Vacunas

Nanotecnología y desarrollo de vacunas

Fuente original: .https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S181808761400035X

Mirror: .Nanotechnology and vaccine development

Mi-Gyeong Kim aJoo Yeon Park aYuna Shon aGunwoo Kim bGayong Shim aYu-Kyoung Oh a

Resumen

A pesar del progreso de las vacunas convencionales, claramente se requieren mejoras debido a las preocupaciones sobre la débil inmunogenicidad de estas vacunas, la inestabilidad intrínseca in vivo, la toxicidad y la necesidad de múltiples administraciones. Para superar estos problemas, recientemente se han incorporado plataformas de nanotecnología al desarrollo de vacunas. Los sistemas de administración basados ​​en nanoportadores ofrecen la oportunidad de mejorar las respuestas inmunitarias humorales y celulares. Esta ventaja es atribuible al tamaño de partícula a nanoescala, que facilita la captación por las células fagocíticas, el tejido linfoide asociado al intestino y el tejido linfoide asociado a las mucosas, lo que conduce a una presentación y reconocimiento de antígenos eficientes. La modificación de las superficies de los nanoportadores con una variedad de restos de orientación permite la entrega de antígenos a receptores específicos de la superficie celular.estimulando así respuestas inmunes específicas y selectivas. En esta revisión, presentamos avances recientes en sistemas de administración de vacunas basados ​​en nanoportadores, con un enfoque en los tipos de transportadores, incluidos liposomas, emulsiones, partículas a base de polímeros y nanomateriales a base de carbono. Describimos los desafíos restantes y los posibles avances, incluido el desarrollo de nanotecnologías sin agujas y una comprensión fundamental del comportamiento in vivo y la estabilidad de los nanoportadores en sistemas de administración basados ​​en nanotecnología.Describimos los desafíos restantes y los posibles avances, incluido el desarrollo de nanotecnologías sin agujas y una comprensión fundamental del comportamiento in vivo y la estabilidad de los nanoportadores en sistemas de administración basados ​​en nanotecnología.Describimos los desafíos restantes y los posibles avances, incluido el desarrollo de nanotecnologías sin agujas y una comprensión fundamental del comportamiento in vivo y la estabilidad de los nanoportadores en sistemas de administración basados ​​en nanotecnología.

1. Introducción
Los brotes estacionales de enfermedades infecciosas pantrópicas han elevado el desarrollo de vacunas eficaces al estado de una preocupación sanitaria mundial. Las vacunas se han desarrollado utilizando organismos muertos [1], organismos vivos atenuados [2] o toxinas inactivadas [3]. Recientemente, las vacunas de subunidades [4] y las vacunas de ADN que codifican proteínas patógenas antigénicas [5] se han examinado como nuevas modalidades de vacuna. Aunque las vacunas de subunidades y las vacunas de ADN tienen las ventajas de un alto perfil de seguridad sobre la vacuna tradicional, estas vacunas adolecen de una inmunogenicidad relativamente menor. La inmunogenicidad se puede mejorar potencialmente modulando la formulación de la vacuna utilizando nanotecnología.

Las nanotecnologías desarrolladas para su uso en el campo de las vacunas abarcan nanoportadores que tienen una variedad de composiciones, tamaños y propiedades superficiales [6]. Se han diseñado e investigado numerosos nanoportadores de vacunas por su utilidad en el suministro de antígenos y adyuvantes a las células inmunes en un esfuerzo por promover una respuesta inmunitaria protectora. Desafortunadamente, aunque los antígenos pueden ser absorbidos por las células inmunes, la actividad adyuvante insuficiente puede resultar en una inmunogenicidad limitada. En algunos enfoques, los nanoportadores se han diseñado para administrar conjuntamente un antígeno y un adyuvante [7]. Los nanoportadores pueden facilitar el direccionamiento y / o la liberación sostenida de antígenos o adyuvantes a las células presentadoras de antígenos [8], [9].

