DNA-origami exakt mätverktyg för antikroppars effektivitet
Genom att använda DNA-origami, DNA-baserad design av exakta nanostrukturer, har forskare vid Karolinska Institutet i samarbete med forskare vid Universitetet i Oslo kunnat visa det bästa exakta avståndet mellan tätt packade antigener för att få den starkaste bindningen till antikroppar i immunförsvaret. Studien, som publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature Nanotechnology, kan ha betydelse för vaccinutveckling och immunterapi vid cancer.
Vaccin verkar genom att träna immunförsvaret med ofarliga blandningar av så kallade antigener (ett kroppsfrämmande ämne som framkallar en reaktion hos immunförsvaret) från till exempel ett virus. När kroppen sedan utsätts för viruset, så känner immunförsvaret redan igen antigenerna som viruset har och kan effektivt sätta stopp för en infektion.
Idag innefattar många nya vaccin en så kallad partikeldisplay, vilket innebär att antigenerna tillförs kroppen/visas upp för immunförsvaret i form av partiklar med massor av antigener tätt packade på ytan. Partikeldisplay av antigener fungerar i vissa fall bättre som vaccin än att bara ge fria antigener och ett exempel är HPV-vaccinet, som skyddar mot livmoderhalscancer.
Antikroppar, eller immunglobulin, den kanske viktigaste delen av kroppens försvar mot infektioner, binder antigener mycket effektivt. Antikropparna har en Y-formad struktur där varje ”arm” kan binda en antigen. På så sätt kan varje antikroppsmolekyl vanligtvis binda två antigenmolekyler.
Kunde mäta exakta avstånd för bäst bindning
I den aktuella studien undersökte forskarna hur nära och hur långt ifrån varandra som antigenerna kan sitta packade utan att kraftigt påverka förmågan för en antikropp att binda båda molekylerna på en gång.
– Vi har för första gången lyckats mäta exakt vilka avstånd mellan antigener som leder till bäst bindning av olika antikroppars båda armar samtidigt. Avstånd på ungefär 16 nanometer ger starkast bindning, säger Björn Högberg, professor vid institutionen för medicinsk biokemi och biofysik, Karolinska Institutet, som lett studien.
Studien visar också att immunglobulin M (IgM), den antikropp som först är inblandad vid en infektion, har ett betydligt större omfång, alltså förmåga att binda två antigener, än vad man tidigare trott. IgM har också avsevärt större omfång än de IgG-antikroppar som produceras i ett senare skede av en infektion.
DNA-origami en relativt ny teknik
Tekniken forskarna använt bygger på så kallad DNA-origami, en relativt ny teknik, som funnits sedan 2006, där exakta nanostrukturer kan designas med hjälp av DNA. Men det är inte förrän på senare år som forskarna har lärt sig använda tekniken inom biologisk forskning. Och tillämpningen som användes i studien är nyutvecklad.
– Genom att sätta antigener på dessa DNA-origami-strukturer kan vi tillverka ytor med precisa avstånd mellan antigenerna och därefter mäta hur olika typer av antikroppar binder till dessa. Nu kan vi mäta exakt hur antikroppar interagerar med flera antigener på ett sätt som tidigare varit omöjligt, säger Björn Högberg.
Resultaten kan komma att användas för att bättre förstå immunförsvarets respons, till exempel varför B-lymfocyter, en typ av vita blodkroppar, så effektivt aktiveras vid partikeldisplay-vacciner, samt för att designa bättre antikroppar för immunterapi vid till exempel cancer.
Viktiga insikter för skräddarsydd behandling
Forskningen har bedrivits i tätt samarbete med laboratoriet for Adaptiv immunitet och homeostas som leds av Jan Terje Andersen, vid Universitetet i Oslo och Oslo Universitetssykehus.
– Vi studerar sambandet mellan antikroppars struktur och funktion. Sådan insikt är viktig för hur vi ska designa nästa generation av vaccin och antikroppar för skräddarsydd behandling av allvarliga sjukdomar. Vi har länge letat efter nya metoder som kan hjälpa oss att få detaljerad inblick i hur olika antikroppar binder till antigenerna. Samarbetet med Björn Högberg har öppnat helt nya dörrar, säger Jan Terje Andersen.
Studien finansierades av Vetenskapsrådet, Stiftelsen för strategisk forskning, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, StratRegen/Karolinska Institutet och Forskningsrådet i Norge.
Publikation
”Binding to Nanopatterned Antigens is Dominated by the Spatial Tolerance of Antibodies”
Alan Shaw, Ian T Hoffecker, Ioanna Smyrlaki, Joao Rosa, Algridas Grevys, Diane Bratlie, Inger Sandlie, Terje Enar Michaelsen, Jan Terje Andersen och Björn Högberg.
Nature Nanotechnology, online 14 januari 2019, doi: 10.1038/s41565-018-0336-3