Investigadores del Instituto Internacional de Nanotecnología (IIN) de la Universidad Northwestern han desarrollado una nueva forma de aumentar significativamente la potencia de casi cualquier vacuna. Los científicos utilizaron la química y la nanotecnología para cambiar la ubicación estructural de los adyuvantes y los antígenos en y dentro de una vacuna a nanoescala, lo que aumenta enormemente el rendimiento de la vacuna. El antígeno se dirige al sistema inmunitario, y el adyuvante es un estimulador que aumenta la eficacia del antígeno.

Los científicos utilizaron la química y la nanotecnología para cambiar la ubicación estructural de los adyuvantes y los antígenos en y dentro de una vacuna a nanoescala, lo que aumentó enormemente el rendimiento de la vacuna. El antígeno se dirige al sistema inmunitario, y el adyuvante es un estimulador que aumenta la eficacia del antígeno.

El estudio se publica en Nature Biomedical Engineering.  

"El trabajo demuestra que la estructura de la vacuna, y no sólo sus componentes, es un factor crítico para determinar su eficacia", afirma el investigador principal Chad A. Mirkin, director del IIN. "Dónde y cómo colocamos los antígenos y el adyuvante dentro de una misma arquitectura cambia notablemente la forma en que el sistema inmunitario la reconoce y procesa". 

Mirkin también es catedrático de Química George B. Rathmann en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg y profesor de Medicina en la Facultad de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern. 

Este nuevo énfasis en la estructura tiene el potencial de mejorar la eficacia de las vacunas convencionales contra el cáncer, que históricamente no han funcionado bien, dijo Mirkin.

Hasta la fecha, el equipo de Mirkin ha estudiado el efecto de la estructura de las vacunas en el contexto de siete tipos distintos de cáncer, entre ellos el cáncer de mama triple negativo, el cáncer de cuello de útero inducido por el papilomavirus, el melanoma, el cáncer de colon y el cáncer de próstata, con el fin de determinar la arquitectura más eficaz para tratar cada enfermedad.  

Las vacunas convencionales adoptan un enfoque mixto  

En la mayoría de las vacunas convencionales, el antígeno y el adyuvante se mezclan y se inyectan al paciente. No hay control sobre la estructura de la vacuna y, en consecuencia, el control sobre el tráfico y el procesamiento de los componentes de la vacuna es limitado. Por lo tanto, no hay control sobre la eficacia de la vacuna. 

"Uno de los problemas de las vacunas convencionales es que, de esa mezcla, una célula inmunitaria puede captar 50 antígenos y un adyuvante, o un antígeno y 50 adyuvantes", explica Michelle Teplensky, autora del estudio y antigua asociada postdoctoral de Northwestern, que ahora es profesora adjunta en la Universidad de Boston. "Pero debe haber una proporción óptima de cada uno que maximice la eficacia de la vacuna".

Los SNA (ácidos nucleicos esféricos) son la plataforma estructural -inventada y desarrollada por Mirkin- utilizada en esta nueva clase de vacunas modulares. Los SNA permiten a los científicos determinar exactamente cuántos antígenos y adyuvantes se administran a las células. Las SNA también permiten a los científicos adaptar la forma en que se presentan estos componentes de la vacuna y la velocidad a la que se procesan. Estas consideraciones estructurales, que influyen enormemente en la eficacia de las vacunas, se ignoran en gran medida en los enfoques convencionales. 

Las vacunas desarrolladas mediante "vacunología racional" ofrecen una dosificación precisa para lograr la máxima eficacia 

Este enfoque para controlar sistemáticamente la ubicación de antígenos y adyuvantes en arquitecturas modulares de vacunas fue creado por Mirkin, que acuñó el término vacunología racional para describirlo. Se basa en el concepto de que la presentación estructural de los componentes de la vacuna es tan importante como los propios componentes a la hora de impulsar la eficacia.  

"Las vacunas desarrolladas mediante vacunología racional administran la dosis precisa de antígeno y adyuvante a cada célula inmunitaria, de modo que todas estén igualmente preparadas para atacar a las células cancerosas", explica Mirkin, que también es miembro del Centro Oncológico Robert H. Lurie de la Universidad Northwestern. Si sus células inmunitarias son soldados, una vacuna tradicional deja desarmadas a algunas; nuestra vacuna las arma a todas con una potente arma con la que acabar con el cáncer". ¿Qué 'soldados' de las células inmunitarias quiere usted que ataquen a sus células cancerosas?". preguntó Mirkin retóricamente.  

Construir una vacuna (aún) mejor 

El equipo desarrolló una vacuna contra el cáncer que duplicaba el número de células T específicas de antígenos cancerígenos y aumentaba la activación de estas células en un 30% reconfigurando la arquitectura de la vacuna para que contuviera múltiples dianas que ayudaran al sistema inmunitario a encontrar las células tumorales. 