Los mecanismos de trabajo de las formulaciones de vacunas basadas en nanotecnología respaldan la utilidad de los nanoportadores en los campos de las vacunas. Las células fagocíticas, como los macrófagos y las células dendríticas (DC), absorben fácilmente partículas menores de 10 μm. Esta propiedad se ha utilizado para mejorar la captación celular de antígenos, aumentando así la eficiencia del reconocimiento y la presentación de antígenos [10]. Los nanoportadores sólidos pueden proteger las vacunas antigénicas basadas en proteínas de la degradación y facilitar la entrada en el tejido linfoide asociado al intestino y los tejidos linfoides asociados a las mucosas, haciéndolos apropiados para la administración de vacunas por vía oral o mucosa [11]. Los nanotransportadores de superficie modificada pueden ayudar a la administración dirigida de antígenos. Las células inmunes expresan una variedad de receptores de superficie, incluidos el receptor de manosa, el receptor captador y los receptores tipo toll (TLR) [12]. Los nanoportadores recubiertos con moléculas dirigidas a células inmunitarias, como carbohidratos [13], anticuerpos [14] y péptidos [15], pueden apuntar a estos receptores sobreexpresados ​​para mejorar la eficiencia de la administración de antígenos y adyuvantes hacia la promoción de respuestas inmunitarias específicas y selectivas en vacunas profilácticas.

Esta revisión proporciona una descripción general de los avances recientes en los sistemas de vacuna nanoportadora, incluidos los liposomas, las emulsiones, los sistemas de nanoentrega basados ​​en polímeros y los sistemas de nanoentrega basados ​​en carbono (Fig. 1). El estado actual de las aplicaciones in vivo de nanoportadores se resume en la Tabla 1.

 

Cuadro 1. Aplicaciones in vivo de nanoportadores para la administración de vacunas.

2. Sistemas de nanoentrega de vacunas

2.1. Liposomas

Desde el primer informe de que los liposomas pueden actuar como adyuvantes inmunológicos [16], las formulaciones de liposomas (Fig. 1A) se han estudiado extensamente para su uso en sistemas de administración de vacunas. En el momento de esta publicación, al menos 8 vacunas liposomales se encuentran en ensayos clínicos o han sido aprobadas para uso humano [17]. Las propiedades fisicoquímicas de los liposomas, incluido su tamaño, composición lipídica y estructura, se pueden modular de acuerdo con las propiedades del antígeno de la vacuna para maximizar la inmunogenicidad. Los liposomas están compuestos de bicapas de fosfolípidos biocompatibles y son capaces de cargar y distribuir moléculas tanto hidrófilas como hidrófobas. Estas propiedades permiten la co-entrega de antígeno y otras moléculas, como adyuvantes. Las superficies de los liposomas pueden modificarse fácilmente usando el lípido funcionalmente activo apropiado como componente de la bicapa lipídica. Se han diseñado liposomas de superficie modificada para dirigirse a células inmunes, coadministrar agentes inmunoestimuladores y potenciar las respuestas inmunitarias tanto humorales como mediadas por células simultáneamente para mejorar la eficacia de las vacunas liposómicas.

Las propiedades fisicoquímicas de los liposomas, como su tamaño y fluidez, son importantes para la inducción de una respuesta inmunitaria. El tamaño de las vesículas de los liposomas compuestos de dimetildioctadecilamonio catiónico (DDA) puede afectar la respuesta inmune mediada por células, pero no la respuesta inmune humoral [18]. Se encontró que los liposomas de más de 2 µm de diámetro promueven eficazmente la producción de interleucina-10, mientras que los liposomas de 500 nm de diámetro promueven un nivel más alto de producción de interferón-γ en los esplenocitos.

Se encontró que pequeñas vesículas unilaminares compuestas de liposomas catiónicos DDA producen mayores respuestas de células T CD8 en comparación con las vesículas multilaminares más grandes [19]. Un estudio reciente informó que los liposomas rígidos basados ​​en lípidos DDA producían una respuesta inmune dirigida por Th1 contra los antígenos que era 100 veces mayor que la respuesta producida por los liposomas basados ​​en dimetildioleoilamonio fluídico (DODA) [20].

El suministro liposómico de antígenos proteicos mediante métodos de adsorción de superficie puede optimizarse ajustando la proporción de antígeno de superficie y lípidos. La proporción de antígeno de superficie de proteína a lípido puede afectar el comportamiento de agregación de los liposomas y puede afectar la estabilidad general de la vacuna durante el almacenamiento [21]. Las modificaciones superficiales de los liposomas portadores de antígenos que incorporan grupos de polietilenglicol (PEG) pueden reducir la agregación de liposomas. Sin embargo, la retención de los liposomas en los sitios de inyección se redujo simultáneamente, alterando así la respuesta inmune Th1 / Th2 en comparación con la respuesta producida por los liposomas no modificados [22].

La coadministración liposómica de antígenos y una molécula inmunoestimuladora puede mejorar la generación de una respuesta inmunitaria protectora. El atrapamiento de trehalosa 6,6-dibehenato (TDB), una molécula inmunoestimuladora, dentro de un liposoma no afectó las propiedades fisicoquímicas de diestearoil-sn-glicero-3-fosfocolina neutra (DSPC) o liposomas catiónicos basados ​​en DDA, y aumentó significativamente la producción de IFN-γ después de la inmunización [23]. Se añadió monofosforil lípido A (MPL), un agonista de TLR 4 poco soluble, a las bicapas de liposomas catiónicos compuestos de DDA y TBD para aumentar el empaquetamiento de la membrana del liposoma y reducir las cargas superficiales. La formulación liposomal MPL / DDA / TDB portaba ovoalbúmina (OVA) como antígeno modelo. En ratones, la presencia de MPL en los liposomas no afectó la respuesta inmune humoral, pero mejoró significativamente la respuesta inmune de células T CD8 + específicas de antígeno [24]. Algunos estudios informaron del uso de una formulación adyuvante que comprende liposomas que contienen una molécula inmunoestimuladora. Se encontró que la coadministración de una vacuna trivalente contra la influenza y liposomas catiónicos que contienen TDB aumenta tanto la respuesta inmunitaria humoral como la celular [25].

Las vesículas multilaminares reticuladas entre capas se diseñaron y probaron recientemente como nanoportadores de antígenos proteicos [26]. Las vesículas se formaron reticulando los grupos de cabeza de las bicapas lipídicas dentro de vesículas mutilaminares aniónicas compuestas por 1,2-dioleoil-sn-glicero-3-fosfocolina (DOPC), 1,2-di- (9Z-octadecenoil) -snglicero-3 -fosfo- (1′-rac-glicerol) (DOPG) y maleimida-lípido del grupo de cabeza 1,2-dioleoil-sn-glicero-3-fosfoetanolamina-N- [4- (p-maleimidofenil) butiramida (MPB). La reticulación entre capas a través de la fusión basada en cationes de magnesio divalente permitió el atrapamiento estable de antígenos proteicos dentro del núcleo y moléculas inmunoestimuladoras lipofílicas dentro de las membranas lipídicas. Se usó OVA como un antígeno modelo para demostrar que las vesículas entrecruzadas entre capas proporcionaban la liberación sostenida de antígenos y potenciaban la respuesta inmune de células T CD8 + específica de antígeno en comparación con los liposomas no entrecruzados.

Se examinaron los liposomas quelantes de níquel para determinar su uso potencial en la carga de vacunas de antígeno mediada por la etiqueta His [27]. Se prepararon liposomas quelantes de níquel de 100 nm de tamaño usando fosfatidilcolina de huevo (EPC) y un lípido quelante de níquel, 1,2-dioleoil-sn-glicero-3- [ácido N (5-amino-1-carboxipentil) iminodiacético] succinilo. sal de níquel (DOGS-NTA-Ni), en una relación molar de 95: 5. La proteína de choque térmico marcada con His de Candida albicans se cargó sobre las superficies de los liposomas quelantes de níquel mediante la formación de enlaces metaloquelantes incubando los antígenos con los liposomas.

También se han preparado liposomas quelantes de níquel incorporando derivados lipídicos del ácido nitrilotriacético en los liposomas para promover la unión a antígenos OVA polihistidinilados [28]. Los liposomas estaban compuestos de DOGS-NTA-Ni, dimiristoilfosfatidilcolina (DMPC), dimiristoilfosfatidilglicerol (DMPG), colesterol y MPL. Aunque estos liposomas metaloquelantes ofrecen un progreso significativo hacia la carga de antígenos proteicos recombinantes sin modificar covalentemente los antígenos, la toxicidad de los lípidos quelantes de níquel presenta ciertos problemas de seguridad para aplicaciones clínicas.

