วัคซีนสังเคราะห์ที่ซับซ้อนโดยใช้โมเลกุล DNA ได้รับการสร้างขึ้นแล้ว

ในการค้นหาวิธีสร้างวัคซีนที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์จากสถาบัน Biodesign แห่งมหาวิทยาลัยแห่งรัฐแอริโซนาได้หันไปสนใจสาขาที่มีแนวโน้มดีที่เรียกว่า นาโนเทคโนโลยี DNA เพื่อสร้างวัคซีนสังเคราะห์ประเภทใหม่ทั้งหมด

ในการศึกษาวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ในวารสาร Nano Letters นักวิทยาภูมิคุ้มกัน Yung Chang จากสถาบันวิศวกรรมชีวภาพได้ร่วมมือกับเพื่อนร่วมงาน รวมถึงนักเทคโนโลยีนาโน DNA ที่มีชื่อเสียงอย่าง Hao Yan เพื่อสังเคราะห์วัคซีนเชิงซ้อนตัวแรกของโลกที่สามารถนำส่งไปยังไซต์เป้าหมายได้อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพโดยการวางลงบนนาโนโครงสร้าง DNA สามมิติที่ประกอบขึ้นเอง

ชาง ผู้ช่วยศาสตราจารย์จากคณะวิทยาศาสตร์ชีวภาพและนักวิจัยในศูนย์โรคติดเชื้อและวัคซีนที่สถาบันชีววิศวกรรม กล่าวว่า “เมื่อเฮาเสนอแนะว่าเราควรมองดีเอ็นเอไม่ใช่เป็นสารพันธุกรรม แต่เป็นแพลตฟอร์มการทำงาน ฉันมีความคิดที่จะนำแนวทางนี้มาใช้กับภูมิคุ้มกันวิทยา นี่จะเป็นโอกาสดีที่เราจะใช้พาหะของดีเอ็นเอเพื่อสร้างวัคซีนสังเคราะห์”

“คำถามสำคัญคือ ปลอดภัยหรือไม่ เราต้องการสร้างกลุ่มโมเลกุลที่จะกระตุ้นการตอบสนองภูมิคุ้มกันในร่างกายได้อย่างปลอดภัยและทรงพลัง เนื่องจากทีมงานของ Hao ออกแบบโครงสร้างนาโน DNA ต่างๆ มาเป็นเวลาหลายปีแล้ว เราจึงเริ่มร่วมมือกันเพื่อค้นหาการประยุกต์ใช้โครงสร้างเหล่านี้ในทางการแพทย์”

ความพิเศษของวิธีการที่นักวิทยาศาสตร์จากแอริโซนาเสนอคือตัวพาแอนติเจนเป็นโมเลกุลดีเอ็นเอ

ทีมวิจัยสหสาขาวิชาประกอบด้วยนักศึกษาบัณฑิตสาขาชีวเคมีของมหาวิทยาลัยอริโซนาและผู้เขียนคนแรกของบทความ ได้แก่ Xiaowei Liu, ศาสตราจารย์ Yang Xu, อาจารย์สาขาชีวเคมี Yan Liu, นักศึกษาคณะชีววิทยาศาสตร์ Craig Clifford และ Tao Yu นักศึกษาบัณฑิตศึกษาจากมหาวิทยาลัยเสฉวนในประเทศจีน

ชางชี้ให้เห็นว่าการนำวัคซีนมาใช้กันอย่างแพร่หลายได้นำไปสู่ความสำเร็จครั้งสำคัญที่สุดครั้งหนึ่งในด้านสาธารณสุข ศิลปะแห่งการผลิตวัคซีนอาศัยการตัดต่อพันธุกรรมเพื่อสร้างอนุภาคคล้ายไวรัสจากโปรตีนที่กระตุ้นระบบภูมิคุ้มกัน อนุภาคเหล่านี้มีโครงสร้างคล้ายกับไวรัสจริงแต่ไม่มีส่วนประกอบทางพันธุกรรมอันตรายที่ทำให้เกิดโรค

ข้อได้เปรียบสำคัญประการหนึ่งของนาโนเทคโนโลยี DNA ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดรูปร่างไบโอโมเลกุลได้สองหรือสามมิติ คือ ความสามารถในการสร้างโมเลกุลโดยใช้วิธีที่แม่นยำมาก ซึ่งสามารถทำหน้าที่ที่เป็นปกติของโมเลกุลตามธรรมชาติในร่างกายได้

“เราได้ทดลองกับโครงสร้างนาโนของ DNA ที่มีขนาดและรูปร่างต่างกัน และเติมไบโอโมเลกุลลงไปเพื่อดูว่าร่างกายจะตอบสนองอย่างไร” หยาง ผู้อำนวยการภาควิชาเคมีและชีวเคมีและนักวิจัยที่ศูนย์ชีวฟิสิกส์โมเลกุลเดี่ยวแห่งสถาบันชีววิศวกรรมอธิบาย นักวิทยาศาสตร์เรียกวิธีการนี้ว่า “การเลียนแบบชีวภาพ” โดยกลุ่มวัคซีนที่พวกเขาทดสอบจะมีขนาดและรูปร่างใกล้เคียงกับอนุภาคไวรัสตามธรรมชาติ

เพื่อแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการใช้งานได้ของแนวคิดนี้ นักวิจัยได้แนบสเตรปตาติดิน (STV) ซึ่งเป็นโปรตีนกระตุ้นภูมิคุ้มกันและโอลิโกดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ CpG ซึ่งเป็นยากระตุ้นภูมิคุ้มกันเข้ากับโครงสร้าง DNA ที่แตกแขนงเป็นรูปพีระมิดที่แยกจากกัน ซึ่งในที่สุดจะช่วยให้นักวิจัยสามารถผลิตวัคซีนเชิงสังเคราะห์ได้

ก่อนอื่น ทีมงานต้องพิสูจน์ว่าเซลล์เป้าหมายสามารถดูดซับนาโนโครงสร้างได้ โดยการแนบโมเลกุลแท็กที่เปล่งแสงเข้ากับนาโนโครงสร้าง นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถตรวจยืนยันได้ว่านาโนโครงสร้างพบตำแหน่งที่เหมาะสมในเซลล์และคงความเสถียรได้เป็นเวลาหลายชั่วโมง ซึ่งนานพอที่จะกระตุ้นการตอบสนองของภูมิคุ้มกัน

จากนั้นในการทดลองกับหนู นักวิทยาศาสตร์ได้ทำงานเกี่ยวกับการส่งมอบ "ข้อมูล" ของวัคซีนไปยังเซลล์ที่เป็นจุดเชื่อมต่อแรกในห่วงโซ่การตอบสนองภูมิคุ้มกันของร่างกาย โดยประสานการโต้ตอบระหว่างส่วนประกอบต่างๆ เช่น เซลล์นำเสนอแอนติเจน รวมถึงแมคโครฟาจ เซลล์เดนไดรต์ และเซลล์บี เมื่อนาโนโครงสร้างเข้าสู่เซลล์แล้ว นาโนโครงสร้างจะถูก "วิเคราะห์" และ "แสดง" บนพื้นผิวเซลล์เพื่อให้เซลล์ที ซึ่งเป็นเซลล์เม็ดเลือดขาวที่มีบทบาทสำคัญในการกระตุ้นการตอบสนองการป้องกันของร่างกายสามารถจดจำได้ ในทางกลับกัน เซลล์ทีจะช่วยให้เซลล์บีสร้างแอนติบอดีต่อแอนติเจนแปลกปลอม

เพื่อทดสอบตัวแปรทั้งหมดได้อย่างน่าเชื่อถือ นักวิจัยได้ฉีดเซลล์ด้วยทั้งวัคซีนเชิงซ้อนทั้งหมดและแอนติเจน STV เพียงอย่างเดียว รวมถึงแอนติเจน STV ที่ผสมกับตัวเสริม CpG

