L'ingrédient central des vaccins thérapeutiques contre le cancer sont les antigènes, qui sont produits de préférence ou nouvellement produits (néoantigènes) par les cellules tumorales et permettent au système immunitaire d'un patient de rechercher et de détruire les cellules cancéreuses.

Dans la plupart des cas, ces antigènes ne peuvent pas agir seuls et ont besoin de l’aide de molécules adjuvantes qui déclenchent un signal d’alarme général dans les cellules immunitaires appelées cellules présentatrices d’antigènes (APC). Les APC internalisent à la fois les molécules d’antigène et d’adjuvant et présentent les antigènes à différents types de cellules T. Ces cellules T lancent alors une attaque immédiate contre la tumeur ou préservent une mémoire plus durable de la tumeur pour une défense future.

L'efficacité d'un vaccin contre le cancer dépend du niveau et de la durée de « l'alarme » que ses adjuvants peuvent déclencher dans les APC. Auparavant, les chercheurs ont découvert que l'administration simultanée de molécules d'adjuvant et d'antigène aux APC à l'aide de nanostructures telles que l'origami d'ADN pouvait augmenter l'activation de l'APC. Cependant, aucune de ces approches n'a étudié systématiquement comment le nombre et la disposition à l'échelle nanométrique des molécules d'adjuvant affectent l'immunité dirigée contre la tumeur en aval.

Aujourd'hui, une équipe de recherche du Wyss Institute de l'Université Harvard, du Dana-Farber Cancer Institute (DFCI), de la Harvard Medical School (HMS) et du Korea Institute of Science and Technology (KIST) a créé une plateforme d'origami à ADN appelée DoriVac, dont le noyau Le composant est une nanostructure en forme de bloc carré à auto-assemblage.

Sur une face du bloc carré, un nombre défini de molécules d'adjuvant peuvent être attachées selon des motifs nanoprécis et hautement réglables, tandis que la face opposée peut se lier aux antigènes tumoraux. L'étude a révélé que les molécules d'un adjuvant connu sous le nom de CpG, espacées d'exactement 3,5 nanomètres les unes des autres, entraînaient la stimulation la plus bénéfique des APC, induisant un profil hautement souhaitable de cellules T, y compris celles qui tuent les cellules cancéreuses (cellules T cytotoxiques). ceux qui provoquent une inflammation bénéfique (cellules T polarisées Th-1) et ceux qui assurent une mémoire immunitaire à long terme de la tumeur (cellules T mémoire).

Les vaccins DoriVac ont permis aux souris porteuses de tumeurs de mieux contrôler la croissance des tumeurs et de survivre beaucoup plus longtemps que les souris témoins. Il est important de noter que les effets de DoriVac ont également été en synergie avec ceux des inhibiteurs de points de contrôle immunitaires, qui constituent une immunothérapie très efficace et déjà largement utilisée en clinique. Les résultats sont publiés dans Nature Nanotechnology .

"La technologie du vaccin origami ADN de DoriVac fusionne différentes capacités nanotechnologiques que nous avons développées au fil des années avec une connaissance toujours plus approfondie des processus immunitaires supprimant le cancer", a déclaré William Shih, Ph.D., membre du corps professoral du Wyss Core, qui a dirigé l'équipe du Wyss Institute. avec le premier auteur Yang (Claire) Zeng, M.D., Ph.D..

"Nous envisageons qu'à l'avenir, les antigènes identifiés chez les patients atteints de différents types de tumeurs pourraient être rapidement chargés sur des origami d'ADN préfabriqués et contenant des adjuvants pour permettre des vaccins anticancéreux personnalisés très efficaces qui peuvent être associés à des inhibiteurs de points de contrôle approuvés par la FDA dans des thérapies combinées. "

Shih est également professeur au département de biologie du cancer du HMS et du DFCI et, comme certains des autres auteurs, membre du centre interinstitutionnel « Immuno-ingénierie pour améliorer l'immunothérapie » (i3) basé au Wyss.

Justification de l'origami ADN

L'adjuvant CpG est un brin synthétique d'ADN composé de motifs nucléotidiques CpG répétés qui imitent le matériel génétique d'agents pathogènes bactériens et viraux envahissant les cellules immunitaires. Comme leurs homologues naturels, les adjuvants CpG se lient à un « récepteur de danger » appelé TLR9 dans les cellules immunitaires, ce qui induit à son tour une réponse immunitaire inflammatoire (innée) qui fonctionne de concert avec la réponse immunitaire (adaptative) induite par l'antigène.

"Nous savions grâce à des travaux antérieurs que pour déclencher de fortes réponses inflammatoires, les récepteurs TLR9 devaient se dimériser et s'agréger en complexes multimériques se liant à plusieurs molécules CpG. Les distances à l'échelle nanométrique entre les domaines de liaison CpG dans les assemblages TLR9 efficaces révélées par l'analyse structurelle tombaient directement dans le gamme de ce que nous avons supposé que nous pourrions refléter avec des structures d'origami d'ADN présentant des molécules CpG précisément espacées », a expliqué Zeng, qui était instructeur en médecine au moment de l'étude et est maintenant scientifique principal au DFCI et à la Harvard Medical School (HMS).

