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

Virussen zijn meesters in vermomming, ze veranderen voortdurend hun buitenste schil om de immuunsystemen van de dieren die ze infecteren te ontwijken. Voor de wereldwijde varkenshouderij heeft een dergelijke indringer, het porcine epidemisch diarreevirus, verwoestende verliezen veroorzaakt. Dit virus valt de bekleding van de darm van een varken aan, wat leidt tot ernstige diarree en uitdroging die vaak fataal is voor pasgeboren biggen. Hoewel er vaccins bestaan, betekent de veranderingscapaciteit van het virus en de beperkingen van de huidige injecties dat boeren nog steeds een aanzienlijke bedreiging ervaren. Wetenschappers weten al lang dat de sleutel tot het stoppen van dit virus ligt in een specifiek deel van zijn oppervlak, een regio die fungeert als een sleutel om de cellen van het varken te ontgrendelen. Het is echter moeilijk gebleken om deze sleutel op een manier aan het immuunsysteem te presenteren die een sterke, blijvende verdediging oproept. De uitdaging is niet alleen het tonen van de sleutel, maar het tonen van de sleutel in een vorm die het lichaam herkent als een serieuze, georganiseerde dreiging die een volledige reactie waard is.

In een recente studie probeerden onderzoekers dit probleem op te lossen door een microscopisch leveringssysteem te bouwen dat ontworpen is om het immuunsysteem de aandacht te laten schenken. Ze richtten zich op een specifiek stukje van het virus, de receptor-bindende domein, wat het deel van het virale oppervlak is dat als eerste de cellen van het varken aanraakt en eraan hecht. Op zichzelf is dit stukje onstabiel en slaagt het er vaak niet in om een sterke reactie op te wekken wanneer het als vaccin wordt gebruikt. Om dit te oplossen, koppelde het team dit virale stukje aan een natuurlijk eiwitsteiger genaamd ferritine. Ferritine is een eiwit dat in veel levende wezens voorkomt en van nature assembleert tot een hol, bolvormig kooitje gemaakt van vierentwintig identieke onderdelen. Door dit virale stukje te fuseren met dit kooitje, creëerden de onderzoekers een nieuwe structuur waarbij de virale sleutel herhaaldelijk op het oppervlak van een nette, uniforme bol wordt weergegeven. Deze aanpak bootst de repetitieve patronen na die in werkelijke virussen worden gevonden, welke het immuunsysteem evolutionair geprogrammeerd is om krachtig te detecteren en aan te vallen.

Het team begon met het ontwerpen van de genetische instructies om dit nieuwe fusie-eiwit te bouwen. Ze combineerden het gen voor de virale sleutel met het gen voor het ferritine-kooitje en voegden deze combinatie in een vector in die de instructies in cellen kan afleveren. Ze testten het ontwerp eerst in menselijke cellen die in een laboratoriumschaal werden gekweekt om te controleren of de instructies werkten en het eiwit correct werd aangemaakt. Nadat dit was bevestigd, gingen ze over naar een robuuster systeem met hamstercellen, die veel worden gebruikt voor de productie van grote hoeveelheden biologische medicijnen. Deze cellen werden geïnfecteerd met een gemodificeerd virus dat de nieuwe genetische instructies droeg, waardoor ze het fusie-eiwit gingen produceren. De onderzoekers zuiverden vervolgens het eiwit, waarbij ze alle cellulaire resten wegwasten om de nieuwe nanodeeltjes te isoleren.

Toen ze de gezuiverde deeltjes onder een krachtige elektronenmicroscoop bekeken, waren de resultaten precies zoals gehoopt. De deeltjes hadden zich zelf geassembleerd tot perfecte, ronde bollen. Het team mat de grootte van deze nieuwe structuren en stelde vast dat de deeltjes die de virale sleutel bevatten iets groter waren dan de gewone ferritine-kooitjes, met een gemiddelde diameter van 27,37 nanometer. Deze toename in grootte bevestigde dat het virale stukje succesvol aan de buitenkant van het kooitje was bevestigd zonder de structuur te breken. De deeltjes waren uniform en stabiel, klaar om als vaccin getest te worden.

Om te zien of dit nieuwe vaccin werkte, injecteerden de onderzoekers het in muizen, een standaard eerste stap bij het testen van nieuwe medische behandelingen. Ze verdeelden de muizen in groepen, waarbij ze één groep het nieuwe ferritine-gebaseerde vaccin gaven, een andere groep alleen het gewone ferritine-kooitje zonder de virale sleutel, en een derde groep een onschadelijke zoutoplossing. Ze bestuurden de injecties op drie afzonderlijke gelegenheden gedurende een maand om een volledig vaccinatieschema na te bootsen. Na de laatste injectie namen ze bloedmonsters om de immuunrespons te meten. De resultaten lieten zien dat de muizen die het nieuwe vaccin ontvingen, een enorme hoeveelheid antilichamen produceerden die specifiek ontworpen zijn om de virale sleutel aan te vallen. Het niveau van deze antilichamen was zo hoog dat het bloedserum meer dan veertigduizend keer kon worden verdund en nog steeds een reactie vertoonde, wat wijst op een zeer sterke immuungeheugen.

Naast het louter produceren van antilichamen, wilden de onderzoekers weten of deze antilichamen het virus daadwerkelijk konden stoppen. Ze testten het bloed van de gevaccineerde muizen tegen het levende virus in een laboratoriumsetting. Het bloed van de gevaccineerde muizen blokkeerde het virus succesvol bij het infecteren van cellen, waardoor de schade die het virus gewoonlijk veroorzaakt, werd voorkomen. Dit bewees dat het vaccin meer deed dan alleen een algemeen alarm triggeren; het creëerde functionele wapens in staat om de dreiging te neutraliseren. De studie keek ook naar het type immuunrespons dat werd gegenereerd. De gevaccineerde muizen vertoonden hoge niveaus van specifieke chemische signalen die aangeven dat het immuunsysteem op meerdere fronten werd geactiveerd, inclusief zowel de antilichaam-producerende kant als de cellulaire defensie-kant. Deze gebalanceerde respons is cruciaal voor het bestrijden van virussen die zich binnen cellen verstoppen.

Hoewel de resultaten in muizen veelbelovend waren, merkten de onderzoekers er zorgvuldig bij op dat dit pas het begin van de reis is. De studie werd uitgevoerd bij muizen, die niet de natuurlijke gastheren voor dit virus zijn, en de bescherming die in een petrischaal werd waargenomen, garandeert niet hetzelfde resultaat in een levende varken. Het team gaf aan dat toekomstig werk het testen van het vaccin in werkelijke biggen moet omvatten om te zien of het de ziekte in de echte wereld voorkomt. Ze wezen er ook op dat, omdat het virus de darmen infecteert, het ideale vaccin mogelijk een specifiek type immuniteit in de darmen moet triggeren, wat in deze initiële studie niet werd gemeten. Ondanks deze noodzakelijke vervolgstappen demonstreert de studie dat het gebruik van een zelf-assemblerende ferritine-kooi om de virale sleutel weer te geven een levensvatbare en effectieve strategie is. Het biedt een nieuwe manier om het virus aan het immuunsysteem te presenteren, waarbij een zwak signaal wordt omgezet in een sterk, georganiseerd commando dat het lichaam kan begrijpen en waar het op kan handelen.