หลังจากผ่านไป 70 วัน นักวิทยาศาสตร์พบว่าหนูที่ได้รับวัคซีนคอมเพล็กซ์เต็มรูปแบบมีการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันที่แข็งแกร่งกว่าหนูที่ได้รับวัคซีนผสม CpG/STV ถึง 9 เท่า ปฏิกิริยาที่สังเกตเห็นได้ชัดเจนที่สุดเกิดจากโครงสร้างแบบปิรามิด (Tetrahedral) อย่างไรก็ตาม การตอบสนองทางภูมิคุ้มกันต่อคอมเพล็กซ์วัคซีนไม่เพียงแต่ได้รับการยอมรับว่าจำเพาะ (กล่าวคือ ปฏิกิริยาของร่างกายต่อแอนติเจนจำเพาะที่ผู้ทดลองใช้) และมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังได้รับการยอมรับว่าปลอดภัยอีกด้วย ซึ่งได้รับการยืนยันจากการไม่มีปฏิกิริยาทางภูมิคุ้มกันต่อดีเอ็นเอ "ว่างเปล่า" (ที่ไม่มีไบโอโมเลกุล) ที่ถูกนำเข้าไปในเซลล์

ชางกล่าวว่า “เรารู้สึกยินดีเป็นอย่างยิ่ง เป็นเรื่องที่ยอดเยี่ยมมากที่ได้เห็นผลลัพธ์ตามที่เราคาดการณ์ไว้ ซึ่งไม่ค่อยเกิดขึ้นบ่อยนักในทางชีววิทยา”

อนาคตของอุตสาหกรรมยาอยู่ที่ยาที่มุ่งเป้า

ขณะนี้ ทีมวิจัยกำลังพิจารณาถึงศักยภาพของวิธีการใหม่ในการกระตุ้นเซลล์ภูมิคุ้มกันเฉพาะเพื่อกระตุ้นการตอบสนองโดยใช้แพลตฟอร์ม DNA เทคโนโลยีใหม่นี้สามารถนำไปใช้สร้างวัคซีนที่ประกอบด้วยยาที่ออกฤทธิ์หลายชนิด รวมถึงเปลี่ยนเป้าหมายเพื่อควบคุมการตอบสนองของภูมิคุ้มกัน

นอกจากนี้ เทคโนโลยีใหม่ยังมีศักยภาพในการพัฒนาวิธีการใหม่ๆ ของการบำบัดแบบตรงเป้าหมาย โดยเฉพาะการผลิตยา "แบบตรงเป้าหมาย" ที่ส่งไปยังบริเวณต่างๆ ของร่างกายที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ดังนั้นจึงไม่มีผลข้างเคียงอันตราย

สุดท้าย แม้ว่าสาขา DNA จะยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ผลงานทางวิทยาศาสตร์ของนักวิจัยจากรัฐแอริโซนาก็มีความสำคัญในทางปฏิบัติต่อการแพทย์ อิเล็กทรอนิกส์ และสาขาอื่นๆ

ชางและหยางยอมรับว่ายังมีสิ่งที่ต้องเรียนรู้และปรับปรุงอีกมากเกี่ยวกับวิธีการสร้างวัคซีน แต่คุณค่าของการค้นพบนี้ไม่อาจปฏิเสธได้ “ด้วยหลักฐานแนวคิดในมือ ตอนนี้เราสามารถผลิตวัคซีนสังเคราะห์ที่มีแอนติเจนจำนวนไม่จำกัดได้แล้ว” ชางกล่าวสรุป

การสนับสนุนทางการเงินสำหรับการวิจัยนี้ได้รับจากกระทรวงกลาโหมสหรัฐอเมริกาและสถาบันสุขภาพแห่งชาติ

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ]