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

वायरस छद्मवेष के उस्ताद होते हैं, जो उन जानवरों की प्रतिरक्षा प्रणाली से बचने के लिए अपने बाहरी आवरण को लगातार नया रूप देते हैं जिन्हें वे संक्रमित करते हैं। वैश्विक सूअर पालन उद्योग के लिए, ऐसे ही एक आक्रमणकारी, पोर्सिन एपिडेमिक डायरिया वायरस (porcine epidemic diarrhea virus) ने विनाशकारी नुकसान पहुँचाया है। यह वायरस सूअर के आंत के अस्तर पर हमला करता है, जिससे गंभीर दस्त और निर्जलीकरण होता है जो अक्सर नवजात सूअर के बच्चों के लिए घातक होता है। हालांकि टीके मौजूद हैं, लेकिन वायरस की बदलने की क्षमता और वर्तमान इंजेक्शनों की सीमाओं के कारण किसान अभी भी एक महत्वपूर्ण खतरे का सामना कर रहे हैं। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से यह जाना है कि इस वायरस को रोकने की कुंजी इसके सतह के एक विशिष्ट भाग में निहित है, एक ऐसा क्षेत्र जो सूअर की कोशिकाओं को खोलने के लिए 'चाबी' की तरह कार्य करता है। हालांकि, इस चाबी को प्रतिरक्षा प्रणाली के सामने इस तरह प्रस्तुत करना ताकि वह एक मजबूत, स्थायी रक्षा को सक्रिय कर सके, कठिन साबित हुआ है। चुनौती केवल चाबी दिखाने की नहीं है, बल्कि उसे एक ऐसे रूप में दिखाने की है जिसे शरीर एक गंभीर, संगठित खतरे के रूप में पहचान सके जो पूर्ण-स्तरीय प्रतिक्रिया के योग्य हो।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने के लिए एक सूक्ष्म वितरण प्रणाली बनाने का प्रयास किया जिसे प्रतिरक्षा प्रणाली का ध्यान आकर्षित करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। उन्होंने वायरस के एक विशिष्ट हिस्से पर ध्यान केंद्रित किया जिसे रिसेप्टर-बाइंडिंग डोमेन (receptor-binding domain) कहा जाता है, जो वायरल सतह का वह हिस्सा है जो सबसे पहले सूअर की कोशिकाओं को छूता है और उनसे जुड़ता है। अपने आप में, यह हिस्सा अस्थिर है और वैक्सीन के रूप में उपयोग किए जाने पर अक्सर एक मजबूत प्रतिक्रिया उत्पन्न करने में विफल रहता है। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने इस वायरल हिस्से को फेरिटिन (ferritin) नामक एक प्राकृतिक प्रोटीन स्कैफोल्ड से जोड़ा। फेरिटिन एक प्रोटीन है जो कई जीवित चीजों में पाया जाता है और यह स्वाभाविक रूप से एक खोखले, गोलाकार पिंजरे के रूप में खुद को व्यवस्थित करता है, जो बीस-चार समान भागों से बना होता है। इस पिंजरे के साथ इस वायरल हिस्से को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक नई संरचना बनाई जहाँ वायरल चाबी को एक साफ, समान गोले की सतह पर बार-बार प्रदर्शित किया गया। यह दृष्टिकोण वास्तविक वायरसों में पाए जाने वाले दोहराव वाले पैटर्न की नकल करता है, जिसे प्रतिरक्षा प्रणाली विकासवादी रूप से तीव्रता से पहचानने और हमला करने के लिए तैयार की गई है।

टीम ने इस नए फ्यूजन प्रोटीन को बनाने के लिए आनुवंशिक निर्देशों को डिजाइन करने के साथ शुरुआत की। उन्होंने वायरल चाबी के जीन को फेरिटिन पिंजरे के जीन के साथ जोड़ा और इस संयोजन को एक वेक्टर में डाला जो कोशिकाओं में निर्देश पहुंचा सके। उन्होंने पहले इस डिजाइन का परीक्षण प्रयोगशाला की डिश में उगाए गए मानव कोशिकाओं में किया ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि निर्देश काम कर रहे हैं और प्रोटीन सही ढंग से बना है। पुष्टि होने के बाद, वे एक अधिक मजबूत प्रणाली की ओर बढ़े जिसमें हैम्स्टर (hamster) कोशिकाओं का उपयोग किया गया, जिनका उपयोग आमतौर पर जैविक दवाओं की बड़ी मात्रा का उत्पादन करने के लिए किया जाता है। इन कोशिकाओं को एक संशोधित वायरस से संक्रमित किया गया जो नए आनुवंशिक निर्देश ले जाता था, जिससे वे फ्यूजन प्रोटीन का उत्पादन करने लगे। शोधकर्ताओं ने फिर प्रोटीन को शुद्ध किया, जिससे नए नैनोकणों को अलग करने के लिए सभी कोशिकीय मलबे को धो दिया गया।

