Hacking af HIV

En eftermiddag i maj i 2008 aflagde Bruce Walker og Terry Ragon ’71 et rekrutteringsbesøg på MIT. Walker er en Harvard Medical School-læge, som har studeret HIV i tre årtier; Ragon, grundlæggeren og administrerende direktør for et softwarefirma kaldet InterSystems, var ved at finansiere et nyt $100 millioner forskningsinstitut til at udvikle HIV-vacciner, med Walker i spidsen.

Bruce Walker (til venstre) og Terry Ragon ’71 leder Ragon Institute på en søgen efter at udvikle en vaccine til at forhindre HIV.

Omkring 20 MIT-fakultetsmedlemmer kom for at høre Walker og Ragons pitch for at få hjælp til deres projekt. En af dem var Arup Chakraborty, en professor i kemiteknik, som var fascineret af missionen for det, der ville blive kendt som Ragon Institute. Han havde arbejdet med immunologi i næsten et årti, men han havde aldrig dykket ned i hiv-forskning, som havde været et øområde. Desuden vidste jeg ikke, hvad jeg overhovedet kunne bidrage med, husker Chakraborty.

Efter adskillige brainstormsessioner troede Walker, at Chakraborty måske var i stand til at komme til bunds i noget, der havde irriteret hiv-forskere: mennesker, hvis immunsystem naturligt er i stand til at bekæmpe hiv-infektion, er også tilbøjelige til at få autoimmune lidelser. Fænomenet syntes usandsynligt at være blot en tilfældighed. Måske kunne Chakraborty, der bruger beregningsmodeller til at studere, hvordan celler i immunsystemet skelner mellem fremmede angribere og kroppens egne celler, finde ud af sammenhængen.

Omkring et år senere udgav Chakraborty sit første papir om HIV, som fokuserede på immunstoffer kendt som T-celler. Hos visse mennesker fandt han ud af, at kroppens proces til at luge ud af T-celler, der kan angribe raske celler, ikke er fuldstændig effektiv. Men de T-celler, der unddrager sig denne proces, er særligt effektive til at bekæmpe HIV.

For mig er det et godt eksempel på noget, der aldrig ville være sket uden det fællesskab, der blev udviklet med Ragon Institute, siger Walker.

At give videnskabsmænd, ingeniører og læger frie tøjler til at tackle HIV er missionen for Phillip T. og Susan M. Ragon Institute of Massachusetts General Hospital, MIT og Harvard. Siden åbningen, i 2009, har forskere fra de tre institutioner arbejdet sammen – og med andre forskere rundt om i verden – for at angribe problemet fra alle vinkler.

Fra starten ønskede Walker at samarbejde med forskere uden for det sædvanlige område af virologi og immunologi, fordi han ikke mente, at de traditionelle finansieringskanaler understøttede nok ny forskning. Jeg kom ofte sammen med folk og talte om et potentielt samarbejde med nogen uden for hiv-området, og det ville virke som en god idé, men det gik aldrig nogen vegne, fordi vi aldrig kunne finansiere det, siger han. Vi ønskede at få en flok mennesker sammen og virkelig give dem licens til at arbejde på dette problem og måle succes ikke i form af publicerede papirer, men i form af angreb på målet.

Denne tilgang vil have implikationer langt ud over HIV-forskning, siger Chakraborty, nu direktør for MIT's Institute for Medical Engineering and Sciences (IMES), et tværfagligt center, der blev lanceret sidste sommer (se sidebjælken nedenfor). Der er meget snak rundt om i verden, især i dette land, om at få denne form for arbejde i grænsefladen mellem discipliner understøttet, siger han. Men personligt kender jeg ikke til et andet eksempel, hvor grundlæggende videnskabsmænd og klinikere har arbejdet i en sådan synergi som Ragon Institute.

Identifikation af virussens svagheder
Antiretrovirale lægemidler har været så effektive til behandling af AIDS, at der er en smule selvtilfredshed ved det i USA, siger Walker. Problemet er, at stofferne skal tages meget pålideligt for ikke at udvikle resistens. Et andet, større problem er, at der i resten af ​​verden er begrænsede ressourcer og begrænsede stoffer til rådighed. Færre end 25 procent af hiv-smittede mennesker på verdensplan havde adgang til stofferne i 2011, ifølge FN's fælles program for hiv/aids.

I betragtning af disse fakta, mener Walker, er den eneste måde at udrydde HIV på at udvikle en effektiv vaccine. Men HIV er et undvigende mål: det muterer meget hurtigere end de fleste vira - selv influenza, som vacciner skal redesignes til hvert år.

Vacciner, der fremkalder et immunrespons mod et hvilket som helst af HIV's proteiner, bliver hurtigt ubrugelige, efterhånden som proteinerne udvikler sig. Nogle få af de aminosyrer, der udgør HIV-proteiner, forbliver dog uændrede i næsten alle stammer, hvilket tyder på, at de er essentielle for virussens overlevelse. I de senere år har vaccinedesignere forsøgt at målrette mod disse aminosyrer. Men de har haft begrænset succes, fordi aminosyresubstitutioner andre steder i proteinet kan hjælpe med at overvinde vaccinens virkninger.

Så Chakraborty ledte efter grupper af aminosyrer i HIV-proteiner, der udvikler sig sammen, uafhængigt af dem i andre grupper. Vacciner, der er målrettet mod disse aminosyrer, kunne i teorien afskære virusets evolutionære flugtvej. I 2011 brugte Chakraborty og Walker, hvor de arbejdede med DNA-sekvensdata fra mange virusstammer, tilfældig matrixteori (udviklet i 1950'erne til at studere højenergifysik) til at identificere flere sådanne grupper, herunder en særligt sårbar gruppe i hylsteret omkring viruss genetiske materiale. De fandt også, at T-celler hos patienter, der bekæmper HIV på egen hånd, uforholdsmæssigt målretter mod de aminosyrer, der er identificeret i undersøgelsen. HIV-stammer med flere mutationer i disse aminosyrer er sjældne, hvilket tyder på, at disse stammer kæmper for at overleve.

IMES-direktør Arup Chakraborty skaber fitnesslandskaber, der identificerer proteinsekvenser, der svækker HIV.

Med udgangspunkt i denne undersøgelse bruger Chakrabortys team en beregningsmodel, der forudsiger, hvor godt vira, der indeholder forskellige proteinvariationer, kan overleve og reproducere. I sekvensen af ​​aminosyrer, der udgør et protein, er der 20 måder at udfylde hver spalte på. De analyserede tusindvis af HIV-stammer for at beregne, hvor meget aminosyrevariation der forekommer i hver af de cirka 500 slots i de proteiner, de undersøgte - og hvor ofte en given sekvens ses. Jo mere udbredt en sekvens er, viste de, jo mere skal den bidrage til virussens fitness. Med disse data genererede de fitnesslandskaber, hvor proteinsekvenser, der styrker virussen, fremstår som bakker, og dem, der svækker den, er dale. Denne viden kan hjælpe med at guide udviklingen af ​​korte proteinsekvenser, der, hvis de leveres som vacciner, kan gøre virussen mindre fit.

Dette kan hjælpe videnskabsmænd med at designe vacciner ikke kun til HIV, men også til andre vira, der muterer ofte. Hvis dette holder, så er det spændende, for de to teknologier, du skal bruge for at få fitnesslandskaber af vira, er sekventering og beregning, siger Chakraborty. Begge disse teknologier falder meget hurtigt i pris.

Overvågning af enkeltceller
Evnen til at bekæmpe hiv uden medicin er sjælden, og den forekommer hos omkring én ud af hver 300 smittede. Ved at lære mere om disse elitecontrollere håber Ragon Institute-forskere at producere vacciner, der efterligner deres succes. For at gøre det har forskerne brug for en måde at måle, hvordan individuelle immunceller reagerer på HIV-inficerede celler - noget, der var umuligt indtil for et par år siden.

En anden MIT-kemiingeniør, der deltog i det indledende møde med Walker og Ragon, Christopher Love, havde for nylig udviklet en måde at studere, hvordan immunceller reagerer på vacciner, fødevareallergener eller smitsomme stoffer. Han og Walker indså, at denne teknologi kunne være lige det, der var nødvendigt for at sammenligne immunresponser fra HIV-smittede mennesker, der modstod AIDS, og dem, der blev syge.

Med Loves system placeres enkelte immunceller i tusindvis af mikroskopiske brønde på en blød gummioverflade. Sekreter fra hver celle diffunderer på et objektglas placeret ovenpå, som derefter testes for tilstedeværelsen af ​​specifikke proteiner såsom inflammationsgenererende cytokiner. Eventuelle påviste proteiner kan spores tilbage til cellen ved dens adresse på objektglasset. Denne proces genererer en enorm mængde data. Du kan nu foretage målinger på 10.000 celler og generere 20 til 30 dataparametre på hver celle, siger Love.

I en undersøgelse fra 2011 analyserede Love og hans kolleger T-celler fra HIV-inficerede patienter for at bestemme, om, som tidligere forskning havde foreslået, høje niveauer af et cytokin kaldet interferon gamma kunne korrelere med evnen til at dræbe HIV-inficerede celler. Tværtimod fandt de ud af, at T-celler, der udskiller interferon gamma, kun sjældent ser ud til at dræbe HIV-inficerede celler.

Love håber nu at finde biomarkører, der afslører, hvilke T-celler der effektivt målretter mod HIV. Han studerer også antistofreaktioner på HIV i immunceller fra slimhindevæv, der beklæder tyktarmen og forplantningskanalen. Omkring halvdelen af ​​menneskelige immunceller er i slimhindevæv, hvor de fleste hiv-infektioner forekommer, men de fleste immunologiske undersøgelser er udført med blodceller, så man ved ikke meget om, hvordan slimhindeceller fungerer.

Loves celleanalysesystem kunne lade forskere spore patienters fremskridt under kliniske vaccineforsøg. Til det formål forsøger han og kolleger at øge dens kapacitet fra to daglige prøvesæt (som hver indeholder 1.000 til 100.000 celler) til hundredvis eller tusindvis af sæt. De arbejder også på software, der hjælper med at analysere gigabytes af data, der trækkes fra hver prøve.

