodziny koronawirusów SARS, uzyskując w ten sposób odporność na wszystkich. Dane przedstawione w Science dzisiaj pokazują potencjalną skuteczność tego podejścia.
Projektowanie eksperymentów mających na celu pomiar ochrony szczepionki u myszy
Powstała szczepionka (tutaj nazwana mozaiką-8) składa się z RBD z ośmiu koronawirusów. Wcześniejsze eksperymenty prowadzone przez laboratorium Bjorkman wykazały, że mozaika-8 skłania myszy do wytwarzania przeciwciał, które reagują na różne koronawirusy w naczyniu laboratoryjnym (Cohen i wsp., 2021, Science). Nowe badanie prowadzone przez Cohena miało na celu oprzeć się na tych badaniach, aby sprawdzić, czy szczepienie szczepionką mozaikową-8 może wywołać ochronne przeciwciała u żywego zwierzęcia po prowokacji (innymi słowy, infekcji) SARS-CoV-2 lub SARS-CoV .
Zespół miał na celu porównanie, jaka ochrona przed infekcją zapewniała nanocząsteczka pokryta różnymi fragmentami koronawirusa (mozaika-8) z nanocząsteczką pokrytą tylko fragmentami SARS-CoV-2 (nanocząsteczka „homotypowa”).
Zespół przeprowadził trzy zestawy eksperymentów na myszach. W jednym, kontrolnym, zaszczepili myszy jedynie nagą strukturą klatki z nanocząsteczkami, bez dołączonych żadnych fragmentów wirusa. Drugiej grupie myszy wstrzyknięto homotypową nanocząsteczkę pokrytą tylko SARS-CoV-2 RBD, a trzeciej grupie wstrzyknięto nanocząsteczki mozaiki-8. Jednym z celów eksperymentalnych było sprawdzenie, czy szczepienie mozaiką-8 ochroni zwierzęta przed SARS-CoV-2 w takim samym stopniu, jak homotypowe zwierzęta immunizowane SARS-CoV-2; drugim celem była ocena ochrony przed tak zwanym „niedopasowanym wirusem” – takim, który nie był reprezentowany przez RBD na nanocząstce mozaiki-8.
Warto zauważyć, że osiem szczepów koronawirusa pokrywających nanocząsteczkę mozaiki celowo nie zawierało SARS-CoV, wirusa, który spowodował pierwotną pandemię SARS na początku XXI wieku. W związku z tym zespół miał na celu również zbadanie stopnia ochrony przed prowokacją z oryginalnym wirusem SARS-CoV, wykorzystując go do reprezentowania nieznanego podobnego do SARS betakoronawirusa, który może przenosić się na ludzi.
Myszy użyte w eksperymentach zostały genetycznie zmodyfikowane do ekspresji ludzkiego receptora ACE2, który jest receptorem na ludzkich komórkach, który jest używany przez SARS-CoV-2 i pokrewne wirusy do uzyskania dostępu do komórek podczas infekcji. W tym zwierzęcym modelu prowokacji nieszczepione myszy umierają, jeśli są zakażone betakoronawirusem podobnym do SARS, zapewniając w ten sposób rygorystyczny test do oceny potencjału ochrony przed infekcjami i chorobami u ludzi.
Szczepionka Mosaic chroni myszy przed podobnym do SARS betakoronawirusem
Zgodnie z oczekiwaniami myszy zaszczepione nagą strukturą nanocząstek umierały po zakażeniu SARS-CoV lub SARS-CoV-2. Myszy, które zaszczepiono homotypową nanocząstką pokrytą tylko RBD SARS-CoV-2, były chronione przed infekcją SARS-CoV-2, ale padły po ekspozycji na SARS-CoV. Wyniki te sugerują, że obecne homotypowe kandydatki na szczepionki nanocząsteczkowe SARS-CoV-2 opracowywane gdzie indziej byłyby skuteczne przeciwko SARS-CoV-2, ale mogą nie chronić w szerokim zakresie przed innymi betakoronawirusami podobnymi do SARS przechodzącymi ze zbiorników zwierzęcych lub przeciwko przyszłym SARS-CoV-2 warianty.
Jednak wszystkie myszy zaszczepione nanocząstkami mozaiki-8 przeżyły zarówno prowokacje SARS-CoV-2, jak i SARS-CoV bez utraty wagi lub innych istotnych patologii.
Badania na naczelnych innych niż ludzie również potwierdzają skuteczność szczepionki mozaikowej
Zespół przeprowadził następnie podobne eksperymenty prowokacyjne na naczelnych innych niż człowiek, tym razem wykorzystując najbardziej obiecującą kandydatkę na szczepionkę, mosaic-8, i porównując efekty szczepienia metodą mosaic-8 w porównaniu z brakiem szczepienia w badaniach prowokacji na zwierzętach. Po zaszczepieniu mozaiką mosaic-8 zwierzęta wykazywały niewielką lub żadną wykrywalną infekcję po ekspozycji na SARS-CoV-2 lub SARS-CoV, ponownie wykazując potencjał kandydata na szczepionkę mosaic-8 do ochrony przed obecnymi i przyszłymi wariantami wirusa powodując pandemię COVID-19, a także przeciwko potencjalnym przyszłym wirusowym rozprzestrzenianiu się betakoronawirusów podobnych do SARS od gospodarzy zwierzęcych.
