HIV hacken

An einem Nachmittag im Mai 2008 statteten Bruce Walker und Terry Ragon ’71 dem MIT einen Rekrutierungsbesuch ab. Walker ist ein Arzt der Harvard Medical School, der sich seit drei Jahrzehnten mit HIV beschäftigt; Ragon, der Gründer und CEO eines Softwareunternehmens namens InterSystems, war im Begriff, ein neues Forschungsinstitut im Wert von 100 Millionen US-Dollar für die Entwicklung von HIV-Impfstoffen mit Walker an der Spitze zu finanzieren.

Bruce Walker und Terry Ragon

Bruce Walker (links) und Terry Ragon ’71 führen das Ragon Institute auf der Suche nach einem Impfstoff zur HIV-Prävention.

Ungefähr 20 MIT-Fakultätsmitglieder kamen, um Walkers und Ragons Pitch um Hilfe bei ihrem Projekt zu hören. Einer von ihnen war Arup Chakraborty, ein Professor für Chemieingenieurwesen, der von der Mission des sogenannten Ragon Institute fasziniert war. Er hatte fast ein Jahrzehnt in der Immunologie gearbeitet, hatte sich jedoch nie mit der HIV-Forschung beschäftigt, einem isolierten Gebiet. Außerdem wusste ich nicht, was ich beitragen könnte, erinnert sich Chakraborty.



Nach mehreren Brainstorming-Sitzungen dachte Walker, dass Chakraborty in der Lage sein könnte, etwas auf den Grund zu gehen, das HIV-Forscher irritiert hatte: Menschen, deren Immunsystem von Natur aus in der Lage ist, eine HIV-Infektion abzuwehren, sind auch anfällig für Autoimmunerkrankungen. Das Phänomen schien kein Zufall zu sein. Vielleicht könnte Chakraborty, der mithilfe von Computermodellen untersucht, wie Zellen des Immunsystems zwischen fremden Eindringlingen und körpereigenen Zellen unterscheiden, den Zusammenhang herausfinden.

Etwa ein Jahr später veröffentlichte Chakraborty seinen ersten Artikel über HIV, der sich auf Immunwirkstoffe, sogenannte T-Zellen, konzentrierte. Bei bestimmten Menschen fand er heraus, dass der körpereigene Prozess zum Aussondern von T-Zellen, die gesunde Zellen angreifen könnten, nicht vollständig wirksam ist. Aber die T-Zellen, die sich diesem Prozess entziehen, sind bei der Bekämpfung von HIV besonders effektiv.

Für mich ist das ein großartiges Beispiel für etwas, das ohne die Community, die mit dem Ragon Institute entwickelt wurde, nie passiert wäre, sagt Walker.

Wissenschaftlern, Ingenieuren und Ärzten freie Hand bei der Bekämpfung von HIV zu geben, ist die Mission des Phillip T. und Susan M. Ragon Institute des Massachusetts General Hospital, MIT und Harvard. Seit seiner Eröffnung im Jahr 2009 haben Forscher der drei Institutionen zusammen – und mit anderen Forschern auf der ganzen Welt – zusammengearbeitet, um das Problem aus allen Blickwinkeln anzugehen.

Von Anfang an wollte Walker mit Forschern außerhalb des üblichen Bereichs der Virologie und Immunologie zusammenarbeiten, da er der Meinung war, dass die traditionellen Finanzierungskanäle nicht genug neue Forschung unterstützen. Ich habe mich oft mit Leuten getroffen und über eine mögliche Zusammenarbeit mit jemandem außerhalb des HIV-Bereichs gesprochen, und es scheint eine großartige Idee zu sein, aber es hat nie etwas gebracht, weil wir es nie finanzieren konnten, sagt er. Wir wollten eine Menge Leute zusammenbringen und ihnen wirklich die Lizenz geben, an diesem Problem zu arbeiten und den Erfolg nicht an veröffentlichten Papieren, sondern an Angriffen auf das Ziel zu messen.

Dieser Ansatz wird weit über die HIV-Forschung hinaus Auswirkungen haben, sagt Chakraborty, jetzt Direktor des Institute for Medical Engineering and Sciences (IMES) des MIT, einem interdisziplinären Zentrum, das im vergangenen Sommer gegründet wurde (siehe Seitenleiste unten). Weltweit, gerade hierzulande, sei viel darüber geredet, diese Art von Arbeit an der Schnittstelle der Disziplinen zu unterstützen, sagt er. Mir persönlich ist jedoch kein anderes Beispiel bekannt, in dem Grundlagenwissenschaftler und Kliniker so synergetisch zusammengearbeitet haben, wie das Ragon Institute.

