Hacking av HIV

En mai-ettermiddag i 2008 avla Bruce Walker og Terry Ragon '71 et rekrutteringsbesøk til MIT. Walker er en Harvard Medical School-lege som har studert HIV i tre tiår; Ragon, grunnlegger og administrerende direktør for et programvareselskap kalt InterSystems, var i ferd med å sette inn penger på et nytt forskningsinstitutt på 100 millioner dollar for å utvikle HIV-vaksiner, med Walker i spissen.





Bruce Walker og Terry Ragon

Bruce Walker (til venstre) og Terry Ragon ’71 leder Ragon Institute på et forsøk på å utvikle en vaksine for å forhindre HIV.

Omtrent 20 MIT-fakultetsmedlemmer kom for å høre Walker og Ragons pitch for å få hjelp med prosjektet deres. En av dem var Arup Chakraborty, en professor i kjemiteknikk som var fascinert av oppdraget til det som ville bli kjent som Ragon Institute. Han hadde jobbet i immunologi i nesten et tiår, men han hadde aldri fordypet seg i HIV-forskning, som hadde vært et øyfelt. Dessuten visste jeg ikke hva jeg kunne bidra med, husker Chakraborty.

Etter flere brainstorming-økter trodde Walker at Chakraborty kanskje kunne komme til bunns i noe som hadde irritert HIV-forskere: mennesker hvis immunsystem naturlig er i stand til å bekjempe HIV-infeksjon er også utsatt for autoimmune lidelser. Fenomenet virket usannsynlig å være bare tilfeldigheter. Kanskje Chakraborty, som bruker beregningsmodeller for å studere hvordan celler i immunsystemet skiller mellom fremmede inntrengere og kroppens egne celler, kan finne ut av sammenhengen.



Omtrent et år senere publiserte Chakraborty sin første artikkel om HIV, som fokuserte på immunmidler kjent som T-celler. Hos visse mennesker, fant han, er kroppens prosess for å luke ut T-celler som kan angripe friske celler, ikke helt effektiv. Men T-cellene som unngår denne prosessen er spesielt effektive til å bekjempe HIV.

For meg er det et godt eksempel på noe som aldri ville ha skjedd uten fellesskapet som ble utviklet med Ragon Institute, sier Walker.

Å gi forskere, ingeniører og leger frie tøyler til å takle HIV er oppdraget til Phillip T. og Susan M. Ragon Institute ved Massachusetts General Hospital, MIT og Harvard. Siden den åpnet, i 2009, har forskere fra de tre institusjonene jobbet sammen – og med andre forskere rundt om i verden – for å angripe problemet fra alle vinkler.



Fra begynnelsen ønsket Walker å samarbeide med forskere utenfor det vanlige området for virologi og immunologi fordi han ikke trodde de tradisjonelle finansieringskanalene støttet nok ny forskning. Jeg kom ofte sammen med folk og snakket om et potensielt samarbeid med noen utenfor hiv-feltet, og det ville virke som en god idé, men det ble aldri noe sted fordi vi aldri klarte å finansiere det, sier han. Vi ønsket å få en haug med mennesker sammen og virkelig gi dem lisens til å jobbe med dette problemet og måle suksess ikke i form av artikler publisert, men i form av angrep på målet.

Denne tilnærmingen vil ha implikasjoner langt utover HIV-forskning, sier Chakraborty, nå direktør for MITs Institute for Medical Engineering and Sciences (IMES), et tverrfaglig senter som ble lansert i fjor sommer (se sidefeltet nedenfor). Det er mye snakk rundt om i verden, spesielt i dette landet, om å få støtte for denne typen arbeid i grensesnittet mellom disipliner, sier han. Men personlig kjenner jeg ikke til et annet eksempel hvor grunnleggende forskere og klinikere har jobbet i en slik synergi som Ragon Institute.

Identifisere virusets svakheter
Antiretrovirale medisiner har vært så effektive i å behandle AIDS at det er litt selvtilfredshet rundt det i USA, sier Walker. Problemet er at medisinene må tas veldig pålitelig for at resistens ikke skal utvikle seg. Et annet, større problem er at i resten av verden er det begrensede ressurser og begrensede medikamenter tilgjengelig. Færre enn 25 prosent av HIV-smittede mennesker over hele verden hadde tilgang til stoffene i 2011, ifølge Joint United Nations Program on HIV/AIDS.



Gitt disse fakta, mener Walker, er den eneste måten å utrydde HIV på å utvikle en effektiv vaksine. Men HIV er et unnvikende mål: det muterer mye raskere enn de fleste virus – til og med influensa, som vaksiner må redesignes for hvert år.

Vaksiner som provoserer en immunrespons mot noen av HIV-proteinene blir raskt ubrukelige etter hvert som proteinene utvikler seg. Imidlertid forblir noen få av aminosyrene som utgjør HIV-proteiner uendret i nesten alle stammer, noe som tyder på at de er avgjørende for virusets overlevelse. De siste årene har vaksinedesignere forsøkt å målrette mot disse aminosyrene. Men de har hatt begrenset suksess, fordi aminosyresubstitusjoner andre steder i proteinet kan bidra til å overvinne vaksinens effekter.