En plus de Shih, Zeng a également été encadré sur le projet par les auteurs principaux Ju Hee Ryu, Ph.D., chercheur principal au KIST, et David Mooney, Ph.D., membre fondateur du corps professoral de Wyss, qui est également professeur à Harvard. John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), et l'un des chercheurs principaux du centre i3.

Zeng et l'équipe ont fabriqué des vaccins DoriVac dans lesquels différents nombres de brins CpG étaient espacés de 2,5, 3,5, 5 ou 7 nanomètres les uns des autres sur une face du bloc carré, et un antigène modèle était attaché à la face opposée. Ils ont protégé leurs structures contre la dégradation du corps en utilisant une méthode de modification chimique que le groupe de Shih avait développée plus tôt.

Lorsqu'ils sont internalisés par différents types d'APC, y compris les cellules dendritiques (DC), qui orchestrent les réponses des lymphocytes T dirigées vers la tumeur, les vaccins DoriVac ont amélioré l'absorption des antigènes par rapport aux contrôles constitués de molécules d'antigènes libres.

Un espacement CpG de 3,5 nanomètres a produit les réponses les plus fortes et les plus bénéfiques dans les APC, et a largement surpassé un vaccin témoin contenant uniquement des molécules CpG libres.

"Nous étions ravis de constater que le vaccin DoriVac induisait préférentiellement un état d'activation immunitaire qui soutient l'immunité anti-tumorale, ce que les chercheurs souhaitent généralement voir dans un bon vaccin", a déclaré Zeng.

Outre l’espacement, le nombre de molécules CpG dans les vaccins DoriVac était également important. L’équipe a testé des vaccins contenant entre 12 et 63 molécules CpG espacées de manière optimale et a constaté que 18 molécules CpG fournissaient la meilleure activation de l’APC. Cela signifie que leur approche peut également aider à limiter le dosage des molécules CpG et ainsi minimiser les effets secondaires toxiques couramment observés avec les adjuvants.

Gagné en traduction (tumeur)

Il est important de noter que ces tendances in vitro se sont traduites par des modèles de tumeurs de souris in vivo. Lorsqu'ils sont injectés à titre prophylactique sous la peau de souris, les vaccins DoriVac s'accumulent dans les ganglions lymphatiques les plus proches où ils stimulent les CD.

Un vaccin chargé d’un antigène du mélanome a empêché la croissance de cellules de mélanome agressives injectées ultérieurement. Alors que tous les animaux témoins avaient succombé au cancer au jour 42 de l'expérience, les animaux protégés par DoriVac étaient tous vivants.

Les vaccins DoriVac ont également inhibé la croissance tumorale chez les souris chez lesquelles la formation de tumeurs de mélanome était déjà en cours, avec un espacement de 3,5 nanomètres de 18 molécules CpG fournissant à nouveau des effets maximaux sur les cellules DC et T, et la plus forte réduction de la croissance tumorale.

Ensuite, l'équipe a demandé si les vaccins DoriVac pourraient également stimuler les réponses immunitaires produites par de petits « néoantigènes » apparaissant dans les tumeurs du mélanome.

Les néoantigènes sont des cibles idéales car ils sont exclusivement fabriqués par les cellules tumorales. Cependant, ils ne sont souvent pas eux-mêmes très immunogènes, ce qui fait des adjuvants très efficaces un composant important des vaccins néoantigéniques. Un vaccin DoriVac personnalisé avec quatre néoantigènes a permis aux chercheurs de supprimer de manière significative la croissance de la tumeur chez les souris produisant les néoantigènes.

Enfin, les chercheurs ont demandé si DoriVac pouvait créer une synergie avec la thérapie par points de contrôle immunitaire, qui réactive les cellules T inhibées dans les tumeurs.

Chez la souris, les deux thérapies combinées ont entraîné une régression totale des tumeurs du mélanome et ont empêché leur croissance lorsque les animaux ont été à nouveau exposés aux mêmes cellules tumorales quatre mois plus tard. Les animaux avaient construit une mémoire immunitaire de la tumeur. L'équipe a obtenu une efficacité de vaccination similaire dans un modèle de lymphome murin.

"Nous pensons que la valeur de DoriVac pour déterminer un point idéal dans l'administration d'adjuvant et améliorer l'administration et les effets des antigènes couplés peut ouvrir la voie à des vaccins cliniques contre le cancer plus efficaces destinés à être utilisés chez les patients atteints de divers cancers", a déclaré Zeng.>

L'équipe est actuellement en train de traduire la plateforme DoriVac vers son application clinique, qui est étayée par l'évaluation de l'étude sur la distribution des vaccins et les anticorps dirigés contre les vaccins chez la souris, ainsi que les cytokines produites par les cellules immunitaires en réponse aux vaccins in vivo.

« La plateforme DoriVac est notre premier exemple de la façon dont notre recherche de ce que nous appelons la robotique moléculaire (des molécules synthétiques bioinspirées qui ont une forme et une fonction programmables) peut conduire à des thérapies entièrement nouvelles et puissantes. Cette technologie ouvre une toute nouvelle voie pour le développement de vaccins de conception. avec des propriétés adaptées pour répondre à des défis cliniques spécifiques. Nous espérons voir sa traduction rapide en clinique », a déclaré le directeur fondateur du Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D.