HIV hacken

Op een middag in mei 2008 brachten Bruce Walker en Terry Ragon '71 een rekruteringsbezoek aan MIT. Walker is een arts van de Harvard Medical School die al drie decennia hiv heeft bestudeerd; Ragon, de oprichter en CEO van een softwarebedrijf genaamd InterSystems, stond op het punt een nieuw onderzoeksinstituut van $ 100 miljoen te financieren om hiv-vaccins te ontwikkelen, met Walker aan het hoofd.

Bruce Walker (links) en Terry Ragon '71 leiden het Ragon Institute op een zoektocht naar de ontwikkeling van een vaccin om hiv te voorkomen.

Ongeveer 20 MIT-faculteitsleden kwamen luisteren naar de pitch van Walker en Ragon voor hulp bij hun project. Een van hen was Arup Chakraborty, een professor in de chemische technologie die geïntrigeerd was door de missie van wat bekend zou worden als het Ragon Institute. Hij had bijna tien jaar in de immunologie gewerkt, maar hij had zich nooit verdiept in hiv-onderzoek, dat een eilandgebied was geweest. Bovendien wist ik niet wat ik zou kunnen bijdragen, herinnert Chakraborty zich.

Na verschillende brainstormsessies dacht Walker dat Chakraborty in staat zou kunnen zijn iets uit te zoeken waar hiv-onderzoekers zich zorgen over maakten: mensen van wie het immuunsysteem van nature in staat is om hiv-infectie te bestrijden, zijn ook vatbaar voor auto-immuunziekten. Het leek onwaarschijnlijk dat het fenomeen louter toeval was. Misschien kan Chakraborty, die computermodellen gebruikt om te bestuderen hoe cellen in het immuunsysteem onderscheid maken tussen vreemde indringers en lichaamseigen cellen, het verband achterhalen.

Ongeveer een jaar later publiceerde Chakraborty zijn eerste paper over HIV, dat zich richtte op immuunstoffen die bekend staan ​​als T-cellen. Bij bepaalde mensen, ontdekte hij, is het proces van het lichaam voor het verwijderen van T-cellen die gezonde cellen zouden kunnen aanvallen, niet helemaal effectief. Maar de T-cellen die dit proces ontwijken, zijn vooral effectief in het bestrijden van hiv.

Voor mij is dat een geweldig voorbeeld van iets dat nooit zou zijn gebeurd zonder de gemeenschap die is ontwikkeld met het Ragon Institute, zegt Walker.

Wetenschappers, ingenieurs en artsen vrij spel geven om hiv aan te pakken is de missie van het Phillip T. en Susan M. Ragon Institute van het Massachusetts General Hospital, MIT en Harvard. Sinds de opening, in 2009, hebben onderzoekers van de drie instellingen samengewerkt - en met andere onderzoekers over de hele wereld - om het probleem vanuit elke hoek aan te pakken.

Vanaf het begin wilde Walker samenwerken met onderzoekers buiten het gebruikelijke domein van virologie en immunologie, omdat hij vond dat de traditionele financieringskanalen onvoldoende nieuw onderzoek ondersteunden. Ik kwam vaak samen met mensen en praatte over een mogelijke samenwerking met iemand buiten het hiv-veld, en het leek een geweldig idee, maar het ging nergens heen omdat we het nooit konden financieren, zegt hij. We wilden een aantal mensen bij elkaar krijgen en ze echt een licentie geven om aan dit probleem te werken en succes te meten, niet in termen van gepubliceerde artikelen, maar in termen van aanval op het doel.

Deze aanpak zal implicaties hebben die veel verder gaan dan hiv-onderzoek, zegt Chakraborty, nu directeur van MIT's Institute for Medical Engineering and Sciences (IMES), een interdisciplinair centrum dat afgelopen zomer is gelanceerd (zie kader hieronder). Over de hele wereld, vooral in dit land, wordt er veel gepraat over het krijgen van dit soort werk op het snijvlak van ondersteunde disciplines, zegt hij. Maar persoonlijk ken ik geen ander voorbeeld waar fundamentele wetenschappers en clinici in zo'n synergie hebben gewerkt als het Ragon Institute.