Så Chakraborty så etter grupper av aminosyrer i HIV-proteiner som utvikler seg sammen, uavhengig av de i andre grupper. Vaksiner som retter seg mot disse aminosyrene kan i teorien kutte av virusets evolusjonære fluktvei. I 2011, arbeidet med DNA-sekvensdata fra mange stammer av viruset, brukte Chakraborty og Walker tilfeldig matriseteori (utviklet på 1950-tallet for å studere høyenergifysikk) for å identifisere flere slike grupper, inkludert en spesielt sårbar gruppe i konvolutten rundt virusets genetiske materiale. De fant også at T-celler hos pasienter som bekjemper HIV på egen hånd, er uforholdsmessig målrettet mot aminosyrene identifisert i studien. HIV-stammer med flere mutasjoner i disse aminosyrene er sjeldne, noe som tyder på at disse stammene sliter med å overleve.



Arup Chakraborty

IMES-direktør Arup Chakraborty lager treningslandskap som identifiserer proteinsekvenser som svekker HIV.

Basert på denne studien bruker Chakrabortys team en beregningsmodell som forutsier hvor godt virus som inneholder forskjellige proteinvariasjoner kan overleve og reprodusere. I sekvensen av aminosyrer som utgjør et protein, er det 20 måter å fylle hvert spor. De analyserte tusenvis av HIV-stammer for å beregne hvor mye aminosyrevariasjon som forekommer i hver av de omtrent 500 sporene i proteinene de studerte - og hvor ofte en gitt sekvens sees. Jo mer utbredt en sekvens er, viste de, jo mer må den bidra til virusets kondisjon. Med disse dataene genererte de treningslandskap der proteinsekvenser som styrker viruset vises som åser, og de som svekker det er daler. Denne kunnskapen kan hjelpe til med å lede utviklingen av korte proteinsekvenser som, hvis de leveres som vaksiner, kan gjøre viruset dårligere tilpasset.

Dette kan hjelpe forskere med å designe vaksiner ikke bare for HIV, men også for andre virus som muterer ofte. Hvis dette holder, så er det spennende, fordi de to teknologiene du trenger for å få treningslandskap av virus er sekvensering og beregning, sier Chakraborty. Begge disse teknologiene går veldig raskt ned i pris.

Overvåking av enkeltceller
Evnen til å bekjempe HIV uten medisiner er sjelden, og dukker opp hos omtrent én av 300 personer som er smittet. Ved å lære mer om disse elitekontrollerne håper Ragon Institute-forskere å produsere vaksiner som etterligner deres suksess. For å gjøre det trenger forskerne en måte å måle hvordan individuelle immunceller reagerer på HIV-infiserte celler - noe som var umulig inntil for noen år siden.

En annen kjemisk ingeniør ved MIT som deltok på det første møtet med Walker og Ragon, Christopher Love, hadde nylig utviklet en måte å studere hvordan immunceller reagerer på vaksiner, matallergener eller smittestoffer. Han og Walker innså at denne teknologien kunne være akkurat det som var nødvendig for å sammenligne immunresponser fra HIV-infiserte mennesker som motsto AIDS og de som ble syke.

Med Loves system plasseres enkelt immunceller i tusenvis av mikroskopiske brønner på en myk gummioverflate. Sekreter fra hver celle diffunderer til et objektglass plassert på toppen, som deretter testes for tilstedeværelse av spesifikke proteiner som betennelsesgenererende cytokiner. Eventuelle proteiner som oppdages kan spores tilbake til cellen ved adressen på objektglasset. Denne prosessen genererer en enorm mengde data. Du kan nå gjøre målinger på 10 000 celler og generere 20 til 30 parametere med data på hver celle, sier Love.

I en studie fra 2011 analyserte Love og hans kolleger T-celler fra HIV-infiserte pasienter for å finne ut om, som tidligere forskning har antydet, høye nivåer av et cytokin kalt interferon gamma kan korrelere med evnen til å drepe HIV-infiserte celler. Tvert imot fant de ut at T-celler som skiller ut interferon gamma ser ut til å drepe HIV-infiserte celler bare sjelden.

Love håper nå å finne biomarkører som avslører hvilke T-celler som effektivt retter seg mot HIV. Han studerer også antistoffresponser mot HIV i immunceller fra slimhinnevev som ligger langs tykktarmen og reproduksjonskanalen. Omtrent halvparten av menneskelige immunceller er i slimhinnevev, der de fleste HIV-infeksjoner forekommer, men de fleste immunologiske studier er gjort med blodceller, så lite er kjent om hvordan slimhinneceller fungerer.

Loves celleanalysesystem kan la forskere spore pasientenes fremgang under kliniske vaksineforsøk. For det formål prøver han og kollegene å øke kapasiteten fra to daglige prøvesett (som hver inneholder 1 000 til 100 000 celler) til hundrevis eller tusenvis av sett. De jobber også med programvare for å hjelpe med å analysere gigabytene med data hentet fra hver prøve.

