La vacuna de biomaterial mejora la expansión de los ganglios linfáticos después de la vacunación, lo que aumenta la inmunidad antitumoral

Cada uno de nosotros tiene alrededor de 600 ganglios linfáticos (LN), pequeños órganos con forma de frijol que albergan varios tipos de células sanguíneas y filtran el líquido linfático, repartidos por todo el cuerpo. Muchos de nosotros también hemos experimentado que algunos de nuestros LN se hinchan temporalmente durante infecciones con virus u otros patógenos.

Esta expansión de LN y su posterior contracción también pueden ser el resultado de vacunas inyectadas cerca y, de hecho, se cree que refleja la respuesta inmune a la vacuna en curso. Si bien los investigadores han estudiado la expansión temprana de LN después de la vacunación, no han investigado si la expansión prolongada de LN podría afectar los resultados de la vacuna.

Ahora, por primera vez, investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard, la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard y Genentech, miembro del Grupo Roche, encontraron una manera de mejorar y ampliar la expansión de LN y estudiar cómo este fenómeno afecta tanto al sistema inmunológico como a la eficacia de las vacunas contra los tumores.

La clave de su enfoque fue una formulación de vacuna de biomaterial que permitió una expansión de LN mayor y más persistente que las vacunas de control estándar.

Si bien los LN de gran tamaño mantuvieron una organización tisular normal, mostraron características mecánicas alteradas y albergaron un mayor número de diversos tipos de células inmunes que comúnmente están involucradas en las respuestas inmunes contra patógenos y cánceres. Es importante destacar que el «impulso» de la expansión de los ganglios linfáticos antes de administrar una vacuna tradicional contra un antígeno modelo específico del melanoma condujo a respuestas antitumorales más efectivas y sostenidas en ratones. Los hallazgos son publicado en Ingeniería Biomédica de la Naturaleza.

«Al mejorar la expansión inicial y sostenida de los LN con estructuras de biomateriales, monitorearlos individualmente de forma no invasiva durante largos períodos de tiempo e investigar profundamente su arquitectura tisular y sus poblaciones de células inmunes, correlacionamos estrechamente una expansión persistente de los LN con una inmunidad y una vacunación más sólidas. respuestas», dijo el miembro fundador del cuerpo docente del Instituto Wyss, David Mooney, Ph.D., quien dirigió el estudio.

«Esto abre un nuevo frente de investigación para los inmunólogos y podría tener implicaciones de gran alcance para futuros desarrollos de vacunas». Mooney también es profesor de bioingeniería de la familia Robert P. Pinkas en SEAS y co-investigador principal del Centro de Inmunoingeniería para mejorar la inmunoterapia (i3), coordinado por Wyss.

El equipo de Mooney en el Instituto Wyss y SEAS había desarrollado previamente diferentes andamios de biomateriales como matriz para vacunas contra el cáncer y las infecciones.

Los investigadores han demostrado el potencial de las formulaciones de vacunas de biomateriales para combatir con éxito el crecimiento de tumores en un extenso trabajo realizado en modelos animales preclínicos y en un primer ensayo clínico con pacientes con cáncer. Pero aún no habían investigado cómo sus vacunas y las desarrolladas por otros podrían influir en la respuesta de los LN al drenar el líquido tisular filtrado en los lugares de inyección de la vacuna, y tener un impacto en la organización del tejido de los LN, los diferentes tipos de células y su expresión genética, que a su vez podría afectar la eficacia de la vacuna.

En su nuevo estudio, probaron una formulación de vacuna previamente desarrollada que se basa en varillas de sílice mesoporosa (MPS) a microescala que pueden inyectarse cerca de los tumores y formar una estructura 3D permeable a las células debajo de la piel.

Diseñadas para liberar una citocina que atrae células inmunitarias (GM-CSF), un adyuvante activador de células inmunitarias (CpG) y moléculas de antígeno tumoral, las vacunas MPS son capaces de reprogramar las llamadas células presentadoras de antígenos reclutadas que, al migrar en los LN cercanos, orquestan respuestas inmunes complejas que destruyen las células tumorales. Su nuevo estudio demostró que ese concepto tiene más facetas.

«Resulta que las funciones de estimulación inmunológica de las vacunas MPS básicas cambian activamente el estado de los LN al agrandar persistentemente toda la estructura de sus órganos, así como cambiar la mecánica de sus tejidos y las poblaciones y funciones de las células inmunes», dijo el primer autor Alexander Najibi, Ph.D., quien realizó su doctorado. tesis con Mooney.

Sondeo de LN con ultrasonidos y nanodispositivos

Para comprender la respuesta de los LN a las vacunas MPS a lo largo del tiempo, el equipo aplicó una técnica de imágenes por ultrasonido conocida como ultrasonido de alta frecuencia (HFUS). De manera similar a monitorear un pequeño feto que se desarrolla en el útero de una madre mediante ultrasonido clínico, HFUS, en una escala mucho más pequeña, permite monitorear de forma no invasiva y no destructiva los detalles anatómicos de tejidos y órganos en animales pequeños como los ratones. Utilizando HFUS, el equipo rastreó LN individuales en ratones vacunados con MPS durante 100 días.