De zwakke punten van het virus identificeren
Antiretrovirale medicijnen zijn zo effectief geweest bij de behandeling van aids dat er in de Verenigde Staten een beetje zelfgenoegzaamheid over bestaat, zegt Walker. Het probleem is dat de medicijnen zeer betrouwbaar moeten worden ingenomen om te voorkomen dat resistentie ontstaat. Een ander, groter probleem is dat er in de rest van de wereld beperkte middelen en beperkte medicijnen beschikbaar zijn. Volgens het Joint United Nations Program on HIV/AIDS had in 2011 minder dan 25 procent van de met hiv geïnfecteerde mensen wereldwijd toegang tot de medicijnen.

Gezien deze feiten, meent Walker, is de enige manier om hiv uit te roeien het ontwikkelen van een effectief vaccin. Maar hiv is een ongrijpbaar doelwit: het muteert veel sneller dan de meeste virussen, zelfs griep, waarvoor elk jaar opnieuw vaccins moeten worden ontwikkeld.

Vaccins die een immuunrespons uitlokken tegen een van de HIV-eiwitten, worden snel onbruikbaar naarmate de eiwitten evolueren. Enkele aminozuren waaruit HIV-eiwitten bestaan, blijven echter in bijna alle stammen onveranderd, wat suggereert dat ze essentieel zijn voor de overleving van het virus. De afgelopen jaren hebben vaccinontwerpers geprobeerd deze aminozuren aan te pakken. Maar ze hebben beperkt succes gehad, omdat aminozuursubstituties elders in het eiwit kunnen helpen de effecten van het vaccin te overwinnen.

Dus zocht Chakraborty naar groepen aminozuren in hiv-eiwitten die samen evolueren, onafhankelijk van die in andere groepen. Vaccins die zich op deze aminozuren richten, zouden in theorie de evolutionaire ontsnappingsroute van het virus kunnen afsnijden. In 2011 werkten Chakraborty en Walker met DNA-sequentiegegevens van veel stammen van het virus en gebruikten de willekeurige matrixtheorie (ontwikkeld in de jaren 1950 om hoge-energiefysica te bestuderen) om verschillende van dergelijke groepen te identificeren, waaronder een bijzonder kwetsbare groep in de envelop rond de genetisch materiaal van het virus. Ze ontdekten ook dat T-cellen bij patiënten die zelf hiv bestrijden, zich onevenredig richten op de aminozuren die in het onderzoek zijn geïdentificeerd. HIV-stammen met meerdere mutaties in deze aminozuren zijn zeldzaam, wat suggereert dat die stammen worstelen om te overleven.

IMES-directeur Arup Chakraborty creëert fitnesslandschappen door eiwitsequenties te identificeren die HIV verzwakken.

Voortbouwend op die studie gebruikt het team van Chakraborty een computermodel dat voorspelt hoe goed virussen met verschillende eiwitvariaties kunnen overleven en zich kunnen voortplanten. In de volgorde van aminozuren waaruit een eiwit bestaat, zijn er 20 manieren om elke sleuf te vullen. Ze analyseerden duizenden HIV-stammen om te berekenen hoeveel aminozuurvariatie er voorkomt in elk van de ongeveer 500 slots in de eiwitten die ze bestudeerden - en hoe vaak een bepaalde sequentie wordt gezien. Hoe vaker een sequentie voorkomt, zo toonden ze aan, hoe meer het moet bijdragen aan de fitheid van het virus. Met die gegevens genereerden ze fitnesslandschappen waarin eiwitsequenties die het virus versterken eruitzien als heuvels, en die die het verzwakken valleien zijn. Deze kennis kan helpen bij de ontwikkeling van korte eiwitsequenties die, indien geleverd als vaccins, het virus minder fit zouden kunnen maken.

Dit kan wetenschappers helpen bij het ontwerpen van vaccins, niet alleen voor hiv, maar ook voor andere virussen die vaak muteren. Als dit zo blijft, dan is het spannend, want de twee technologieën die je nodig hebt om fitnesslandschappen van virussen te krijgen, zijn sequentiëring en berekening, zegt Chakraborty. Beide technologieën dalen zeer snel in prijs.