Schwächen des Virus erkennen
Antiretrovirale Medikamente waren bei der Behandlung von AIDS so wirksam, dass in den Vereinigten Staaten ein wenig Selbstgefälligkeit herrscht, sagt Walker. Das Problem ist, dass die Medikamente sehr zuverlässig eingenommen werden müssen, damit sich keine Resistenzen entwickeln. Ein weiteres, größeres Problem besteht darin, dass im Rest der Welt begrenzte Ressourcen und begrenzte Medikamente zur Verfügung stehen. Laut dem Gemeinsamen Programm der Vereinten Nationen zu HIV/AIDS hatten 2011 weniger als 25 Prozent der HIV-infizierten Menschen weltweit Zugang zu den Medikamenten.

Angesichts dieser Tatsachen, glaubt Walker, besteht der einzige Weg zur Ausrottung von HIV darin, einen wirksamen Impfstoff zu entwickeln. Aber HIV ist ein schwer fassbares Ziel: Es mutiert viel schneller als die meisten Viren – sogar die Grippe, für die jedes Jahr neue Impfstoffe entwickelt werden müssen.

Impfstoffe, die eine Immunantwort gegen eines der HIV-Proteine ​​hervorrufen, werden mit der Entwicklung der Proteine ​​schnell nutzlos. Einige der Aminosäuren, aus denen HIV-Proteine ​​bestehen, bleiben jedoch in fast allen Stämmen unverändert, was darauf hindeutet, dass sie für das Überleben des Virus unerlässlich sind. In den letzten Jahren haben Impfstoffentwickler versucht, auf diese Aminosäuren abzuzielen. Sie hatten jedoch nur begrenzten Erfolg, da Aminosäuresubstitutionen an anderen Stellen des Proteins dazu beitragen können, die Wirkung des Impfstoffs zu überwinden.

Chakraborty suchte also nach Gruppen von Aminosäuren in HIV-Proteinen, die sich unabhängig von denen in anderen Gruppen gemeinsam entwickeln. Impfstoffe, die auf diese Aminosäuren abzielen, könnten theoretisch den evolutionären Fluchtweg des Virus abschneiden. Bei der Arbeit mit DNA-Sequenzdaten vieler Virusstämme verwendeten Chakraborty und Walker 2011 die Zufallsmatrixtheorie (entwickelt in den 1950er Jahren zum Studium der Hochenergiephysik), um mehrere solcher Gruppen zu identifizieren, darunter eine besonders gefährdete Gruppe in der Hülle, die das Virus umgibt genetisches Material des Virus. Sie fanden auch heraus, dass T-Zellen bei Patienten, die HIV alleine bekämpfen, überproportional auf die in der Studie identifizierten Aminosäuren abzielen. HIV-Stämme mit mehreren Mutationen in diesen Aminosäuren sind selten, was darauf hindeutet, dass diese Stämme ums Überleben kämpfen.

Arup Chakraborty

IMES-Direktor Arup Chakraborty erstellt Fitnesslandschaften, in denen Proteinsequenzen identifiziert werden, die HIV schwächen.

Aufbauend auf dieser Studie verwendet Chakrabortys Team ein Computermodell, das vorhersagt, wie gut Viren mit verschiedenen Proteinvariationen überleben und sich vermehren können. In der Aminosäuresequenz, aus der ein Protein besteht, gibt es 20 Möglichkeiten, jeden Slot zu füllen. Sie analysierten Tausende von HIV-Stämmen, um zu berechnen, wie viel Aminosäurevariation in jedem der etwa 500 Slots in den untersuchten Proteinen auftritt – und wie oft eine bestimmte Sequenz zu sehen ist. Je häufiger eine Sequenz vorkommt, desto mehr muss sie zur Fitness des Virus beitragen. Mit diesen Daten generierten sie Fitnesslandschaften, in denen Proteinsequenzen, die das Virus stärken, als Hügel erscheinen und diejenigen, die es schwächen, als Täler. Dieses Wissen kann bei der Entwicklung kurzer Proteinsequenzen helfen, die, wenn sie als Impfstoff verabreicht werden, das Virus weniger fit machen könnten.

Dies könnte Wissenschaftlern helfen, Impfstoffe nicht nur gegen HIV, sondern auch gegen andere Viren zu entwickeln, die häufig mutieren. Wenn das so bleibt, ist es aufregend, denn die beiden Technologien, die Sie benötigen, um eine Fitnesslandschaft mit Viren zu erhalten, sind Sequenzierung und Berechnung, sagt Chakraborty. Beide Technologien verlieren sehr schnell im Preis.

