Una vacuna biomaterial mejora y mantiene la expansión de los ganglios linfáticos tras la vacunación, potenciando la inmunidad antitumoral en un modelo animal.

Cada uno de nosotros tiene alrededor de 600 ganglios linfáticos (LN) -pequeños órganos con forma de judía que albergan diversos tipos de células sanguíneas y filtran el líquido linfático- repartidos por todo el cuerpo. Muchos de nosotros también hemos experimentado la hinchazón temporal de algunos de nuestros LN durante infecciones por virus u otros patógenos. Esta expansión y posterior contracción de los LN también puede ser consecuencia de vacunas inyectadas en las proximidades y se cree que refleja la respuesta inmunitaria vacunal en curso. Aunque los investigadores han estudiado la expansión temprana de los LN tras la vacunación, no han investigado si la expansión prolongada de los LN podría afectar a los resultados de la vacuna.

Ahora, por primera vez, investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de la Universidad de Harvard, la Escuela John A. Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard y Genentech, miembro del Grupo Roche, han encontrado una forma de potenciar y prolongar la expansión de los LN y estudiar cómo afecta este fenómeno tanto al sistema inmunitario como a la eficacia de las vacunas contra los tumores. La clave de su enfoque fue una formulación de vacuna biomaterial que permitía una expansión de los LN mayor y más persistente que las vacunas de control estándar. Aunque las LN sobredimensionadas mantenían una organización tisular normal, mostraban características mecánicas alteradas y albergaban un mayor número de diversos tipos de células inmunitarias que suelen participar en las respuestas inmunitarias contra patógenos y cánceres. Es importante destacar que «poner en marcha» la expansión de los ganglios linfáticos antes de administrar una vacuna tradicional contra un antígeno modelo específico del melanoma dio lugar a respuestas antitumorales más eficaces y sostenidas en los ratones. Los hallazgos se publican en Nature Biomedical Engineering. 

«Al potenciar la expansión inicial y sostenida de los LN con andamios de biomateriales, monitorizarlos individualmente de forma no invasiva durante largos periodos y sondear en profundidad su arquitectura tisular y las poblaciones de células inmunitarias, correlacionamos estrechamente una expansión persistente de los LN con respuestas inmunitarias y de vacunación más robustas», afirmó el doctor David Mooney, miembro fundador del núcleo docente del Instituto Wyss, que dirigió el estudio. «Esto abre un nuevo frente de investigación para los inmunólogos y podría tener implicaciones de gran alcance para el desarrollo de futuras vacunas». Mooney es también catedrático de bioingeniería de la familia Robert P. Pinkas en SEAS y coinvestigador principal del Centro de Inmunoingeniería para Mejorar la Inmunoterapia (i3), financiado por los NIH y coordinado por Wyss.

El equipo de Mooney en el Instituto Wyss y SEAS había desarrollado anteriormente diferentes andamios de biomateriales como matriz para vacunas contra el cáncer y las infecciones. Los investigadores han demostrado el potencial de las fórmulas biomateriales de las vacunas para combatir con éxito el crecimiento de los tumores en un extenso trabajo realizado en modelos animales preclínicos y en un primer ensayo clínico con pacientes de cáncer. Pero aún no habían investigado cómo sus vacunas y las desarrolladas por otros podrían influir en la respuesta de los LN que drenan el líquido tisular filtrado en los puntos de inyección de la vacuna, y tener un impacto en la organización tisular de los LN, los diferentes tipos de células y su expresión génica, lo que a su vez podría afectar a la eficacia de la vacuna. En su nuevo estudio, probaron una formulación de vacuna desarrollada previamente que se basa en varillas de sílice mesoporosa (MPS) a microescala que pueden inyectarse cerca de los tumores y formar una estructura de andamiaje tridimensional permeable a las células bajo la piel. Diseñadas para liberar una citocina atrayente de células inmunitarias (GM-CSF) y un adyuvante activador de células inmunitarias (CpG), así como moléculas de antígenos tumorales, las vacunas MPS son capaces de reprogramar las llamadas células presentadoras de antígenos reclutadas que, al migrar a los LN cercanos, orquestan complejas respuestas inmunitarias asesinas de células tumorales. Su nuevo estudio demostró que hay más facetas en ese concepto.

«Resulta que las funciones de refuerzo inmunitario de las vacunas MPS básicas cambian activamente el estado de las LN ampliando de forma persistente toda su estructura orgánica, así como modificando su mecánica tisular y las poblaciones y funciones de las células inmunitarias», afirmó el primer autor, el doctor Alexander Najibi, que realizó su tesis doctoral con Mooney.

Sondeo de las LN con ultrasonidos y nanodispositivos

Para comprender la respuesta de los LN a las vacunas MPS a lo largo del tiempo, el equipo aplicó una técnica de imagen por ultrasonidos conocida como ecografía de alta frecuencia (HFUS). De forma similar a la monitorización de un feto diminuto que se desarrolla en el útero materno mediante ultrasonidos clínicos, la HFUS, a una escala mucho menor, permite monitorizar de forma no invasiva y no destructiva los detalles anatómicos de tejidos y órganos en animales pequeños como los ratones. Utilizando la HFUS, el equipo rastreó los LN individuales en ratones vacunados contra la MPS durante 100 días. Identificaron un periodo inicial de expansión máxima que duró hasta el día 20, en el que los volúmenes de los LN aumentaron unas 7 veces, significativamente más que en los animales que recibieron formulaciones vacunales tradicionales. Es importante destacar que los LN de los ratones vacunados con MPS, aunque disminuyeron en volúmenes después de este pico de expansión, permanecieron significativamente más expandidos que los LN de los ratones vacunados tradicionalmente a lo largo del curso temporal de 100 días.