Bewaking van enkele cellen
Het vermogen om hiv te bestrijden zonder medicijnen is zeldzaam en komt voor bij ongeveer één op de 300 geïnfecteerde mensen. Door meer te leren over deze elite-controllers, hopen onderzoekers van het Ragon Institute vaccins te produceren die hun succes nabootsen. Om dat te doen, hebben wetenschappers een manier nodig om te meten hoe individuele immuuncellen reageren op HIV-geïnfecteerde cellen - iets wat tot een paar jaar geleden onmogelijk was.

Een andere chemisch ingenieur van het MIT die de eerste ontmoeting met Walker en Ragon bijwoonde, Christopher Love, had onlangs een manier ontwikkeld om te bestuderen hoe immuuncellen reageren op vaccins, voedselallergenen of infectieuze agentia. Hij en Walker realiseerden zich dat deze technologie precies zou kunnen zijn wat nodig was om de immuunrespons te vergelijken van hiv-geïnfecteerde mensen die zich verzetten tegen aids en mensen die ziek werden.

Met Love's systeem worden afzonderlijke immuuncellen in duizenden microscopisch kleine putjes op een zacht rubberen oppervlak geplaatst. Afscheidingen van elke cel diffunderen op een glaasje dat erop is geplaatst, dat vervolgens wordt getest op de aanwezigheid van specifieke eiwitten zoals ontstekingsgenererende cytokinen. Alle gedetecteerde eiwitten kunnen naar de cel worden getraceerd door het adres op het objectglaasje. Dit proces genereert een enorme hoeveelheid data. Je kunt nu metingen doen aan 10.000 cellen en 20 tot 30 gegevensparameters voor elke cel genereren, zegt Love.

In een onderzoek uit 2011 analyseerden Love en zijn collega's T-cellen van met HIV geïnfecteerde patiënten om te bepalen of, zoals eerder onderzoek had gesuggereerd, hoge niveaus van een cytokine, interferon-gamma genaamd, mogelijk correleren met het vermogen om met HIV geïnfecteerde cellen te doden. Integendeel, ze ontdekten dat T-cellen die interferon-gamma afscheiden slechts zelden HIV-geïnfecteerde cellen lijken te doden.

Love hoopt nu biomarkers te vinden die onthullen welke T-cellen zich effectief op HIV richten. Hij bestudeert ook antilichaamreacties op HIV in immuuncellen van slijmvliesweefsels langs de dikke darm en het voortplantingsstelsel. Ongeveer de helft van de menselijke immuuncellen bevindt zich in mucosale weefsels, waar de meeste HIV-infecties voorkomen, maar de meeste immunologische studies worden gedaan met bloedcellen, dus er is weinig bekend over hoe mucosale cellen werken.

Met het celanalysesysteem van Love kunnen onderzoekers de voortgang van patiënten volgen tijdens klinische vaccinproeven. Daartoe proberen hij en zijn collega's de capaciteit te verhogen van twee dagelijkse monstersets (die elk 1.000 tot 100.000 cellen bevatten) tot honderden of duizenden sets. Ze werken ook aan software om de gigabytes aan gegevens uit elk monster te analyseren.

Walker is blij dat ingenieurs aan gezondheidsproblemen werken. Er zijn manieren waarop wij als clinici nadenken over wetenschappelijke problemen die beperkend kunnen zijn, zegt hij. We denken na over welke tools we hebben en welke vragen we met die tools kunnen stellen, terwijl engineers zeggen: ‘Welke vraag wil je stellen? Laten we de tool bouwen.'

Vaccinaties krachtiger maken
In de afgelopen 30 jaar hebben onderzoekers drie hiv-vaccinregimes onderworpen aan grootschalige klinische proeven. Twee bleken niet effectief, maar één beschermde een kleine maar significante minderheid van de proefpersonen. Het biedt hoop dat een vaccin mogelijk is, zegt Darrell Irvine, lid van het Ragon Institute, hoogleraar biologische engineering en materiaalwetenschap en -techniek.

De meeste vaccins tegen ziekten als waterpokken en griep gebruiken verzwakte vormen van het virus als antigenen, of stoffen die een immuunrespons uitlokken. Omdat dat als te gevaarlijk wordt gezien voor hiv, maken sommige onderzoekers vaccins van een van de eiwitten. Anderen injecteren genetisch gemanipuleerd DNA in cellen, waar het de productie van virale eiwitten kan sturen. DNA-vaccins werden ongeveer 20 jaar geleden voor het eerst getest en bleken sterke immuunresponsen op te wekken bij knaagdieren. Als ze succesvol zijn bij mensen, zouden ze veiliger kunnen zijn dan conventionele vaccins en langer kunnen worden bewaard. Deze vaccins zouden ook gemakkelijker te ontwikkelen zijn voor nieuwe ziekten en op grote schaal te produceren, omdat onderzoekers het DNA eenvoudig zouden programmeren om het gewenste eiwit te produceren.

