Back to search

GLOBHELS-Global helse

Development of biodegradable nanobeads as vaccines against tuberculosis.

Awarded: NOK 3.7 mill.

Tuberkulose (TB) forårsakes av Mycobacterium tuberculosis (M.tb) og er et av de største helseproblemene globalt med mer enn 1,3 millioner dødsfall hvert år. Den eneste tilgjengelige vaksinen mot TB, Bacille Calmette Guerin (BCG), som består av levende svekkede bakterier, gir lite beskyttelse mot TB i den voksne befolkningen. Målet med dette prosjektet var å forbedre effektiviteten til BCG-vaksinen ved nanoteknologisk modifisering av levende BCG bakterier med stoffer som stimulere immunsystemet (immunstimulerende stoffer), enten som nanometer tykke lag direkte på overflaten til levende BCG eller i form av separate partikler i nanometer størrelse (nanopartikler). Opp til fire lag av de immunstimulerende stoffene kitosan og poly(I: C) ble lagt på overflaten til BCG-bakterien uten å påvirke deres levedyktighet. Poly(I:C) stimulerer en såkalt cellulær immunrespons, som spiller en viktig rolle i å beskytte mot M.tb infeksjon. Disse poly(I:C)-belagte BCG-bakterier stimulerte en markant forsterket immunrespons i makrofager, som er en viktig celletype involvert i bekjempelse av en M.tb infeksjon, og gjorde dem i stand til å drepe BCG bakteriene. Immunresponsen på BCG ble bemerkelsesverdig bare forsterket av overflatebelagt poly(I:C), men ikke av den løselige formen. Dette indikerer at overflatebelegging av BCG-vaksine med immunstimulerende stoffer kan være et verdifullt verktøy for å øke vaksinens evne til å stimulere immunresponser som har stor betydning i å danne beskyttelse mot tuberkulose. Vi har i tillegg utviklet nanopartikler bestående av de samme stoffene som viser samme evne til å forsterke immunrespons på BCG vaksinen. Dette evne er basert på en hittil ubeskrevet potent synergistisk interaksjon mellom reseptorer og signalveier som blir aktivert av BCG og av poly(I:C) i form av nanopartikler. Resultatene gir dermed en lovende plattform for å teste disse nye nanopartikler i fremtidige vaksinestudier i mus. Disse oppdagelser har videre ført til et samarbeid med andre grupper med målet å utforske nanopartikelens potensialet i immunterapi mot kreft og i vaksinering mot virus sykdommer i oppdrettsfisk. Forskningsgruppen til Alexandre Corthay ved Oslo universitetssykehus undersøker bruken av en kombinasjon med disse nanopartiklene og andre immunstimulerende stoffer i immunterapi mot kreft. Høy tetthet av makrofager i kreftsvulster fører generelt til en dårlig prognose for mange krefttyper. Blir derimot en inflammatorisk reaksjon utløst i disse makrofagene, kan disse få evnen til å angripe og drepe kreftceller. Kombinasjonen av våre nanopartikler og andre aktiverende stoffer er dermed en lovende tilnærming for behandling av kreftsvulster med dårlig prognose. Våre nanopartikler sammen med virus antigener har videre vist seg å være et effektivt vaksinepreparat mot viral hemoragisk septikemi (VHS), en virussykdom i laks og ørret. Ved bruk av sebrafisk som en infeksjonsmodell kunne forskningsgruppen til Prof. Tor Gjøen ved farmasøytisk institutt, UiO, vise at dette vaksinepreparatet kan gi høy grad av beskyttelse mot VHS virus infeksjon. Ved hjelp av en veletablert modell for tuberkulose i sebrafisk, har vi videre studert samspillet mellom tuberkuloselignende mykobakterier (i dette tilfellet M. marinum) og slimhinner, spesielt mage-tarmkanalen i sebrafisk, som er ansett som den viktigste inngangsporten for M. marinum. Vi har oppdaget at M. marinum utnytter opptaksprosessen i spesialiserte enterocytter, også kalt ?antigen sampling cells?, for å krysse over mage-tarmkanalen og for å spre seg gjemt inn i immunceller til lever og milt i løpet av noen få timer. Lignende raskt opptak og transport ble også observert for forskjellige nanopartikler. Studien gi oss dermed mer innsikt i de prosessene og mekanismene som er involvert i mykobakterieinfeksjon over slimhinnebarrierer og hvordan disse kan bli utnyttet for å utvikle nanopartikel-baserte vaksiner. Prosjektens resultater viser at våre nanopartikel-baserte formuleringer er en ny og lovende metode for å forbedre TB-vaksinen og for å utvikle vaksiner mot virus infeksjonssykdommer i fisk, som har utsikt for videre utvikling til kommersielle produkter. Det kraftige synergiske samspillet mellom nanopartikler og BCG i aktiveringen av immunceller, som ble oppdaget i dette prosjektet, kan videre være et lovende utgangspunkt for å utvikle immunsystem-basert behandlinger mot kreftsvulster med dårlig prognose.

One third of the world's population is infected with Mycobacterium tuberculosis (M.tb) and two million die annually of tuberculosis (TB). The standard therapy, using antibiotics, is increasingly ineffective due to multi-drug resistance. The only available , 80 year-old vaccine using M.bovis BCG has little therapeutic value, and no other vaccines have reached the market, despite enormous efforts. Here, we propose to develop technology to encapsulate whole mycobacteria inside biodegradable nano/microbeads to facilitate delivery of intact live or killed bacteria to vertebrate antigen-presenting cells (APC) to initiate the immune response. The Oslo nano-bead group of Nystrom will investigate different polymer materials that can encapsulate live and killed myco bacteria, focusing on the fish TB bacterium M.marinum, BCG and the mouse/human pathogen M.avium and Mycobacterium w, a promising anti-tuberculous vaccine candidate. The Oslo cell microbiology group of Griffiths has established a system using GFP-M.marinum lethal infection of transparent zebrafish. After first experiments with BCG- and M.avium-beads in macrophages in vitro we will search for the most effective GFP-bacteria-enclosing beads that when injected or fed to zebrafish cross mucosal barriers and in duce protection against subsequent infection with M.marinum. This rapid fish screening system will narrow down the promising polymer candidates/conditions for testing beads enclosing M.avium, Mw and later virulent M.tb, for their vaccine potential in mic e and guinea pigs against subsequent challenge with these pathogens by Verma and Khuller in India. Different oral, intra-nasal and subcutaneous vacination routes will be tested. A crucial advantage of nanobeads over freely-administered immunogens is thei r established ability to cross mucosal barriers intact. Our strategy ensures that the first location where mycobacteria become exposed to antigen digestion/ presentation systems is in the phago-lysosomes of APC's.

Publications from Cristin

No publications found

No publications found

No publications found

No publications found

Funding scheme:

GLOBHELS-Global helse