Walker er glad for at have ingeniører, der arbejder med sundhedsproblemer. Der er måder, hvorpå vi som klinikere tænker over videnskabelige problemer, som kan være begrænsende, siger han. Vi tænker over, hvilke værktøjer vi har, og hvilke spørgsmål vi kan stille med disse værktøjer, hvorimod ingeniører siger: 'Hvilket spørgsmål vil du stille? Lad os bygge værktøjet.'

Gør vacciner mere kraftfulde
I de sidste 30 år har forskere sat tre hiv-vaccineregimer gennem store kliniske forsøg. To viste sig ineffektive, men en beskyttede et lille, men betydeligt mindretal af forsøgspersoner. Det giver håb om, at en vaccine er mulig, siger Ragon Institute-medlem Darrell Irvine, professor i biologisk teknik og materialevidenskab og teknik.

De fleste vacciner mod sygdomme som skoldkopper og influenza bruger svækkede former af virussen som antigener eller stoffer, der fremkalder et immunrespons. Fordi det anses for at være for farligt for HIV, laver nogle forskere vacciner ud fra et af dets proteiner. Andre injicerer gensplejset DNA i celler, hvor det kan styre produktionen af ​​virale proteiner. DNA-vacciner blev først testet for omkring 20 år siden og viste sig at fremkalde stærke immunresponser hos gnavere. Hvis de lykkes hos mennesker, kan de være sikrere end konventionelle vacciner og kunne opbevares længere. Disse vacciner ville også være lettere at udvikle til nye sygdomme og at fremstille i stor skala, fordi forskerne blot ville programmere DNA'et til at producere det ønskede protein.

Injektion af DNA eller proteiner alene producerer ikke altid et stærkt nok immunrespons, så Irvine studerer to andre strategier: tilføjelse af et adjuvans, et molekyle, der hjælper med at stimulere immunsystemet, og levering af antigenet direkte til målimmuncellerne.

Tidligere i år udviklede Irvine og kolleger en måde at indlejre DNA i en polymerfilm. Mikronåle leverer filmen omkring en halv millimeter under huden - dybt nok til at nå immunceller, der behandler infektiøse angribere i epidermis, men ikke dybt nok til at ramme nerveender. Lag af filmen nedbrydes gradvist og frigiver vaccinen over dage eller uger. Filmen bærer også en adjuvans, der fremkalder betændelse i målvævet og tiltrækker immunceller, så de kan støde på det DNA-kodede virale protein.

I undersøgelser af mus viste teknikken en lovende evne til at fremkalde et immunrespons. Og i test på hudprøver fra aber fandt forskerne, at DNA båret af filmene kom meget lettere ind i hudceller - og så ud til at vare længere - end DNA indsprøjtet alene. De håber nu at udføre forsøg med ikke-menneskelige primater.

[HIV er] et vanskeligt problem, men jeg tror, ​​det er et problem, der kan løses, og jeg tror, ​​vi er forpligtet til at bringe [til det] ethvert værktøj til vores rådighed, siger Walker. Spørgsmålene er, hvor mange ressourcer vi skal lægge i det her, og hvor hurtigt kan vi få det i mål som videnskabeligt samfund?

En intellektuel hub for medicinsk teknik
MITs nye institut forener videnskabsmænd, ingeniører, klinikere

I 1970 lancerede MIT og Harvard Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology (HST), der samler læger, videnskabsmænd og ingeniører for at transformere den måde, medicin undervises og praktiseres på. Nu har MIT udvidet den mission ved at folde HST ind i et nyt Institut for Medicinsk Teknik og Videnskab (IMES).

Arup Chakraborty, professor i kemiingeniør, der leder IMES, siger, at det er beregnet til at fungere som et intellektuelt knudepunkt, der bedre vil integrere HST med resten af ​​MIT og samle forskellige indsatser på områder, der bidrager til medicin. Det vil være banebrydende for nye læseplaner på kandidatniveau, der tilbyder certifikater og muligvis uddannelser.

IMES har nu 13 kernefakultetsmedlemmer - 12 fra HST plus Chakraborty. Det vil ansætte otte mere, og alle vil dele deres tid ligeligt mellem IMES og en anden MIT-afdeling for at opbygge forbindelser på tværs af campus. IMES er også hjemsted for MITs Medical Electronic Device Realization Center, der for nylig blev lanceret for at samle MIT-fakultetet, læger og brancherepræsentanter for at udvikle bedre og billigere medicinsk udstyr.

Derudover planlægger IMES at arbejde med hospitaler i Boston-området i strategiske partnerskaber, der kan være modelleret efter Ragon Institute og Bridge Program, som forbinder MIT-forskere ved Koch Institute med læger ved Dana-Farber Cancer Institute.

Hvis strategiske partnerskaber udvikler sig med områdets hospitaler, så vil det bygge videre på dette proof of concept, som Ragon Institute har leveret, siger Chakraborty. -PÅ

skjule