Walker er glad for å ha ingeniører som jobber med helseproblemer. Det er måter vi som klinikere tenker på vitenskapelige problemer som kan være begrensende, sier han. Vi tenker på hvilke verktøy vi har og hvilke spørsmål vi kan stille med disse verktøyene, mens ingeniører sier: 'Hvilket spørsmål vil du stille? La oss bygge verktøyet.'

Gjør vaksiner kraftigere
I løpet av de siste 30 årene har forskere satt tre hiv-vaksineregimer gjennom store kliniske studier. To viste seg å være ineffektive, men en beskyttet en liten, men betydelig minoritet av forsøkspersoner. Det gir håp om at en vaksine er mulig, sier Ragon Institute-medlem Darrell Irvine, professor i biologisk ingeniørvitenskap og materialvitenskap og ingeniørvitenskap.

De fleste vaksiner mot sykdommer som vannkopper og influensa bruker svekkede former av viruset som antigener, eller stoffer som provoserer en immunrespons. Fordi det blir sett på som for farlig for HIV, lager noen forskere vaksiner fra et av proteinene. Andre injiserer genetisk konstruert DNA i celler, hvor det kan styre produksjonen av virale proteiner. DNA-vaksiner ble først testet for rundt 20 år siden og funnet å fremkalle sterke immunresponser hos gnagere. Hvis de lykkes hos mennesker, kan de være tryggere enn konvensjonelle vaksiner og kan lagres lenger. Disse vaksinene ville også være lettere å utvikle for nye sykdommer og å produsere i stor skala, fordi forskerne ganske enkelt ville programmere DNA til å produsere det ønskede proteinet.

Å injisere DNA eller proteiner på egen hånd gir ikke alltid en sterk nok immunrespons, så Irvine studerer to andre strategier: å legge til en adjuvans, et molekyl som hjelper til med å stimulere immunsystemet, og levere antigenet direkte til målimmuncellene.

Tidligere i år utviklet Irvine og kollegene en måte å bygge inn DNA i en polymerfilm. Mikronåler leverer filmen omtrent en halv millimeter under huden - dypt nok til å nå immunceller som behandler smittsomme inntrengere i epidermis, men ikke dypt nok til å treffe nerveender. Lag av filmen brytes gradvis ned, og frigjør vaksinen over dager eller uker. Filmen har også en adjuvans som provoserer frem betennelse i målvevet, og tiltrekker seg immunceller slik at de kan møte det DNA-kodede virale proteinet.

I studier av mus viste teknikken en lovende evne til å fremkalle en immunrespons. Og i tester på hudprøver fra aper fant forskerne at DNA båret av filmene kom mye lettere inn i hudceller – og så ut til å vedvare lenger – enn DNA som ble injisert alene. De håper nå å gjennomføre forsøk på ikke-menneskelige primater.

[HIV er] et vanskelig problem, men jeg tror det er et løsbart problem, og jeg tror vi er forpliktet til å bringe [til det] alle verktøyene vi har til rådighet, sier Walker. Spørsmålene er hvor mange ressurser vi må legge inn i dette, og hvor raskt kan vi få det i mål som vitenskapelig samfunn?

En intellektuell hub for medisinsk ingeniørfag
MITs nye institutt forener forskere, ingeniører, klinikere

I 1970 lanserte MIT og Harvard Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology (HST), og samlet leger, forskere og ingeniører for å transformere måten medisin undervises og praktiseres på. Nå har MIT utvidet dette oppdraget ved å brette HST inn i et nytt institutt for medisinsk teknikk og vitenskap (IMES).

Arup Chakraborty, kjemisk ingeniørprofessoren som leder IMES, sier at det er ment å tjene som et intellektuelt knutepunkt som bedre vil integrere HST med resten av MIT og samle uensartet innsats på områder som bidrar til medisin. Det vil være banebrytende for nye læreplaner på høyere nivå, og tilby sertifikater og muligens gradsprogrammer.

IMES har nå 13 kjernefakultetsmedlemmer—12 fra HST pluss Chakraborty. Den vil ansette åtte flere, og alle vil dele tiden sin likt mellom IMES og en annen MIT-avdeling for å bygge forbindelser på tvers av campus. IMES er også hjemmet til MITs Medical Electronic Device Realization Center, nylig lansert for å samle MIT-fakultetet, leger og industrirepresentanter for å utvikle bedre, rimeligere medisinsk utstyr.

I tillegg planlegger IMES å samarbeide med sykehus i Boston-området i strategiske partnerskap som kan være modellert etter Ragon Institute og Bridge Program, som kobler MIT-forskere ved Koch Institute med leger ved Dana-Farber Cancer Institute.

Hvis strategiske partnerskap utvikler seg med sykehus i området, vil det bygge på dette proof of concept som Ragon Institute har levert, sier Chakraborty. -PÅ

gjemme seg