Überwachung einzelner Zellen
Die Fähigkeit, HIV ohne Medikamente abzuwehren, ist selten und tritt bei etwa einem von 300 Infizierten auf. Indem sie mehr über diese Elite-Controller erfahren, hoffen die Forscher des Ragon Institute, Impfstoffe herzustellen, die ihren Erfolg nachahmen. Dafür brauchen Wissenschaftler eine Möglichkeit, um zu messen, wie einzelne Immunzellen auf HIV-infizierte Zellen reagieren – was bis vor wenigen Jahren unmöglich war.

Ein weiterer Chemieingenieur des MIT, der an dem ersten Treffen mit Walker und Ragon teilnahm, Christopher Love, hatte kürzlich einen Weg entwickelt, um zu untersuchen, wie Immunzellen auf Impfstoffe, Nahrungsmittelallergene oder Infektionserreger reagieren. Er und Walker erkannten, dass diese Technologie genau das Richtige sein könnte, um die Immunreaktionen von HIV-infizierten Menschen, die gegen AIDS resistent waren, und denen, die erkrankten, zu vergleichen.

Beim Love-System werden einzelne Immunzellen in Tausenden von mikroskopisch kleinen Vertiefungen auf einer weichen Gummioberfläche platziert. Sekrete aus jeder Zelle diffundieren auf einen darüber gelegten Objektträger, der dann auf das Vorhandensein spezifischer Proteine ​​wie entzündungserzeugende Zytokine getestet wird. Alle nachgewiesenen Proteine ​​können anhand ihrer Adresse auf dem Objektträger zur Zelle zurückverfolgt werden. Dieser Prozess erzeugt eine riesige Menge an Daten. Sie können jetzt Messungen an 10.000 Zellen durchführen und 20 bis 30 Datenparameter für jede Zelle generieren, sagt Love.

In einer Studie aus dem Jahr 2011 analysierten Love und seine Kollegen T-Zellen von HIV-infizierten Patienten, um festzustellen, ob, wie frühere Forschungen nahegelegt hatten, hohe Konzentrationen eines Zytokins namens Interferon-Gamma mit der Fähigkeit, HIV-infizierte Zellen abzutöten, korrelieren. Im Gegenteil, sie fanden heraus, dass T-Zellen, die Interferon-gamma sezernieren, anscheinend nur selten HIV-infizierte Zellen abtöten.

Love hofft nun, Biomarker zu finden, die zeigen, welche T-Zellen HIV effektiv bekämpfen. Er untersucht auch Antikörperreaktionen auf HIV in Immunzellen aus Schleimhautgeweben, die den Dickdarm und den Fortpflanzungstrakt auskleiden. Ungefähr die Hälfte der menschlichen Immunzellen befinden sich in Schleimhautgeweben, wo die meisten HIV-Infektionen auftreten, aber die meisten Immunologiestudien werden mit Blutzellen durchgeführt, sodass wenig über die Funktion der Schleimhautzellen bekannt ist.

Das Zellanalysesystem von Love könnte es Forschern ermöglichen, den Fortschritt von Patienten während klinischer Impfstoffstudien zu verfolgen. Zu diesem Zweck versuchen er und seine Kollegen, die Kapazität von zwei täglichen Probensets (von denen jedes 1.000 bis 100.000 Zellen enthält) auf Hunderte oder Tausende von Sets zu erhöhen. Sie arbeiten auch an einer Software, die bei der Analyse der Gigabytes an Daten hilft, die aus jeder Probe entnommen werden.

Walker ist froh, dass Ingenieure an Gesundheitsproblemen arbeiten. Es gibt Möglichkeiten, wie wir als Kliniker über wissenschaftliche Probleme nachdenken, die einschränkend sein können, sagt er. Wir überlegen, welche Tools wir haben und welche Fragen wir mit diesen Tools stellen können, während Ingenieure sagen: „Welche Frage möchten Sie stellen? Lassen Sie uns das Werkzeug bauen.“

Impfstoffe stärker machen
In den letzten 30 Jahren haben Forscher drei HIV-Impfstoffe in großen klinischen Studien getestet. Zwei erwiesen sich als unwirksam, aber einer schützte eine kleine, aber bedeutende Minderheit von Probanden. Es gibt Hoffnung, dass ein Impfstoff möglich ist, sagt Darrell Irvine, Mitglied des Ragon Institute, Professor für Bioingenieurwesen und Materialwissenschaften und -technik.