Identificaron un período inicial de expansión máxima que duró hasta el día 20, en el que los volúmenes de LN aumentaron aproximadamente siete veces, significativamente más que en los animales que recibieron formulaciones de vacunas tradicionales. Es importante destacar que los LN de los ratones vacunados con MPS, aunque disminuyeron en volumen después de esta expansión máxima, permanecieron significativamente más expandidos que los LN de los ratones vacunados tradicionalmente durante el transcurso de 100 días.

Cuando Najibi y el equipo investigaron las respuestas mecánicas de los LN utilizando un dispositivo de nanoindentación, descubrieron que los LN en animales vacunados con MPS, aunque mantenían una estructura general normal, eran menos rígidos y más viscosos en ciertos lugares. Esto fue acompañado por una reorganización de una proteína que ensambla y controla el citoesqueleto mecánicamente activo de las células.

Curiosamente, el grupo de Mooney había demostrado en un estudio anterior de biomateriales que el cambio de las características mecánicas de los entornos de las células inmunitarias, especialmente su viscoelasticidad, afecta el desarrollo y las funciones de las células inmunitarias.

«Es muy posible que para adaptarse al crecimiento significativo inducido por las vacunas MPS, los LN necesiten volverse más suaves y viscosos, y que esto luego afecte aún más el reclutamiento, la proliferación y la diferenciación de las células inmunes en un proceso de alimentación hacia adelante. «, dijo Najibi.

Del compromiso de las células inmunes a las respuestas a las vacunas

Curiosamente, tras la vacunación con MPS, la cantidad de «células inmunes innatas», incluidos monocitos, neutrófilos, macrófagos y otros tipos de células que construyen la primera ola de defensas inmunes contra patógenos y células no deseadas, alcanzaron su punto máximo primero en las LN en expansión.

Con un retraso alcanzaron su punto máximo las células dendríticas (DC), que normalmente transfieren información en forma de antígenos de patógenos invasores y células cancerosas a «células inmunes adaptativas» que luego lanzan oleadas posteriores de respuestas inmunes altamente específicas contra los invasores productores de antígenos. De hecho, junto con las CD, también los tipos de células T y B del sistema inmunológico adaptativo comenzaron a alcanzar sus cifras más altas.

«Fue fascinante ver cómo los distintos cambios en las poblaciones de células inmunes que detectamos en los LN en expansión en respuesta a la vacuna MPS a lo largo del tiempo recreaban una respuesta inmune típica a patógenos infecciosos», comentó Najibi.

Las células inmunes innatas y las CD también se conocen como «células mieloides», y se sabe que interactúan con el tejido LN durante la expansión temprana. Para definir mejor el impacto de las células mieloides en la expansión de LN, el equipo de Mooney colaboró ​​con el grupo de Shannon Turley, Ph.D., vicepresidenta de Inmunología y Medicina Regenerativa de Genentech y experta en biología de ganglios linfáticos e inmunología tumoral.

«La vacuna MPS provocó extraordinarios cambios estructurales y celulares dentro del ganglio linfático que respaldaron una potente inmunidad antígeno específica», dijo Turley.

Al aislar células mieloides de LN y analizar los perfiles de expresión genética de células individuales (RNA-seq), los grupos pudieron reconstruir distintos cambios en las poblaciones de células mieloides durante la expansión de LN e identificaron distintas poblaciones de DC en LN expandidas de manera duradera cuyos cambios cambiaron. La expresión génica se asoció con la expansión de LN.

Además, los colaboradores descubrieron que la cantidad de monocitos aumentaba 80 veces con la vacunación con MPS (el mayor aumento entre todos los tipos de células mieloides) y señalaron subpoblaciones de «monocitos inflamatorios y presentadores de antígenos» como candidatos prometedores para facilitar la expansión de LN. De hecho, cuando agotaron subpoblaciones específicas de estos tipos de monocitos de la sangre circulante de ratones después de la vacunación, se alteró el mantenimiento de la expansión de LN y el momento de la respuesta de las células T a la vacunación.

Finalmente, el equipo exploró si la expansión de LN podría mejorar la eficacia de la vacunación. «Impulsar» el sistema inmunológico en LN con una vacuna MPS sin antígeno y posteriormente administrar el antígeno en un formato de vacuna tradicional mejoró significativamente la inmunidad antitumoral y prolongó la supervivencia de los ratones portadores de melanoma, en comparación con la vacuna tradicional sola. .

«La preparación de los ganglios linfáticos para vacunaciones posteriores utilizando diversas formulaciones podría ser un logro fácil para futuros desarrollos de vacunas», dijo Mooney.

«Esta nueva capacidad de expandir físicamente los ganglios linfáticos y mejorar sus diversas actividades inmunes durante ciclos de tratamiento más prolongados, utilizando biomateriales inteligentemente diseñados y fáciles de administrar, podría proporcionar un tremendo impulso a las inmunoterapias en pacientes. También es otro gran ejemplo de cómo La mecánica juega un papel clave en la regulación de los sistemas vivos, incluso en las respuestas inmunes donde pocos considerarían que las señales físicas sean importantes», dijo el director fundador de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D.