Het alleen injecteren van DNA of eiwitten produceert niet altijd een voldoende sterke immuunrespons, dus Irvine bestudeert twee andere strategieën: het toevoegen van een adjuvans, een molecuul dat het immuunsysteem helpt stimuleren, en het rechtstreeks afleveren van het antigeen aan de doelimmuuncellen.

Eerder dit jaar ontwikkelden Irvine en collega's een manier om DNA in een polymeerfilm in te bedden. Micronaalden brengen de film ongeveer een halve millimeter onder de huid af - diep genoeg om immuuncellen te bereiken die infectieuze indringers in de opperhuid verwerken, maar niet diep genoeg om zenuwuiteinden te raken. Lagen van de film worden geleidelijk afgebroken, waardoor het vaccin in de loop van dagen of weken vrijkomt. De film bevat ook een adjuvans dat ontstekingen in het doelweefsel veroorzaakt en immuuncellen aantrekt zodat ze het DNA-gecodeerde virale eiwit kunnen ontmoeten.

In studies met muizen toonde de techniek een veelbelovend vermogen om een ​​immuunrespons op te wekken. En in tests op huidmonsters van apen ontdekten de onderzoekers dat DNA dat door de films werd gedragen veel gemakkelijker in huidcellen kwam - en langer leek te blijven - dan DNA dat alleen werd geïnjecteerd. Ze hopen nu proeven uit te voeren met niet-menselijke primaten.

[HIV is] een moeilijk probleem, maar ik denk dat het een oplosbaar probleem is, en ik denk dat we verplicht zijn om elk middel dat tot onze beschikking staat [te gebruiken], zegt Walker. De problemen zijn hoeveel middelen we hierin moeten steken, en hoe snel kunnen we het als wetenschappelijke gemeenschap tot de finish brengen?

Een intellectuele hub voor medische technologie
Het nieuwe instituut van MIT verenigt wetenschappers, ingenieurs en clinici

In 1970 lanceerden MIT en Harvard de Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology (HST), die artsen, wetenschappers en ingenieurs samenbracht om de manier waarop geneeskunde wordt onderwezen en beoefend te transformeren. Nu heeft MIT die missie uitgebreid door HST om te vormen tot een nieuw Institute for Medical Engineering and Science (IMES).

Arup Chakraborty, de professor in de chemische technologie die IMES leidt, zegt dat het bedoeld is om te dienen als een intellectueel centrum dat HST beter zal integreren met de rest van MIT en ongelijksoortige inspanningen zal samenbrengen op gebieden die bijdragen aan de geneeskunde. Het zal pionieren met nieuwe curricula op graduaatniveau, waarbij certificaten en mogelijk opleidingen worden aangeboden.

IMES heeft nu 13 kernfaculteitsleden - 12 van HST plus Chakraborty. Er zullen er nog acht worden aangenomen, en ze zullen allemaal hun tijd gelijkelijk verdelen tussen IMES en een andere MIT-afdeling om verbindingen over de campus tot stand te brengen. IMES is ook de thuisbasis van MIT's Medical Electronic Device Realization Center, dat onlangs is gelanceerd om MIT-faculteiten, artsen en vertegenwoordigers van de industrie samen te brengen om betere, goedkopere medische apparaten te ontwikkelen.

Daarnaast is IMES van plan om samen te werken met ziekenhuizen in de omgeving van Boston in strategische partnerschappen die kunnen worden gemodelleerd naar het Ragon Institute en het Bridge-programma, dat MIT-onderzoekers van het Koch Institute verbindt met artsen van het Dana-Farber Cancer Institute.

Als er strategische partnerschappen ontstaan ​​met regionale ziekenhuizen, zal het voortbouwen op dit proof-of-concept dat het Ragon Institute heeft geleverd, zegt Chakraborty. -BIJ

zich verstoppen