जब उन्होंने एक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के नीचे इन शुद्ध कणों का परीक्षण किया, तो परिणाम बिल्कुल उम्मीद के मुताबिक थे। कणों ने खुद को पूर्ण, गोल गोलों के रूप में व्यवस्थित कर लिया था। टीम ने इन नई संरचनाओं के आकार को मापा और पाया कि वायरल चाबी वाले कण सादे फेरिटिन पिंजरों की तुलना में थोड़े बड़े थे, जिनका औसत व्यास 27.37 नैनोमीटर था। आकार में इस वृद्धि ने पुष्टि की कि वायरल हिस्सा पिंजरे के बाहर सफलतापूर्वक लगा हुआ था और इससे संरचना टूटी नहीं थी। कण एकसमान और स्थिर थे, जो वैक्सीन के रूप में परीक्षण के लिए तैयार थे।

यह देखने के लिए कि क्या यह नया टीका काम करता है, शोधकर्ताओं ने इसे चूहों में इंजेक्ट किया, जो नए चिकित्सा उपचारों के परीक्षण के लिए एक मानक पहला कदम है। उन्होंने चूहों को समूहों में विभाजित किया, एक समूह को नया फेरिटिन-आधारित टीका दिया, दूसरे समूह को बिना वायरल चाबी वाला सादा फेरिटिन पिंजरा दिया, और तीसरे समूह को एक हानिरहित नमक का घोल दिया। उन्होंने टीकाकरण के पूर्ण कार्यक्रम की नकल करने के लिए एक महीने में तीन अलग-अलग अवसरों पर इंजेक्शन दिए। अंतिम शॉट के बाद, उन्होंने प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया को मापने के लिए रक्त के नमूने लिए। परिणामों ने दिखाया कि नए टीके प्राप्त करने वाले चूहों ने विशेष रूप से वायरल चाबी को लक्षित करने वाले एंटीबॉडी की एक विशाल मात्रा का उत्पादन किया। इन एंटीबॉडी का स्तर इतना अधिक था कि रक्त सीरम को चालीस हजार गुना से अधिक पतला किया जा सकता था और फिर भी प्रतिक्रिया दिखाई देती थी, जो एक बहुत मजबूत प्रतिरक्षा स्मृति का संकेत देती है।

केवल एंटीबॉडी उत्पन्न करने के अलावा, शोधकर्ता यह भी जानना चाहते थे कि क्या ये एंटीबॉडी वास्तव में वायरस को रोक सकते हैं। उन्होंने प्रयोगशाला सेटिंग में जीवित वायरस के विरुद्ध टीकाकृत चूहों के रक्त का परीक्षण किया। टीकाकृत चूहों के रक्त ने सफलतापूर्वक वायरस को कोशिकाओं को संक्रमित करने से रोका, जिससे उस क्षति को रोका गया जो वायरस आमतौर पर पहुँचाता है। इससे सिद्ध हुआ कि टीके ने केवल एक सामान्य अलार्म बजाने के बजाय, एक कार्यात्मक हथियार बनाया जो खतरे को बेअसर करने में सक्षम है। अध्ययन ने उत्पन्न हुई प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया के प्रकार को भी देखा। टीकाकृत चूहों में विशिष्ट रासायनिक संकेतों का उच्च स्तर देखा गया जो यह संकेत देता है कि प्रतिरक्षा प्रणाली को कई मोर्चों पर सक्रिय किया गया था, जिसमें एंटीबॉडी बनाने वाला पक्ष और कोशिकीय रक्षा पक्ष दोनों शामिल थे। यह संतुलित प्रतिक्रिया उन वायरसों से लड़ने के लिए महत्वपूर्ण है जो कोशिकाओं के भीतर छिप जाते हैं।

हालांकि चूहों में परिणाम उत्साहजनक थे, शोधकर्ता इस बात पर ध्यान देने में सावधानी बरत रहे थे कि यह यात्रा का केवल प्रारंभ है। अध्ययन चूहों में किया गया था, जो इस वायरस के प्राकृतिक मेजबान नहीं हैं, और पेट्री डिश में देखी गई सुरक्षा एक जीवित सूअर में समान परिणाम की गारंटी नहीं देती है। टीम ने स्वीकार किया कि भविष्य के कार्य में वास्तविक सूअरों में इस टीके का परीक्षण करना होगा ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह वास्तविक दुनिया में बीमारी को रोकता है। उन्होंने यह भी बताया कि चूंकि वायरस आंत को संक्रमित करता है, इसलिए आदर्श टीके को आंतों में एक विशिष्ट प्रकार की प्रतिरक्षा को सक्रिय करने की आवश्यकता हो सकती है, जिसे इस प्रारंभिक अध्ययन में नहीं मापा गया था। इन आवश्यक अगले चरणों के बावजूद, अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि वायरल चाबी को प्रदर्शित करने के लिए स्व-व्यवस्थित फेरिटिन पिंजरे का उपयोग करना एक व्यवहार्य और प्रभावी रणनीति है। यह वायरस को प्रतिरक्षा प्रणाली के सामने प्रस्तुत करने का एक नया तरीका प्रदान करता है, जो एक कमजोर संकेत को एक मजबूत, संगठित आदेश में बदल देता है जिसे शरीर समझ सकता है और जिस पर कार्य कर सकता है।