Die meisten Impfstoffe gegen Krankheiten wie Windpocken und Influenza verwenden abgeschwächte Formen des Virus als Antigene oder Substanzen, die eine Immunantwort hervorrufen. Da dies für HIV als zu gefährlich angesehen wird, stellen einige Forscher Impfstoffe aus einem seiner Proteine ​​her. Andere injizieren genetisch veränderte DNA in Zellen, wo sie die Produktion viraler Proteine ​​steuern kann. DNA-Impfstoffe wurden erstmals vor etwa 20 Jahren getestet und es wurde festgestellt, dass sie bei Nagetieren starke Immunantworten auslösen. Wenn sie beim Menschen erfolgreich sind, könnten sie sicherer sein als herkömmliche Impfstoffe und könnten länger gelagert werden. Diese Impfstoffe wären auch leichter für neue Krankheiten zu entwickeln und in großem Maßstab herzustellen, weil Forscher einfach die DNA so programmieren würden, dass sie das gewünschte Protein produziert.

Die alleinige Injektion von DNA oder Proteinen erzeugt nicht immer eine ausreichend starke Immunantwort, daher untersucht Irvine zwei weitere Strategien: Hinzufügen eines Adjuvans, eines Moleküls, das das Immunsystem stimuliert, und Abgabe des Antigens direkt an die Zielimmunzellen.

Anfang dieses Jahres entwickelten Irvine und Kollegen eine Möglichkeit, DNA in einen Polymerfilm einzubetten. Mikronadeln führen den Film etwa einen halben Millimeter unter die Haut – tief genug, um Immunzellen zu erreichen, die infektiöse Eindringlinge in der Epidermis verarbeiten, aber nicht tief genug, um Nervenenden zu treffen. Schichten des Films bauen sich allmählich ab und setzen den Impfstoff über Tage oder Wochen frei. Der Film trägt auch ein Adjuvans, das eine Entzündung im Zielgewebe hervorruft und Immunzellen anzieht, damit sie auf das DNA-kodierte virale Protein treffen können.

In Studien an Mäusen zeigte die Technik eine vielversprechende Fähigkeit, eine Immunantwort hervorzurufen. Und bei Tests an Hautproben von Affen fanden die Forscher heraus, dass DNA, die von den Filmen getragen wird, viel leichter in die Hautzellen eindringt – und länger zu bestehen schien – als DNA, die allein injiziert wurde. Sie hoffen nun, Versuche an nichtmenschlichen Primaten durchführen zu können.

[HIV ist] ein schwieriges Problem, aber ich denke, es ist ein lösbares Problem, und ich denke, wir sind verpflichtet, jedes Werkzeug zur Verfügung zu stellen, das uns zur Verfügung steht, sagt Walker. Die Frage ist, wie viele Ressourcen wir dafür aufbringen müssen und wie schnell wir es als wissenschaftliche Gemeinschaft ans Ziel bringen können.

Ein intellektuelles Zentrum für Medizintechnik
Das neue Institut des MIT vereint Wissenschaftler, Ingenieure und Kliniker

1970 gründeten MIT und Harvard die Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology (HST), die Ärzte, Wissenschaftler und Ingenieure zusammenbringt, um die Art und Weise, wie Medizin gelehrt und praktiziert wird, zu verändern. Jetzt hat das MIT diese Mission erweitert, indem es HST zu einem neuen Institut für Medizintechnik und Wissenschaft (IMES) zusammengelegt hat.

Arup Chakraborty, der Chemieingenieur-Professor, der das IMES leitet, sagt, es soll als intellektuelles Zentrum dienen, das HST besser mit dem Rest des MIT integrieren und unterschiedliche Bemühungen in Bereichen bündeln wird, die zur Medizin beitragen. Es wird Vorreiter für neue Curricula auf Absolventenebene sein, die Zertifikate und möglicherweise Studiengänge anbieten.

IMES hat jetzt 13 Kernfakultätsmitglieder – 12 von HST plus Chakraborty. Es wird acht weitere einstellen, und alle werden ihre Zeit gleichmäßig zwischen IMES und einer anderen MIT-Abteilung aufteilen, um Verbindungen über den Campus aufzubauen. IMES ist auch die Heimat des Medical Electronic Device Realization Center des MIT, das kürzlich ins Leben gerufen wurde, um MIT-Fakultäten, Ärzte und Vertreter der Industrie zusammenzubringen, um bessere und kostengünstigere medizinische Geräte zu entwickeln.

Darüber hinaus plant IMES, mit Krankenhäusern im Raum Boston in strategischen Partnerschaften zusammenzuarbeiten, die dem Ragon Institute und dem Bridge-Programm nachempfunden sein könnten, das MIT-Forscher am Koch-Institut mit Ärzten am Dana-Farber Cancer Institute verbindet.

Wenn sich strategische Partnerschaften mit Krankenhäusern in der Umgebung entwickeln, bauen sie auf diesem Proof of Concept auf, den das Ragon Institute bereitgestellt hat, sagt Chakraborty. -BEIM

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