Cuando Najibi y su equipo investigaron las respuestas mecánicas de los LN utilizando un dispositivo de nanoindentación, descubrieron que los LN de los animales vacunados contra la MPS, aunque mantenían una estructura general normal, eran menos rígidos y más viscosos en determinadas localizaciones. Esto iba acompañado de una reorganización de una proteína que ensambla y controla el citoesqueleto mecánicamente activo de las células. Curiosamente, el grupo de Mooney había demostrado en un estudio anterior sobre biomateriales que el cambio de las características mecánicas del entorno de las células inmunitarias, especialmente su viscoelasticidad, afecta al desarrollo y las funciones de las células inmunitarias. «Es muy posible que para acomodar el importante crecimiento inducido por las vacunas MPS, las LN necesiten volverse más blandas y viscosas, y que esto repercuta después en el reclutamiento, la proliferación y la diferenciación de las células inmunitarias en un proceso de retroalimentación», dijo Najibi.

Del compromiso de las células inmunitarias a las respuestas vacunales

Curiosamente, tras la vacunación con MPS, el número de «células inmunitarias innatas», incluidos monocitos, neutrófilos, macrófagos y otros tipos de células que constituyen la primera oleada de defensas inmunitarias contra patógenos y células no deseadas, alcanzó su máximo primero en los LN en expansión. Con un retraso, alcanzaron su punto máximo las células dendríticas (CD), que normalmente transfieren información en forma de antígenos de patógenos invasores y células cancerosas a las «células inmunitarias adaptativas» que, a continuación, lanzan oleadas posteriores de respuestas inmunitarias altamente específicas contra los invasores productores de antígenos. De hecho, junto con las CD, también los tipos de células T y B del sistema inmunitario adaptativo empezaron a alcanzar sus cifras más altas. «Fue fascinante ver cómo los distintos cambios en las poblaciones de células inmunitarias que detectamos en los LN en expansión en respuesta a la vacuna MPS con el paso del tiempo reproducían una respuesta inmunitaria típica frente a patógenos infecciosos», comentó Najibi. 

Las células inmunitarias innatas y las DC también se conocen como «células mieloides», de las que se sabe que interactúan con el tejido LN durante la expansión temprana. Para definir mejor el impacto de las células mieloides en la expansión del LN, el equipo de Mooney colaboró con el grupo de la doctora Shannon Turley, vicepresidenta de Inmunología y Medicina Regenerativa de Genentech y experta en biología de los ganglios linfáticos e inmunología tumoral. «La vacuna MPS provocó cambios estructurales y celulares extraordinarios en el ganglio linfático que favorecieron una potente inmunidad antígeno-específica», afirmó Turley.

Mediante el aislamiento de células mieloides de los LN y el análisis de los perfiles de expresión génica de células individuales (RNA-seq unicelular), los grupos pudieron reconstruir cambios distintivos en las poblaciones de células mieloides durante la expansión de los LN e identificaron poblaciones distintas de DC en los LN expandidos de forma duradera cuyo cambio en la expresión génica estaba asociado a la expansión de los LN. Además, los colaboradores descubrieron que el número de monocitos se multiplicaba por 80 tras la vacunación con MPS -el mayor aumento entre todos los tipos de células mieloides- y señalaron subpoblaciones de «monocitos inflamatorios y presentadores de antígenos» como candidatos prometedores para facilitar la expansión del LN. De hecho, cuando agotaron subpoblaciones específicas de estos tipos de monocitos de la sangre circulante de los ratones tras la vacunación, se alteró el mantenimiento de la expansión del LN y el momento de la respuesta de las células T a la vacunación.

Por último, el equipo exploró si la expansión del LN podía aumentar la eficacia de la vacunación. «Cebar» el sistema inmunitario en los LN con una vacuna MPS sin antígeno y administrar posteriormente el antígeno en un formato de vacuna tradicional mejoró significativamente la inmunidad antitumoral y prolongó la supervivencia de los ratones portadores de melanoma, en comparación con la vacuna tradicional sola. «El cebado de los ganglios linfáticos para posteriores vacunaciones mediante diversas formulaciones podría ser una fruta madura para futuros desarrollos de vacunas», afirmó Mooney.

«Esta nueva capacidad de expandir físicamente los ganglios linfáticos y potenciar sus diversas actividades inmunitarias a lo largo de tratamientos más prolongados, utilizando biomateriales ingeniosamente diseñados y fáciles de administrar, podría dar un tremendo impulso a las inmunoterapias en los pacientes. También es otro gran ejemplo de cómo la mecánica desempeña un papel clave en la regulación de los sistemas vivos, incluso en las respuestas inmunitarias en las que pocos considerarían importantes las señales físicas", afirmó el Dr. Donald Ingber, Director Fundador de Wyss, que también es Catedrático Judah Folkman de Biología Vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y el Hospital Infantil de Boston, y Catedrático Hansjörg Wyss de Ingeniería Bioinspirada en SEAS.

Otros autores del estudio son Ryan Lane, Miguel Sobral, Giovanni Bovone, Shawn Kang, Benjamin Freedman, Joel Gutiérrez Estupinan, Alberto Elosegui-Artola, Christina Tringides, Maxence Dellacherie, Katherine Williams, Hamza Ijaz y Sören Müller. El estudio fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud/Instituto Nacional del Cáncer (award# U54 CA244726 y R01 CA223255).

Fuente: Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard