Hacka HIV

En eftermiddag i maj 2008 gjorde Bruce Walker och Terry Ragon ’71 ett rekryteringsbesök på MIT. Walker är en Harvard Medical School-läkare som har studerat HIV i tre decennier; Ragon, grundare och VD för ett mjukvaruföretag som heter InterSystems, var på väg att sätta in ett nytt forskningsinstitut på 100 miljoner dollar för att utveckla HIV-vacciner, med Walker i spetsen.

Bruce Walker (vänster) och Terry Ragon ’71 leder Ragon Institute i en strävan efter att utveckla ett vaccin för att förhindra HIV.

Ett 20-tal MIT-fakultetsmedlemmar kom för att höra Walker och Ragons pitch för att få hjälp med deras projekt. En av dem var Arup Chakraborty, en professor i kemiteknik som var fascinerad av uppdraget för vad som skulle kallas Ragon Institute. Han hade arbetat inom immunologi i nästan ett decennium, men han hade aldrig fördjupat sig i hiv-forskning, som hade varit ett övärt område. Dessutom visste jag inte vad jag kunde bidra med, minns Chakraborty.

Efter flera brainstormingsessioner trodde Walker att Chakraborty kanske skulle kunna komma till botten med något som hade irriterat HIV-forskare: människor vars immunsystem naturligt kan bekämpa HIV-infektion är också benägna att få autoimmuna sjukdomar. Fenomenet verkade knappast vara en ren tillfällighet. Kanske kan Chakraborty, som använder beräkningsmodeller för att studera hur celler i immunsystemet skiljer mellan främmande inkräktare och kroppens egna celler, ta reda på sambandet.

Ungefär ett år senare publicerade Chakraborty sin första artikel om HIV, som fokuserade på immunförsvar som kallas T-celler. Hos vissa människor, fann han, är kroppens process för att rensa bort T-celler som kan attackera friska celler inte helt effektiv. Men de T-celler som undviker denna process är särskilt effektiva för att bekämpa HIV.

För mig är det ett bra exempel på något som aldrig skulle ha hänt utan samhället som utvecklades med Ragon Institute, säger Walker.

Att ge forskare, ingenjörer och läkare fria händer att ta itu med hiv är uppdraget för Phillip T. och Susan M. Ragon Institute vid Massachusetts General Hospital, MIT och Harvard. Sedan det öppnade, 2009, har forskare från de tre institutionerna arbetat tillsammans – och med andra forskare runt om i världen – för att attackera problemet från alla håll.

Från början ville Walker samarbeta med forskare utanför den vanliga sfären av virologi och immunologi eftersom han inte trodde att de traditionella finansieringskanalerna stödde tillräckligt med ny forskning. Jag träffade ofta människor och pratade om ett potentiellt samarbete med någon utanför hiv-området, och det skulle verka som en bra idé, men det gick aldrig någonstans eftersom vi aldrig kunde finansiera det, säger han. Vi ville få ihop ett gäng människor och verkligen ge dem licens att arbeta med det här problemet och mäta framgång inte i termer av publicerade tidningar, utan i termer av attack mot målet.

Detta tillvägagångssätt kommer att få konsekvenser långt utöver HIV-forskning, säger Chakraborty, nu chef för MIT:s Institute for Medical Engineering and Sciences (IMES), ett tvärvetenskapligt centrum som lanserades förra sommaren (se sidofältet nedan). Det pratas mycket runt om i världen, särskilt i det här landet, om att få den här typen av arbete i gränssnittet mellan discipliner som stöds, säger han. Men personligen känner jag inte till ett annat exempel där grundforskare och kliniker har arbetat i en sådan synergi som Ragon Institute.

Identifiera virusets svagheter
Antiretrovirala läkemedel har varit så effektiva vid behandling av AIDS att det finns lite självbelåtenhet om det i USA, säger Walker. Problemet är att läkemedlen måste tas mycket tillförlitligt för att resistens inte ska utvecklas. Ett annat, större problem är att det i resten av världen finns begränsade resurser och begränsade läkemedel tillgängliga. Färre än 25 procent av hiv-smittade människor världen över hade tillgång till drogerna 2011, enligt FN:s gemensamma program för hiv/aids.

Med tanke på dessa fakta, tror Walker, är det enda sättet att utrota HIV att utveckla ett effektivt vaccin. Men HIV är ett svårfångat mål: det muterar mycket snabbare än de flesta virus – till och med influensa, för vilka vacciner måste designas om varje år.

Vacciner som framkallar ett immunsvar mot något av HIV:s proteiner blir snabbt värdelösa när proteinerna utvecklas. Men några av aminosyrorna som utgör HIV-proteiner förblir oförändrade i nästan alla stammar, vilket tyder på att de är avgörande för virusets överlevnad. Under de senaste åren har vaccindesigners försökt rikta in sig på dessa aminosyror. Men de har haft begränsad framgång, eftersom aminosyrasubstitutioner på andra ställen i proteinet kan hjälpa till att övervinna vaccinets effekter.

