Hiệu quả của vắc-xin trong việc giảm gánh nặng bệnh tật, cũng như việc giảm tỷ lệ tử vong và bệnh tật liên quan, đã được chứng minh nhiều lần kể từ khi phát triển vắc-xin đầu tiên chống lại bệnh đậu mùa vào năm 1796. Tuy nhiên, mặc dù việc khám phá, phát triển và sản xuất vắc-xin đã có những tiến bộ đáng kể, nhưng đây vẫn là một quá trình đầy thách thức đòi hỏi phải hiểu sâu sắc về từng tác nhân gây bệnh và các mục tiêu protein liên quan. Một công cụ mạnh mẽ cho phép phát triển vắc-xin là kính hiển vi điện tử cryo (cryo-EM) vì kiến thức về cấu trúc do cryo-EM cung cấp có thể được tận dụng để thiết kế các giải pháp vắc-xin phù hợp cho từng tác nhân gây bệnh hoặc vi-rút. Phương pháp này đang được các công ty dược phẩm áp dụng rộng rãi để giảm rủi ro cho các quy trình phát hiện và phát triển cũng như cho các dự án sản xuất. Thông thường, cryo-EM có thể cung cấp các cấu trúc có độ phân giải cao của vi-rút hoặc tác nhân gây bệnh cũng như các protein cấu thành của nó. Thông tin về cấu trúc có thể giúp thiết kế các loại vắc-xin mới, cũng như phát triển sự hiểu biết tốt hơn về cơ chế hoạt động của các tương tác giữa tác nhân gây bệnh với vật chủ. Giống như nhiều lĩnh vực khác trong cả học thuật và công nghiệp, nơi cryo-EM đang có những đóng góp đáng kể, Themro Fisher tin rằng sự gia tăng sử dụng cryo-EM trong vắc-xin sẽ tiếp tục. Làn sóng này sẽ được khuếch đại bằng cách tạo điều kiện thuận lợi cho quy trình phân tích hạt đơn lẻ và những cải tiến tại chỗ trong chụp cắt lớp điện tử cryo. Chúng tôi hình dung cryo-EM sẽ trở thành một công cụ tích hợp giúp đẩy nhanh thời gian đưa ra thị trường, cải thiện tỷ lệ thành công và giảm chi phí phát triển và sản xuất vắc-xin, dẫn đến nhiều thành công hơn trong phòng khám trong tương lai gần. Trong poster này, Thermo Fisher trình bày về một số ứng dụng của cryo-EM trong các lĩnh vực khác nhau của việc khám phá, phát triển và sản xuất vắc-xin, đồng thời nêu bật những câu chuyện thành công và xu hướng trong ngành.
Ứng dụng cryo-EM trong phát triển vắc-xin
1. Cấu trúc mầm bệnh
Cryo-EM có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc của các tác nhân gây bệnh hoàn chỉnh. Một ví dụ từ Yao et al., (2020), trong đó các nhà nghiên cứu đã sử dụng chụp cắt lớp điện tử cryo (cryo-ET), một kỹ thuật chuyên biệt trong lĩnh vực rộng hơn của cryo-EM, để xác định cấu trúc phân tử của vi-rút SARS-CoV-2 nguyên vẹn cho thấy các protein gai ở cả dạng tiền hợp nhất và sau hợp nhất (Hình 1). Họ cũng tiết lộ cấu hình của ribonucleoprotein nội bộ (RNP) cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách vi-rút có thể đóng gói bộ gen RNA phân đoạn đơn 30 kb vào một khoang vi-rút có đường kính 80 nm. Nghiên cứu này làm nổi bật khả năng của cryo-EM trong việc cung cấp thông tin cấu trúc chi tiết về toàn bộ vi-rút, bổ sung cho các nguồn dữ liệu cấu trúc khác và đóng góp vào sự hiểu biết của chúng ta về kiến trúc vi-rút và các cơ chế sinh học cơ bản của chúng.
Yao, H. et al. (2020). Cell, 183:730-738.
2. Cấu trúc của glycoprotein B (gB) từ HCMV
Cryo-EM cho phép hiểu cấu trúc của các protein virus cụ thể có thể được sử dụng trong quá trình phát triển vắc-xin. Liu et al., (2021) đã xác định cấu trúc của glycoprotein B (gB) của cytomegalovirus ở người (HCMV) bằng cách sử dụng cryo-EM (Hình 2). Các chế phẩm ban đầu của kháng nguyên này, liên quan đến sự hợp nhất của virus và sự xâm nhập vào tế bào vật chủ, chủ yếu cho thấy cấu hình sau hợp nhất sẽ không tạo ra phản ứng miễn dịch hiệu quả đối với virus kiểu tự nhiên. Cấu trúc cryo-EM rất quan trọng để cho phép thiết kế lại protein này nhằm tăng tỷ lệ ở trạng thái tiền hợp nhất và do đó phát triển một loại vắc-xin hiệu quả.
Liu, Y. et al. (2021). Science Advances, 7:eabf3178.
3. Thiết kế vắc-xin được cải tiến
Cryo-EM cũng có thể đóng góp vào việc thiết kế các loại vắc-xin hiệu quả hơn. Marcandalli, J. et al. (2019) trình bày một loại vắc-xin hạt nano protein mới cho Virus hợp bào hô hấp (RSV), một nguyên nhân quan trọng gây ra các bệnh nhiễm trùng đường hô hấp nghiêm trọng ở trẻ sơ sinh và người cao tuổi. Vắcxin này dựa trên một hạt nano protein được thiết kế để hiển thị phiên bản ổn định của glycoprotein hợp nhất RSV (F) trong cấu hình tiền hợp nhất của nó (Hình 3). Khi được thử nghiệm trên chuột, vắc-xin đã tạo ra phản ứng kháng thể trung hòa mạnh gấp 10 lần so với phản ứng chỉ do protein F tiền hợp nhất hòa tan tạo ra.
Marcandalli, J. et al. (2019). Cell, 177:1420-1431
4. Hiểu biết về cấu trúc của nhiễm trùng
Ngoài việc cung cấp dữ liệu cấu trúc về từng protein có thể được tái sử dụng làm kháng nguyên, cryo-EM còn có thể cung cấp thông tin về các mục tiêu tiềm năng cho liệu pháp mới. Một mục tiêu như vậy đã được Kern, D. M. et al. (2021) xác định trong kênh ion giả định 3a (ORF3a) được mã hóa bởi SARS-CoV-2, một protein đa chức năng liên quan đến việc giải phóng virus, sao chép, độc lực và điều chỉnh phản ứng miễn dịch của vật chủ. Các cấu trúc cryo-EM có độ phân giải cao này (Hình 4) làm sáng tỏ kiến trúc, trạng thái oligomer hóa và chức năng kênh ion của một protein virus quan trọng trong môi trường giống như bản địa của nó. Những phát hiện này không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sinh học của SARS-CoV-2 mà còn gợi ý những hướng đi tiềm năng để phát triển liệu pháp điều trị nhắm mục tiêu chống lại ORF3a.
Kern, D. M. et al. (2021). Nature Structural & Molecular Biology, 28:573–582.
5. Cấu trúc của protein Spike SARS-CoV-2
Hiểu biết về sinh học cũng như phát triển các kháng nguyên đặc hiệu cho vắc-xin có thể được hỗ trợ bằng cách xác định cấu trúc của các protein cụ thể từ các tác nhân gây bệnh mục tiêu. Có lẽ ví dụ được công nhận rộng rãi nhất là nghiên cứu quan trọng do Wrapp, D. et al. (2020) hoàn thành, trong đó cryo-EM được sử dụng để xác định cấu trúc có độ phân giải cao của protein gai (S) của vi-rút SARS-CoV-2 (Hình 5). Ectodomain của protein S được biểu hiện và tinh chế ở trạng thái tiền hợp nhất và cấu trúc được xác định ở độ phân giải 3,5 Å bằng cryo-EM. Điều này cho thấy rằng nó tạo thành cấu hình ba phân tử với một trong ba miền liên kết thụ thể (RBD) có trong cấu hình có thể tiếp cận được với thụ thể. RBD được tiết lộ là rất linh hoạt, xen kẽ giữa các cấu hình “lên” và “xuống”. Sự dao động này có thể đóng vai trò trong việc trốn tránh miễn dịch bằng cách che chắn các epitope trung hòa quan trọng.
Wrapp, D. et al. (2020). Science, 367:1260-1263
6. Lập bản đồ epitop
Cryo-EM cũng có thể được sử dụng để lập bản đồ các epitope nhằm hiểu rõ hơn về cơ chế tránh sự miễn dịch. Liu, Y. (2017) đã sử dụng cryo-EM để nghiên cứu cơ sở phân tử của các phức hợp hemagglutinin (HA): Fv chuỗi đơn (scFv) trước đây không thể tiếp nhận bằng tinh thể học tia X (Hình 6). Phức hợp được xác định ở 4,5 A, độ phân giải vẫn cho phép mô hình hóa giao diện kháng nguyên: kháng thể. Ngoài ra, một kháng thể liên quan đã được kết tinh thành công, cho thấy tính bổ sung của các phương pháp sinh học cấu trúc này.
Liu, Y. (2017). Journal of Molecular Biology, 429:1829–1839.
Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp các thiết bị Kính hiển vi điện tử (EM) hãng Thermo Fisher
EN