Development and immunogenicity evaluation of a ferritin-based nanoparticle vaccine displaying porcine epidemic diarrhea virus spike receptor-binding domain in mice

Viren sind Meister der Tarnung; sie verändern ständig ihre äußeren Hüllen, um den Immunsystemen der Tiere, die sie infizieren, zu entgehen. Für die weltweite Schweineindustrie hat ein solcher Eindringling, das Porcine Epidemic Diarrhea Virus (PEDV), verheerende Verluste verursacht. Dieses Virus greift die Auskleidung des Schweinedarms an, was zu schwerem Durchfall und Dehydrierung führt, was für neugeborene Ferkel oft tödlich endet. Obwohl Impfstoffe existieren, bedeuten die Fähigkeit des Virus zur Veränderung und die Einschränkungen aktueller Präparate, dass Landwirte weiterhin einer erheblichen Bedrohung gegenüberstehen. Wissenschaftler wissen seit langem, dass der Schlüssel zur Bekämpfung dieses Virus in einem spezifischen Teil seiner Oberfläche liegt – einer Region, die wie ein Schlüssel fungiert, um die Zellen des Schweins aufzuschließen. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, diesen Schlüssel dem Immunsystem in einer Weise zu präsentieren, die eine starke, dauerhafte Abwehr auslöst. Die Herausforderung besteht nicht nur darin, den Schlüssel zu zeigen, sondern ihn in einer Form zu präsentieren, die der Körper als ernsthafte, organisierte Bedrohung erkennt, die einer umfassenden Reaktion würdig ist.

In einer kürzlich durchgeführten Studie versuchten Forscher, dieses Problem zu lösen, indem sie ein mikroskopisches Liefer-System entwickelten, das darauf ausgelegt war, das Immunsystem aufmerksam zu machen. Sie konzentrierten sich auf ein spezifisches Stück des Virus, die Rezeptor-Bindungsdomäne, welches der Teil der Virusoberfläche ist, der zuerst die Zellen des Schweins berührt und an ihnen anhaftet. Für sich allein genommen ist dieses Stück instabil und scheitert oft daran, eine starke Reaktion hervorzurufen, wenn es als Impfstoff verwendet wird. Um dies zu beheben, koppelte das Team dieses virale Stück an ein natürliches Proteingerüst namens Ferritin. Ferritin ist ein Protein, das in vielen Lebewesen vorkommt und sich von Natur aus zu einem hohlen, sphärischen Käfig aus vierundzwanzig identischen Teilen selbst zusammensetzt. Durch die Fusion dieses viralen Stücks mit diesem Käfig schufen die Forscher eine neue Struktur, in der der virale Schlüssel wiederholt auf der Oberfläche einer ordentlichen, gleichmäßigen Kugel dargestellt wird. Dieser Ansatz ahmt die repetitiven Muster nach, die auf tatsächlichen Viren zu finden sind und die das Immunsystem evolutionär darauf programmiert hat, sie heftig zu erkennen und anzugreifen.

Das Team begann mit dem Design der genetischen Anweisungen, um dieses neue Fusionsprotein zu bauen. Sie kombinierten das Gen für den viralen Schlüssel mit dem Gen für den Ferritin-Käfig und fügten diese Kombination in einen Vektor ein, der die Anweisungen in Zellen liefern konnte. Zuerst testeten sie das Design in menschlichen Zellen in einer Laborschale, um sicherzustellen, dass die Anweisungen funktionierten und das Protein korrekt hergestellt wurde. Sobald dies bestätigt war, gingen sie zu einem robusteren System unter Verwendung von Hamsterzellen über, die üblicherweise verwendet werden, um große Mengen biologischer Medikamente zu produzieren. Diese Zellen wurden mit einem modifizierten Virus infiziert, das die neuen genetischen Anweisungen trug, wodurch sie das Fusionsprotein produzierten. Die Forscher reinigten das Protein anschließend und wuschten alle Zelltrümmer weg, um die neuen Nanopartikel zu isolieren.

