Politechnika Warszawska
Politechnika Warszawska Uczelnia Badawcza

Opracowanie nano-szczepionki opartej o rekombinowane białka wirusa SARS-CoV-2 kowalencyjnie związane na nanocząstkach

Fot. Pixabay

Fot. Pixabay

Zespół złożony z naukowców z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej oraz Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii wraz z zespołem immunologów pracuje nad opracowaniem nano-szczepionki opartej o rekombinowane białka wirusa SARS-CoV-2 kowalencyjnie związanych z biodegradowalnymi nanocząstkami tlenku żelaza. Badanie realizowane jest w ramach konkursu na granty badawcze IDUB against COVID-19.

Wirus SARS-CoV-2 i jego konsekwencje

Epidemia choroby COVID-19 wywołanej przez koronawirusa SARS-CoV-2 wybuchła jesienią 2019 roku w Chinach. Rozprzestrzeniając się na cały świat dotyka wielu milionów ludzi. Zapaść systemu opieki medycznej, spowodowana olbrzymią liczbą chorych, doprowadziła do znacznego wzrostu liczby komplikacji medycznych i zgonów na skutek innych chorób. Z powodu pandemii gospodarkę światową dotknął olbrzymi kryzys ekonomiczny będący rezultatem powszechnej niepewności, spowolnienia działalności produkcyjnej i transportu. Koszty społeczne pandemii COVID-19 są olbrzymie i stale rosną. Przyszłość pandemii jest trudna do przewidzenia, albo choroba zniknie w ciągu kilku lat, tak jak lokalne epidemie wywołane innymi koronawirusami (SARS, MERS), albo będzie powracała nowymi falami zachorowań, wywołując liczne zgony i strach oraz paraliżując gospodarkę światową. Sądząc z zasięgu i dynamiki pandemii, należy uznać, że wirus nie zniknie samoistnie i to niebezpieczne zjawisko będzie miało charakter powtarzalny, prawdopodobnie jeszcze bardziej niebezpieczny. Dlatego jedynym rozwiązaniem wydaje się być opracowanie skutecznej szczepionki o globalnym zastosowaniu, a także stworzenie rozwiązań systemowych umożliwiających dynamiczne i skuteczne przeciwdziałanie tego typu zagrożeniom w przyszłości.

Obiecujące wyniki

Celem projektu jest opracowanie prostej i taniej w produkcji szczepionki nanotechnologicznej opartej o rekombinowane białka wirusa produkowane w bakteryjnym systemie ekspresyjnym, a także zaproponowanie metody szybkiego opracowywania i produkowania szczepionek na zmutowane wersje wirusa lub na nowe wirusy, czy bakterie, które mogą pojawiać się w przyszłości.

Na podstawie wieloletniego doświadczenia i zdobytej wiedzy autorów projektu w dziedzinie inżynierii genetycznej, chemii, biotechnologii przemysłowej i nanotechnologii, udało uzyskać się trzy warianty rekombinowanych białek otoczki wirusa COVID-19 (epitopów) wykazujących, zgodnie z najnowszymi doniesieniami naukowymi, najwyższą immunogenność. Naukowcom udało się również udekorować biokompatybilne oraz biodegradowalne nanocząstki uzyskanymi rekombinowanymi epitopami wirusa SARS-Cov-2.

W pierwszym etapie wybrano fragmenty białek wirusa - epitopy z domen S1, S2. Szczególnie ważne dla zespołu badawczego było, aby epitopy były stabilne pod kątem mutacji i dawały szansę na uzyskanie silnej i trwałej odpowiedzi immunologicznej (Rys.1).

Rys.1. Fragmenty białek wirusa SARS-CoV-2 wybrane do projektu

Rys.1. Fragmenty białek wirusa SARS-CoV-2 wybrane do projektu

Wybrane fragmenty sekwencji kodujących białka otoczki wirusa (spike) zostały sklonowane i wprowadzone do autorskiego prokariotycznego systemu ekspresyjnego, a następnie umieszczone w szczepach bakteryjnych E. coli (Rys.2).

Rys. 2. Uzyskanie ekspresji genów kodujących rekombinowane białka otoczki wirusa SARS-CoV-2

Rys. 2. Uzyskanie ekspresji genów kodujących rekombinowane białka otoczki wirusa SARS-CoV-2

Wyprodukowane rekombinowane białka zostały wyizolowane, oczyszczone i kowalencyjnie związane z biodegradowalnymi nanocząstkami tlenku żelaza. Sama nanocząstka, jak i otoczka pełnią rolę adiuwanta i dzięki temu dodatkowo wzmacnia jest odpowiedź immunologiczną.

Tak otrzymane nano-szczepionki, składające się z nanocząstek udekorowanych rekombinowanymi białkami otoczki wirusa, zostaną przetestowane na ludzkich liniach komórkowych, a następnie na zwierzętach. Trzeba tu dodać, że już same białka wirusa z odpowiednimi dodatkami mogą pełnić rolę skutecznej szczepionki. Po podaniu szczepionki myszom zostanie zbadana toksyczność preparatu oraz stopień i trwałość odpowiedzi immunologicznej poprzez oznaczenie ilości przeciwciał (Rys.3).

Rys. 3. Sprawdzenie immunogenności nanocząstek udekorowanych rekombinowanymi białkami otoczki wirusa SARS-CoV-2

Rys. 3. Sprawdzenie immunogenności nanocząstek udekorowanych rekombinowanymi białkami otoczki wirusa SARS-CoV-2

Podejście badawcze, polegające na zastosowaniu jednocześnie wielu immunogennych epitopów i multiwalencyjnych nano-systemów ich dostarczania do organizmu, zwiększa szanse na uzyskanie skutecznej i trwałej odpowiedzi immunologicznej. Szczepionki oparte na nanocząstkach są obiecujące ze względu na brak toksyczności, wysoką biokompatybilność i stabilność, umożliwiając jednocześnie dostarczanie antygenu do komórek prezentujących antygen i zapewniając tym skuteczne uczenie i stymulację układu odpornościowego.

Obecnie na rynku szczepionek brak jest nano-systemów wykorzystujących technologię kowalencyjnego wiązania na powierzchni nanocząstki jednego lub większej liczby epitopów.

Aktualnie zespół pracuje nad oczyszczaniem białek i przygotowuje się do badań na zwierzętach. Równolegle poszukuje też partnera przemysłowego zainteresowanego produkcją szczepionki. Powinien włączyć się on w proces powstawania szczepionki jak najszybciej, co znacząco przyspieszy proces jej powstania.

Skład zespołu badawczego:

prof. dr hab. inż. Tomasz Ciach, dr inż. Anna Mazurkiewicz-Pisarek, dr Jakub Trzciński, mgr inż. Alina Mazurkiewicz

 

Źródło informacji: materiały nadesłane przez prof. dr. hab. inż. Tomasza Ciacha.