El equipo investigó las diferencias en el reconocimiento de dos antígenos por el sistema inmunitario en función de su ubicación -en el núcleo o en el perímetro- de la estructura de la SNA. En el caso de un SNA con una colocación óptima, pudieron aumentar la respuesta inmunitaria y la rapidez con la que la nanovacuna desencadenaba la producción de citoquinas (una proteína de las células inmunitarias) para impulsar a las células T a atacar a las células cancerosas. Los científicos también estudiaron cómo afectaban las distintas colocaciones a la capacidad del sistema inmunitario para recordar al invasor, y si el recuerdo era a largo plazo. 

Dónde y cómo colocamos los antígenos y el adyuvante dentro de una misma arquitectura cambia notablemente la forma en que el sistema inmunitario la reconoce y procesa", afirma Mirkin.

La estructura más potente lanza dos golpes para burlar al astuto tumor mutante 

Los datos del estudio demuestran que la unión de dos antígenos diferentes a una SNA con una cubierta de adyuvante fue el enfoque más potente para una estructura de vacuna contra el cáncer. Se produjo un aumento del 30% en la activación de células T antígeno-específicas y se duplicó el número de células T proliferantes en comparación con una estructura en la que los mismos dos antígenos estaban unidos a dos SNA separados.  

Estas nanoestructuras de SNA de ingeniería detuvieron el crecimiento tumoral en múltiples modelos animales. 

"Es sorprendente", afirma Mirkin. "Al alterar la colocación de los antígenos en dos vacunas que son casi idénticas desde el punto de vista de la composición, el beneficio del tratamiento contra los tumores cambia drásticamente. Una vacuna es potente y útil, mientras que la otra es mucho menos eficaz". 

Muchas vacunas actuales contra el cáncer están diseñadas para activar principalmente los linfocitos T citotóxicos, que son sólo una de las defensas contra una célula cancerosa. Como las células tumorales están siempre mutando, pueden escapar fácilmente a esta vigilancia de las células inmunitarias, con lo que la vacuna pierde rápidamente su eficacia. Las probabilidades de que la célula T reconozca una célula cancerosa mutante son mayores si tiene más formas -múltiples antígenos- de reconocerla.  

"Se necesita más de un tipo de célula T activada para poder atacar más fácilmente a una célula tumoral", explica Teplensky. "Cuantos más tipos de células tenga el sistema inmunitario para ir a por los tumores, mejor". Las vacunas compuestas por múltiples antígenos dirigidos a múltiples tipos de células inmunitarias son necesarias para inducir una remisión tumoral mejorada y duradera." 

Otra ventaja del enfoque de la vacunología racional, especialmente cuando se utiliza con una nanoestructura como una SNA, es que resulta fácil alterar la estructura de una vacuna para que se dirija a un tipo diferente de enfermedad. Según Mirkin, basta con cambiar un péptido, un fragmento de una proteína cancerígena con un asa química que se "engancha" a la estructura, como si se añadiera un nuevo colgante a una pulsera.  

El camino hacia la vacuna más eficaz contra cualquier tipo de cáncer

"La importancia colectiva de este trabajo es que sienta las bases para desarrollar las formas más eficaces de vacuna para casi cualquier tipo de cáncer", afirma Teplensky. "Se trata de redefinir cómo desarrollamos vacunas en todos los ámbitos, incluidas las destinadas a enfermedades infecciosas".

En un artículo publicado anteriormente, Mirkin, Teplensky y sus colegas demostraron la importancia de la estructura de la vacuna COVID-19 creando vacunas que presentaban inmunidad protectora en el 100% de los animales contra una infección vírica letal. 

"Pequeños cambios en la colocación del antígeno en una vacuna elevan significativamente la comunicación célula a célula, la comunicación cruzada y la sinergia celular", afirmó Mirkin. "Los avances logrados en este trabajo proporcionan una vía para replantear el diseño de vacunas contra el cáncer y otras enfermedades en su conjunto".  

El doctorando de Northwestern Michael Evangelopoulos también es autor del trabajo, titulado "Multi-Antigen Spherical Nucleic Acid Cancer Vaccines".  

El IIN, fundado en 2000 como organización paraguas para aglutinar y fomentar los esfuerzos en nanotecnología, representa y aúna más de mil millones de dólares en investigación nanotecnológica, programas educativos e infraestructuras de apoyo. 

Este estudio se basa en trabajos financiados por el Instituto Polsky de Cáncer Urológico del Centro Oncológico Robert H. Lurie de la Universidad Northwestern en el Northwestern Memorial Hospital, Edward Bachrach y el Instituto Nacional del Cáncer de los Institutos Nacionales de la Salud (R01CA208783, R01CA257926 y P50CA221747). Teplensky también recibió apoyo del Premio del Programa de Formación en Nanotecnología del Cáncer de la Universidad Northwestern (T32CA186897). Evangelopoulos recibió apoyo parcial de la Beca Dr. John N. Nicholson y de la Fundación de Beneficencia Pública Alexander S. Onassis. 

Fuente: Universidad Northwestern