Co ważne, we współpracy z wirusologiem Jesse Bloom (PhD ’07) z Fred Hutchinson Cancer Research Center, zespół odkrył, że przeciwciała wywołane przez mozaikę-8 były skierowane na najczęstsze elementy RBD w zróżnicowanym zestawie innych betakoronawirusów podobnych do SARS – – tak zwana „zachowana” część RBD – dostarczając w ten sposób dowodów na hipotetyczny mechanizm, dzięki któremu szczepionka byłaby skuteczna przeciwko nowym wariantom SARS-CoV-2 lub zwierzęcym betakoronawirusom podobnym do SARS. W przeciwieństwie do tego homotypowe wstrzyknięcia nanocząstek SARS-CoV-2 wywoływały przeciwciała przeciwko głównie regionom RBD specyficznym dla szczepu, co sugeruje, że te typy szczepionek prawdopodobnie chroniłyby przed SARS-CoV-2, ale nie przed nowo powstającymi wariantami lub potencjalnymi pojawiającymi się wirusami zwierzęcymi.
W następnym kroku Bjorkman i współpracownicy ocenią immunizację nanocząsteczkową mozaiką 8 u ludzi w fazie 1 badania klinicznego wspieranego przez Coalition for Epidemic Preparedness Initiative (CEPI). Aby przygotować się do badania klinicznego, które w dużej mierze obejmie osoby zaszczepione i/lub wcześniej zakażone SARS-CoV-2, laboratorium Bjorkmana planuje eksperymenty na przedklinicznych modelach zwierzęcych w celu porównania odpowiedzi immunologicznych u zwierząt wcześniej zaszczepionych obecnym COVID- 19 odpowiedzi szczepionki na reakcje u zwierząt, które są immunologicznie naiwne w odniesieniu do zakażenia lub szczepienia SARS-CoV-2.
„Rozmawialiśmy o potrzebie różnorodności w opracowywaniu szczepionek od samego początku pandemii” – mówi dr Richard J. Hatchett, dyrektor generalny CEPI. „Przełom ujawniony w badaniu laboratoryjnym Bjorkman pokazuje ogromny potencjał strategii, która dąży do całkowicie nowej platformy szczepionek, potencjalnie przezwyciężając przeszkody stworzone przez nowe warianty. Z przyjemnością ogłaszam, że CEPI będzie wspierać to nowatorskie podejście do zapobiegania pandemii w fazie I badania kliniczne. Przyspieszona prędkość, jaką osiągnięto w badaniu po otrzymaniu dofinansowania z programu Wellcome Leap, ułatwiła nam dzisiejsze relacje z nimi. Dane dotyczące naczelnych innych niż ludzie są niezwykle zachęcające i cieszymy się, że możemy wesprzeć kolejną fazę badań”.
Wellcome Leap zapewnił kluczowe fundusze w kluczowym momencie, aby przyspieszyć rozwój technologii Caltech, skracając czas dotarcia do fazy 1 badań klinicznych o ponad 18 miesięcy. Regina E. Dugan (doktorat ’93), dyrektor generalny Wellcome Leap, mówi: „Ten sukces wczesnej transformacji pokazuje wartość globalnych partnerstw współpracujących i pilnych potrzebnych do zaradzenia przyszłym zagrożeniom pandemicznym”.
Artykuł nosi tytuł „Nanocząstki mozaiki RBD chronią przed prowokacją przez różne sarbekowirusy w modelach zwierzęcych”. Neeltje van Doremalen z National Institute of Allergy and Infectious Diseases (National Institutes of Health) Rocky Mountain Laboratories jest współpierwszą autorką wraz z Cohenem.
Dodatkowymi współautorami Caltech są Jennifer Keeffe, naukowiec; Chengcheng Fan, pracownik naukowy ze stażem podoktoranckim w dziedzinie biologii i inżynierii biologicznej; Priyanthi Gnanapragasam, technik badawczy; były technik badawczy Leesa Kakutani; Anthony P. West Jr., starszy specjalista ds. badań; były technik badawczy Yu Lee; Han Gao, technik badawczy; oraz była absolwentka Claudia Jette (doktorat ’22).
Inni współautorzy to Allison Greaney, Tyler Starr i Jesse Bloom z Fred Hutchinson Cancer Research Center; Hanne Andersen, Ankur Sharma i Mark Lewis z BIOQUAL; Jonathan Schulz, Greg Saturday i Vincent Munster z Rocky Mountain National Laboratories; oraz Tiong Tan i Alain Townsend z Uniwersytetu Oksfordzkiego.
To przedkliniczne badanie walidacji szczepionek zostało sfinansowane przez Wellcome Leap i opierało się bezpośrednio na początkowym rozwoju i badaniach sprawdzających zgodność z zasadami, finansowanymi na początku pandemii przez Merkin Institute for Translational Medicine w Caltech. Inne trwające prace nad koronawirusem w grupie Bjorkman są wspierane przez Fundację Billa i Melindy Gates oraz George Mason Fast Grants.