Перед пандемией лаборатория биохимика Стэнфордского университета Питера С. Ким сосредоточилась на разработке вакцин против ВИЧ, Эболы и пандемического гриппа. Но через несколько дней после закрытия лаборатории в кампусе в рамках мер предосторожности против COVID-19 они обратили внимание на вакцину против SARS-CoV-2, вируса, вызывающего COVID-19. Хотя коронавирус не входил в компетенцию лаборатории, им и их сотрудникам удалось сконструировать и протестировать многообещающую вакцину-кандидат.
"Наша цель – создать одноразовую вакцину, не требующую холодовой цепи для хранения или транспортировки. Если у нас это получается хорошо, это тоже должно быть дешево," сказал Ким, это Вирджиния и Д. K. Людвиг профессор биохимии. "Целевая аудитория для нашей вакцины – страны с низким и средним уровнем доходов."
Их вакцина, подробно описанная в статье, опубликованной в январе. 5 в ACS Central Science, содержит наночастицы, усыпанные теми же белками, что и характерные шипы на поверхности вируса. Помимо того, что они являются причиной того, что они называются коронавирусами – корона в переводе с латыни означает "Корона"- эти шипы облегчают инфекцию, сливаясь с клеткой-хозяином и создавая проход для вирусного генома, чтобы проникнуть в аппарат клетки и захватить ее, чтобы произвести больше вирусов. Шипы также могут использоваться в качестве антигенов, что означает, что их присутствие в организме может вызвать иммунный ответ.
Вакцины с наночастицами уравновешивают эффективность вакцин на основе вирусов с безопасностью и простотой производства субъединичных вакцин. Вакцины, в которых для доставки антигена используются вирусы, часто более эффективны, чем вакцины, содержащие только изолированные части вируса. Однако их производство может занять больше времени, их нужно хранить в холодильнике, и они с большей вероятностью будут вызывать побочные эффекты. Вакцины на основе нуклеиновых кислот, такие как мРНК-вакцины Pfizer и Moderna, которые недавно были разрешены для экстренного использования FDA, производятся даже быстрее, чем вакцины на основе наночастиц, но они дороги в производстве и могут потребовать нескольких доз. Первоначальные испытания на мышах показывают, что вакцина из наночастиц Стэнфордского университета может вызвать иммунитет против COVID-19 уже после одной дозы.
Исследователи также надеются, что его можно хранить при комнатной температуре, и изучают, можно ли его отправлять и хранить в лиофилизированной порошковой форме. Для сравнения: все вакцины, которые в Соединенных Штатах находятся дальше всего в разработке, необходимо хранить при низких температурах в диапазоне примерно от 8 до -70 градусов по Цельсию (от 46 до -94 градусов по Фаренгейту).
"Это действительно ранний этап, и предстоит еще много работы," сказала Эбигейл Пауэлл, бывший научный сотрудник лаборатории Кима и ведущий автор статьи. "Но мы думаем, что это надежная отправная точка для того, что могло бы быть схемой однократной вакцинации, которая не полагается на использование вируса для выработки защитных антител после вакцинации."
Исследователи продолжают улучшать и дорабатывать свою вакцину-кандидат с намерением приблизить ее к первоначальным клиническим испытаниям на людях.
Шипы и наночастицы
Белок-спайк от SARS-CoV-2 довольно велик, поэтому ученые часто формулируют сокращенные версии, которые проще сделать и проще в использовании. Внимательно изучив шип, Ким и его команда решили удалить секцию внизу.
Чтобы завершить свою вакцину, они объединили этот укороченный спайк с наночастицами ферритина – железосодержащего белка, который ранее был протестирован на людях. До пандемии Пауэлл работал с этими наночастицами, чтобы разработать вакцину против Эболы. Вместе с учеными из Национальной ускорительной лаборатории SLAC исследователи использовали криоэлектронную микроскопию, чтобы получить трехмерное изображение наночастиц ферритина с шипами, чтобы подтвердить, что они имеют правильную структуру.
В тестах на мышах исследователи сравнили свои укороченные шипы с четырьмя другими потенциально полезными вариациями: наночастицы с полными шипами, полными шипами или частичными шипами без наночастиц и вакциной, содержащей только участок шипа, который связывается с клетками во время инфекции. Тестирование эффективности этих вакцин против реального вируса SARS-CoV-2 потребовало бы работы в лаборатории уровня биобезопасности 3, поэтому исследователи вместо этого использовали более безопасный псевдокоронавирус, который был модифицирован для переноса шипов SARS-CoV-2.
Исследователи определили потенциальную эффективность каждой вакцины, отслеживая уровни нейтрализующих антител. Антитела – это белки крови, вырабатываемые в ответ на антигены; нейтрализующие антитела представляют собой специфическое подмножество антител, которые фактически препятствуют проникновению вируса в клетку-хозяин.
После однократной дозы обе вакцины-кандидаты в виде наночастиц привели к нейтрализации уровней антител, по крайней мере, в два раза выше, чем у людей, перенесших COVID-19, а вакцина из наночастиц с укороченным спайком вызвала значительно более высокий нейтрализующий ответ, чем спайк-связывание или вакцина. вакцины с полным спайком (без наночастиц). После второй дозы у мышей, которым вводили вакцину из наночастиц с укороченными шипами, наблюдались самые высокие уровни нейтрализующих антител.
Оглядываясь назад на этот проект, Пауэлл оценивает, что время от начала до первых исследований на мышах составляло около четырех недель. "У всех было много времени и энергии, чтобы посвятить одну и ту же научную проблему," она сказала. "Это очень уникальный сценарий. Я действительно не ожидаю, что когда-нибудь снова столкнусь с этим в своей карьере."
"То, что произошло в прошлом году, действительно фантастично с точки зрения того, что наука выходит на первый план и может производить несколько разных вакцин, которые выглядят так, как будто они демонстрируют эффективность против этого вируса," сказал Ким, который является старшим автором статьи. "Обычно на создание вакцины уходит десять лет, даже если вы добьетесь успеха. Это беспрецедентно."
Доступ к вакцинам
Хотя новая вакцина группы предназначена специально для групп населения, которым может быть труднее получить доступ к другим вакцинам против SARS-CoV-2, возможно, учитывая быстрое развитие других вакцин-кандидатов, в ней не будет необходимости для борьбы с текущей пандемией. В этом случае исследователи готовы снова повернуться и разработать более универсальную вакцину против коронавируса для иммунизации против SARS-CoV-1, MERS, SARS-CoV-2 и будущих коронавирусов, которые еще не известны.
"Вакцины – одно из самых глубоких достижений биомедицинских исследований. Это невероятно экономичный способ защитить людей от болезней и спасти жизни," сказал Ким. "Эта вакцина против коронавируса является частью работы, которую мы уже выполняем – разработки вакцин, которые исторически сложно или невозможно разработать, таких как вакцина против ВИЧ, – и я рад, что мы находимся в ситуации, когда мы потенциально можем что-то применить, если миру это нужно."