Als sie die gereinigten Partikel unter einem leistungsstarken Elektronenmikroskop untersuchten, waren die Ergebnisse genau wie erhofft. Die Partikel hatten sich zu perfekten, runden Sphären selbst zusammengesetzt. Das Team maß die Größe dieser neuen Strukturen und stellte fest, dass die Partikel, die den viralen Schlüssel enthielten, etwas größer waren als die einfachen Ferritin-Käfige, mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 27,37 Nanometern. Diese Größenzunahme bestätigte, dass das virale Stück erfolgreich an der Außenseite des Käfigs angebracht war, ohne die Struktur zu beschädigen. Die Partikel waren einheitlich und stabil, bereit, als Impfstoff getestet zu werden.

Um zu sehen, ob dieser neue Impfstoff funktionierte, injizierten die Forscher ihn in Mäuse, ein Standard erster Schritt beim Testen neuer medizinischer Behandlungen. Sie teilten die Mäuse in Gruppen auf: einer Gruppe gaben sie den neuen Ferritin-basierten Impfstoff, einer anderen Gruppe nur den einfachen Ferritin-Käfig ohne den viralen Schlüssel und einer dritten Gruppe eine harmlose Kochsalzlösung. Sie verabreichten die Spritzen zu drei separaten Zeitpunkten über einen Monat hinweg, um einen vollständigen Impfplan nachzuahmen. Nach der letzten Spritze nahmen sie Blutproben, um die Immunreaktion zu messen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Mäuse, die den neuen Impfstoff erhielten, eine massive Menge an Antikörpern produzierten, die spezifisch darauf ausgelegt waren, den viralen Schlüssel zu targetieren. Das Niveau dieser Antikörper war so hoch, dass das Blutserum mehr als vierzigtausend Mal verdünnt werden konnte und immer noch eine Reaktion zeigte, was auf ein sehr starkes Immungedächtnis hindeutet.

Über die bloße Produktion von Antikörpern hinaus wollten die Forscher wissen, ob diese Antikörper das Virus tatsächlich stoppen könnten. Sie testeten das Blut der geimpften Mäuse gegen das lebende Virus in einer Laborumgebung. Das Blut der geimpften Mäuse blockierte erfolgreich die Infektion von Zellen durch das Virus und verhinderte so den Schaden, den das Virus normalerweise verursacht. Dies bewies, dass der Impfstoff mehr tat, als nur einen allgemeinen Alarm auszulösen; er schuf funktionale Waffen, die in der Lage waren, die Bedrohung zu neutralisieren. Die Studie untersuchte auch die Art der generierten Immunantwort. Die geimpften Mäuse zeigten hohe Mengen an spezifischen chemischen Signalen, die darauf hindeuteten, dass das Immunsystem an mehreren Fronten aktiviert wurde, einschließlich der antikörperproduzierenden Seite und der zellulären Verteidigungsseite. Diese ausgewogene Reaktion ist entscheidend für die Bekämpfung von Viren, die sich in Zellen verstecken.

Obwohl die Ergebnisse in Mäusen vielversprechend waren, merkten die Forscher vorsichtig an, dass dies erst der Anfang der Reise ist. Die Studie wurde an Mäusen durchgeführt, welche nicht die natürlichen Wirte für dieses Virus sind, und der beobachtete Schutz in einer Petrischale garantiert nicht das gleiche Ergebnis in einem lebenden Schwein. Das Team räumte ein, dass zukünftige Arbeiten den Impfstoff in tatsächlichen Ferkeln testen müssen, um zu sehen, ob er die Krankheit in der realen Welt verhindert. Sie wiesen auch darauf hin, dass, da das Virus den Darm infiziert, ein idealer Impfstoff möglicherweise eine spezifische Art von Immunität im Darm auslösen müsste, was in dieser ersten Studie nicht gemessen wurde. Trotz dieser notwendigen nächsten Schritte zeigt die Studie, dass die Verwendung eines selbstassemblierenden Ferritin-Käfigs zur Darstellung des viralen Schlüssels eine praktikable und effektive Strategie ist. Sie bietet einen neuen Weg, das Virus dem Immunsystem zu präsentieren, indem sie ein schwaches Signal in einen starken, organisierten Befehl verwandelt, den der Körper verstehen und auf den er reagieren kann.