Studien, som er publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Nature Nanotechnology, kan få betydning for utvikling av vaksiner og antistoff-basert immunterapi. Forskningen er et resultat av et tett samarbeid mellom Universitetet i Oslo og Karolinska Institutet i Stockholm.
Antistoffer bekjemper infeksjon
Antistoffer beskytter oss mot farlige inntrengere. Antistoffer har en Y-formet struktur med to armer, som kan binde seg til kroppsfremmede proteiner på overflaten av virus eller bakterier. Disse proteinene kalles antigener.
Evnen antistoffer har til å binde antigener med begge sine armer er kritisk for å fjerne fremmedlegemer fra kroppen. Å forstå hvordan ulike antistoffer er tilpasset denne oppgaven er viktig i design av nye vaksiner, samt terapeutiske antistoffer rettet mot for eksempel infeksjonssykdommer og kreft.
Når vi utsettes for en infeksjon, reiser kroppen en immunrespons rettet mot det kroppsfremmede. Som en del av denne responsen lager enkelte immunceller, B- og plasmaceller, store mengder antistoffer. Disse binder seg spesifikt til antigener som vises frem på mikrobens overflate.
Noen av disse cellene har såkalt hukommelse. Det vil si at hvis kroppen senere rammes av den samme mikroben, vil immunforsvaret raskt kunne gjenkjenne den på nytt. Slik unngår vi at en alvorlig infeksjon oppstår. Samme prinsipp gjelder ved vaksinering, hvor en ufarliggjort virusvariant eller en ufarlig blanding av antigener, tilføres kroppen. Vaksiner styrker altså immunforsvaret og gjør oss rustet til å bekjempe en reell infeksjon med det samme viruset.
Mikrober viser frem antigenmønstre
Mikrober viser frem helt unike overflateantigener. Det er stor variasjon i hvor mange antigener som vises frem, samt hvilken avstand det er mellom de ulike antigenene. Slik har ulike mikrober unike mønstre med antigener som vises frem for immunsystemet under en infeksjon.
Dette påvirker i stor grad hvorvidt antistoffene som dannes har evnen til å binde med begge armer, og hvor effektive antistoffene er til å fjerne mikrobene fra kroppen. Derav er det ikke alltid at våre naturlige antistoffer er tilstrekkelig gode til å utføre sin oppgave.
Slik kan alvorlig sykdom oppstå, og dette forklarer også hvorfor det ikke nødvendigvis er rett frem å lage en effektiv vaksine.
Tetthet og avstand er avgjørende
I den aktuelle studien har forskerne undersøkt hvor tett, og hvor langt ifra, antigenene kan sitte på samme struktur for at antistoffene skal kunne binde med begge sine armer. Dette har de gjort ved å måle hvordan ulike antistoffer binder seg til nanostrukturer som er designet ved bruk av DNA-origami, hvor mønstre av antigener er koblet til med nøyaktig avstand og tetthet.
Studien viser at såkalt immunglobulin G (IgG) antistoffer, som er de antistoffene vi har mest av i blodbanen, binder sterkest med begge sine armer når to antigene har en avstand på ca. 16 nanometer.
Videre viser studien at immunglobulin M (IgM), som er det antistoffet som lages først ved en infeksjon, har vesentlig større evne til å binde to antigener med større rekkevidde enn det IgG-antistoffene har, som produseres senere i infeksjonsløpet.
En døråpner
Studien har vært ledet av Bjørn Högberg ved Karolinska Institutet i samarbeid med Laboratoriet for adaptiv immunitet og homeostase under ledelse av Jan Terje Andersen ved UiO. Andersen er førsteamanuensis ved Avdeling for farmakologi, og forskningsgruppen hans studerer sammenhengen mellom struktur og funksjon av antistoffer. Kunnskapen brukes til å designe antistoffer med forbedrede egenskaper.
– Samarbeidet med forskningsgruppen til Bjørn Högberg og deres ekspertise på DNA-origami, kombinert med unik instrumentering, har åpnet helt nye muligheter for hvordan vi kan studere antistoffers egenskaper. Dette er forskning som vil avsløre hvordan naturlige antistoffer er i stand til å beskytte oss, mens de i andre tilfeller feiler. Slik innsikt kan brukes til å designe helt nye antistoffvarianter med bedre bindingsegenskaper. Samarbeidet er et godt eksempel på hvordan tverrfaglig samspill kan gi banebrytende forskning, sier Andersen.
Referanse
Binding to Nanopatterned Antigens is Dominated by the Spatial Tolerance of Antibodies. Alan Shaw, Ian T Hoffecker, Ioanna Smyrlaki, Joao Rosa, Algridas Grevys, Diane Bratlie, Inger Sandlie, Terje Einar Michaelsen, Jan Terje Andersen och Björn Högberg.
Great stretches for your antibody workout Nature Nanotechnology, Pavel Tolar (2019)