Så Chakraborty letade efter grupper av aminosyror i HIV-proteiner som utvecklas tillsammans, oberoende av de i andra grupper. Vacciner som riktar sig mot dessa aminosyror kan i teorin skära av virusets evolutionära flyktväg. Chakraborty och Walker arbetade 2011 med DNA-sekvensdata från många stammar av viruset och använde slumpmässig matristeori (utvecklad på 1950-talet för att studera högenergifysik) för att identifiera flera sådana grupper, inklusive en särskilt sårbar grupp i höljet som omger virusets genetiska material. De fann också att T-celler hos patienter som bekämpar HIV på egen hand oproportionerligt riktar sig mot aminosyrorna som identifierats i studien. HIV-stammar med flera mutationer i dessa aminosyror är sällsynta, vilket tyder på att dessa stammar kämpar för att överleva.

IMES-chefen Arup Chakraborty skapar fitnesslandskap som identifierar proteinsekvenser som försvagar HIV.

Med utgångspunkt i den studien använder Chakrabortys team en beräkningsmodell som förutsäger hur väl virus som innehåller olika proteinvariationer kan överleva och reproducera sig. I sekvensen av aminosyror som utgör ett protein finns det 20 sätt att fylla varje lucka. De analyserade tusentals HIV-stammar för att beräkna hur mycket aminosyravariation som förekommer i var och en av de cirka 500 platserna i proteinerna de studerade - och hur ofta en given sekvens ses. Ju vanligare en sekvens är, visade de, desto mer måste den bidra till virusets kondition. Med dessa data genererade de fitnesslandskap där proteinsekvenser som stärker viruset visas som kullar, och de som försvagar det är dalar. Denna kunskap kan hjälpa till att vägleda utvecklingen av korta proteinsekvenser som, om de levereras som vacciner, kan göra viruset mindre passform.

Detta kan hjälpa forskare att designa vacciner inte bara för HIV utan också för andra virus som muterar ofta. Om detta håller i sig är det spännande, eftersom de två teknikerna du behöver för att få träningslandskap av virus är sekvensering och beräkning, säger Chakraborty. Båda dessa tekniker går ner i pris mycket snabbt.

Övervakning av enstaka celler
Förmågan att bekämpa hiv utan droger är sällsynt och förekommer hos ungefär en av 300 smittade personer. Genom att lära sig mer om dessa elitkontrollanter hoppas Ragon Institute-forskare kunna producera vacciner som efterliknar deras framgång. För att göra det behöver forskare ett sätt att mäta hur individuella immunceller svarar på HIV-infekterade celler – något som var omöjligt förrän för några år sedan.

En annan kemiingenjör från MIT som deltog i det första mötet med Walker och Ragon, Christopher Love, hade nyligen utvecklat ett sätt att studera hur immunceller reagerar på vacciner, matallergener eller smittämnen. Han och Walker insåg att denna teknik kunde vara precis vad som behövdes för att jämföra immunsvar från hiv-infekterade människor som stod emot AIDS och de som blev sjuka.

Med Loves system placeras enstaka immunceller i tusentals mikroskopiska brunnar på en mjuk gummiyta. Sekret från varje cell diffunderar till ett objektglas placerat ovanpå, som sedan testas för närvaron av specifika proteiner såsom inflammationsgenererande cytokiner. Alla proteiner som upptäcks kan spåras tillbaka till cellen genom dess adress på bilden. Denna process genererar en enorm mängd data. Du kan nu göra mätningar på 10 000 celler och generera 20 till 30 parametrar med data på varje cell, säger Love.

I en studie från 2011 analyserade Love och hans kollegor T-celler från HIV-infekterade patienter för att avgöra om, som tidigare forskning har föreslagit, höga nivåer av ett cytokin som kallas interferon gamma kan korrelera med förmågan att döda HIV-infekterade celler. Tvärtom fann de att T-celler som utsöndrar interferon gamma endast sällan verkar döda HIV-infekterade celler.

Love hoppas nu hitta biomarkörer som avslöjar vilka T-celler som effektivt riktar sig mot HIV. Han studerar också antikroppssvar mot HIV i immunceller från slemhinnevävnader som kantar tjocktarmen och fortplantningsorganen. Ungefär hälften av mänskliga immunceller finns i slemhinnevävnader, där de flesta hiv-infektioner förekommer, men de flesta immunologiska studier görs med blodceller, så lite är känt om hur slemhinneceller fungerar.

Loves cellanalyssystem kan låta forskare spåra patienternas framsteg under kliniska vaccinförsök. För det ändamålet försöker han och kollegor öka dess kapacitet från två dagliga provuppsättningar (som var och en innehåller 1 000 till 100 000 celler) till hundratals eller tusentals uppsättningar. De arbetar också med mjukvara för att analysera gigabyte med data från varje prov.

