Инженерные бактерии доставляют противовирусные средства и вакцины
Новое исследование Университета Цинциннати показывает, как специально сконструированные бактерии, принимаемые перорально, могут служить системой доставки противовирусных терапий и вакцин. Исследование под руководством Налиниканта Котагири, Ph.D., опубликовано в журнале Gut Microbes.
Лаборатория Котагири занимается разработкой пробиотических бактерий для выполнения различных функций, от преодоления защиты рака до визуализации и диагностики легочных инфекций.
Несколько лет назад команда задалась вопросом, может ли та же платформа на основе бактерии E.coli Nissle 1917 доставлять противовирусные агенты или вакцинные антигены непосредственно в кишечник — важные ворота для проникновения вирусов. Для подтверждения концепции команда сосредоточилась на вирусе COVID-19, SARS-CoV-2.
«Пероральная доставка позволяет нам нацеливаться на слизистые поверхности, где патогены впервые закрепляются, избегая игл и логистики холодовой цепи», — сказал Котагири.
Платформа для вакцины
Большинство инженерных бактерий удерживают терапевтический груз внутри клетки, но вакцины работают лучше, когда антигены представляются иммунной системе. Команда UC разместила вирусные белки на поверхности бактерии и использовала внешнемембранные везикулы (OMVs) — наноразмерные сферы, которые бактерии естественным образом высвобождают — в качестве самодвижущихся средств доставки. Попадая в кровоток, OMVs распределяют свой груз по отдаленным тканям.
Нитин С. Камбл, Ph.D., систематически подбирал якорные мотивы и экспрессионные кассеты для оптимизации плотности антигенов на поверхности пробиотика. Для вакцинной версии бактерии были спроектированы для экспрессии спайк-белка, находящегося на поверхности вируса COVID-19. Этот же белок доставляется с помощью мРНК-вакцин.
Текущие вакцины обеспечивают системный иммунитет, когда антитела циркулируют по всему телу с кровотоком. Но существуют «ворота» в организме (слизистая ЖКТ, легких), где вирусы обычно проникают, и их можно атаковать для обеспечения мукозального иммунитета.
В доклинических исследованиях на животных двухдозовый пероральный режим генерировал уровни антител в крови, сопоставимые с внутримышечной мРНК-вакцинацией. При этом он производил значительно более высокие уровни секреторного иммуноглобулина A (IgA) в кишечнике и дыхательных путях — антител, лежащих в основе мукозального иммунитета, критически важного для блокировки инфекции в точке входа.
Платформа для терапии
В то время как вакцины вводятся до заражения, противовирусные терапии, такие как моноклональные антитела, применяются после инфицирования.
Команда разработала другую версию E.coli Nissle 1917 для экспрессии терапевтических белков на поверхности. Для постконтактной терапии они закодировали нанотела против спайк-белка — антитела, размер которых в десять раз меньше обычных моноклональных антител.
Хотя полные исследования с вирусным заражением еще предстоят, нанотела, высвобождаемые из инженерных бактерий, достигали кровотока (вероятно, с помощью OMVs) и накапливались в легочной ткани, где нейтрализовали SARS-CoV-2 в экс-виво тестах.
«Уникальный аспект этого подхода — использование OMVs в качестве естественных "почтальонов", эффективно упаковывающих и доставляющих терапевтические молекулы к целевым тканям», — сказал Камбл.
Текущие внутривенные инфузии доставляют большее количество моноклональных антител, но поскольку пробиотик может находиться в кишечнике дни или недели, он предлагает самовозобновляемый и устойчивый депо противовирусных молекул.
Следующие шаги
После оптимизации бактерий для этой цели Котагири видит возможность быстрой адаптации платформы для разработки пероральных вакцин и терапий против распространенных вирусов, таких как грипп и норовирус.
«Вся эта оптимизация была необходима, чтобы доказать, что это платформа, которую мы можем развивать», — сказал он. «Если у вас есть нанотело или антигены против вируса, мы можем встроить их в нашу конструкцию».
Клинические испытания подтвердят безопасность и эффективность этой системы доставки для новых инженерных бактерий, нацеленных на другие вирусы. Пока что сконструированные бактерии оказались безопасными и не вызывали нежелательных иммунных реакций или побочных эффектов в моделях животных. Более того, родительский штамм бактерий имеет десятилетия безопасного использования в качестве пробиотика.
«В будущем, возможно, мы сможем интегрировать оба агента, чтобы одна бактерия содержала и вакцинный, и терапевтический нанотельный компоненты», — сказал он. «Но общий знаменатель — бактерия, которая обладает универсальностью для осуществления как вакцинации, так и терапии, перорально».