Walker är glad över att ha ingenjörer som arbetar med hälsoproblem. Det finns sätt som vi som läkare tänker kring vetenskapliga problem som kan vara begränsande, säger han. Vi funderar på vilka verktyg vi har och vilka frågor vi kan ställa med dessa verktyg, medan ingenjörer säger: 'Vilken fråga vill du ställa? Låt oss bygga verktyget.'

Göra vacciner mer kraftfulla
Under de senaste 30 åren har forskare lagt tre HIV-vaccinregimer genom storskaliga kliniska prövningar. Två visade sig vara ineffektiva, men en skyddade en liten men betydande minoritet av försökspersoner. Det ger hopp om att ett vaccin är möjligt, säger Ragon Institute-medlemmen Darrell Irvine, professor i biologisk teknik och materialvetenskap och ingenjörskonst.

De flesta vacciner mot sjukdomar som vattkoppor och influensa använder försvagade former av viruset som antigener, eller ämnen som framkallar ett immunsvar. Eftersom det ses som för farligt för HIV, tillverkar vissa forskare vaccin från ett av dess proteiner. Andra injicerar genetiskt modifierat DNA i celler, där det kan styra produktionen av virala proteiner. DNA-vacciner testades först för cirka 20 år sedan och visade sig framkalla starka immunsvar hos gnagare. Om de lyckas hos människor kan de vara säkrare än konventionella vacciner och kan lagras längre. Dessa vacciner skulle också vara lättare att utveckla för nya sjukdomar och att tillverka i stor skala, eftersom forskare helt enkelt skulle programmera DNA:t för att producera det önskade proteinet.

Att injicera DNA eller proteiner på egen hand ger inte alltid ett tillräckligt starkt immunsvar, så Irvine studerar två andra strategier: att lägga till ett adjuvans, en molekyl som hjälper till att stimulera immunsystemet och att leverera antigenet direkt till målimmuncellerna.

Tidigare i år utvecklade Irvine och kollegor ett sätt att bädda in DNA i en polymerfilm. Mikronålar levererar filmen ungefär en halv millimeter under huden – tillräckligt djupt för att nå immunceller som bearbetar infektiösa inkräktare i epidermis, men inte tillräckligt djupt för att träffa nervändarna. Lager av filmen bryts gradvis ned och släpper ut vaccinet under dagar eller veckor. Filmen innehåller också ett adjuvans som provocerar inflammation i målvävnaden och attraherar immunceller så att de kan möta det DNA-kodade virala proteinet.

I studier av möss visade tekniken en lovande förmåga att framkalla ett immunsvar. Och i tester på hudprover från apor fann forskarna att DNA som bärs av filmerna kom in i hudcellerna mycket lättare - och verkade kvarstå längre - än DNA som injicerades på egen hand. De hoppas nu kunna genomföra försök med icke-mänskliga primater.

[HIV är] ett svårt problem, men jag tror att det är ett lösbart problem, och jag tror att vi är skyldiga att ta [till det] alla verktyg som står till vårt förfogande, säger Walker. Frågan är hur mycket resurser vi har att lägga på detta, och hur snabbt kan vi få det i mål som forskarsamhälle?

Ett intellektuellt nav för medicinsk teknik
MIT:s nya institut förenar forskare, ingenjörer, kliniker

1970 lanserade MIT och Harvard Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology (HST), som sammanförde läkare, forskare och ingenjörer för att förändra hur medicin lärs ut och utövas. Nu har MIT utökat det uppdraget genom att vika HST till ett nytt Institute for Medical Engineering and Science (IMES).

Arup Chakraborty, kemiteknikprofessorn som leder IMES, säger att det är tänkt att fungera som ett intellektuellt nav som bättre kommer att integrera HST med resten av MIT och föra samman olika insatser inom områden som bidrar till medicin. Det kommer att vara banbrytande för nya kursplaner på forskarnivå, erbjuda certifikat och eventuellt examensprogram.

IMES har nu 13 kärnfakultetsmedlemmar—12 från HST plus Chakraborty. Den kommer att anställa åtta till, och alla kommer att dela sin tid lika mellan IMES och en annan MIT-avdelning för att bygga förbindelser över campus. IMES är också hemmet för MIT:s Medical Electronic Device Realization Center, som nyligen lanserades för att sammanföra MIT-fakulteten, läkare och industrirepresentanter för att utveckla bättre, billigare medicinsk utrustning.

Dessutom planerar IMES att arbeta med sjukhus i Boston-området i strategiska partnerskap som kan vara modellerade på Ragon Institute och Bridge Program, som länkar samman MIT-forskare vid Koch Institute med läkare vid Dana-Farber Cancer Institute.

Om strategiska partnerskap utvecklas med sjukhus i området, kommer det att bygga på detta proof of concept som Ragon Institute har tillhandahållit, säger Chakraborty. -PÅ

Dölj