Se encontró que las formulaciones de adyuvantes de liposomas en aceite prolongan la respuesta inmune después de la vacunación [29]. Los toxoides diftéricos se coencapsularon con poli (I: C) en un liposoma compuesto de lecitina y colesterol (relación 9: 1 M). La inyección subcutánea de los liposomas suspendidos en aceite (Marcol 52: Montanide 888, 9: 1) generó una respuesta inmune persistente al reducir el transporte de antígeno a los ganglios linfáticos de drenaje.

Se ha examinado la capacidad de los liposomas catiónicos para mejorar la adyuvancia de los agonistas de TLR basados ​​en ácidos nucleicos. Los liposomas compuestos por el lípido catiónico octadecenolioxi [etil-2-heptadecenil-3 hidroxietil] imidazolinio cloruro y colesterol se complejaron con el ADN plasmídico basado en CpG agonista de TLR [30]. Se demostró que la administración intramuscular de la combinación de lipoplexes y Fluzone, una vacuna contra la influenza, proporciona una respuesta de anticuerpos mejorada e inmunidad celular en ratones [30] y en macacos rhesus ancianos [31].

2.2. Emulsiones

Las emulsiones se han estudiado durante mucho tiempo como formulaciones adyuvantes y más recientemente se han estudiado como sistemas de administración de vacunas. Las emulsiones son dispersiones de dos o más líquidos inmiscibles compuestas de aceite, emulsionantes y excipientes (Fig. 1B). Pueden formarse dos amplias clases de emulsiones: emulsiones de agua en aceite y emulsiones de aceite en agua. El último tipo de emulsión se usa típicamente en formulaciones de adyuvantes.

La emulsión de adyuvante de vacuna más famosa es MF59. MF59 consta de aceite de escualeno, Span 85 y Tween 80 en un tampón de citrato. La vacuna contra la influenza estacional con adyuvante MF59 (Fluad ™) fue aprobada en Europa en 1997 [32]. MF59 puede aumentar eficazmente la respuesta inmunitaria en lactantes y niños pequeños [33]. Un estudio reciente investigó el papel de cada componente de MF59 en las propiedades adyuvantes [34]. Se encontró que Span 85 activaba el transcriptoma muscular. Sin embargo, Span 85 solo no proporcionó una respuesta inmune eficaz comparable a la de MF59.

MF59 se estudió por su capacidad para aumentar la inducción de anticuerpos contra los antígenos proteicos del meningococo [35] y la vacuna Neisseria meningitidis B [36]. Se demostró que la administración de antígenos de la proteína B meningocócica recombinante junto con el agonista de TLR4, E6020, dentro de MF59 causa una fuerte respuesta de células T CD4 específica de antígeno después de tres inyecciones intramusculares por etapas en ratones CD-1 [35].

AF03, otra emulsión a base de escualeno, se ha utilizado como adyuvante de vacuna. AF03, que consiste en escualeno, oleato de sorbitán y cetheareth-12, está presente en la vacuna contra la influenza comercializada, Humenza ™. Recientemente, se caracterizaron las propiedades fisicoquímicas de AF03 para evaluar la estabilidad a largo plazo de la formulación. Los tensioactivos en AF03 se analizaron mediante espectroscopia de masas y cromatografía líquida de alta resolución-espectroscopia de masas como pruebas de control de calidad en los procesos de fabricación de emulsiones [37], [38].

Además de las emulsiones MF59 y AF03 basadas en escualeno, se han desarrollado formulaciones de nanoemulsión adyuvantes sin escualeno. Por ejemplo, se encontró que una dispersión acuosa de W805EC, compuesta de cloruro de cetilpiridinio, Tween 80, etanol y aceite de soja, en solución salina tamponada con fosfato o NaCl al 0,9%, promueve una respuesta inmune al antígeno modelo OVA mediante administración intranasal [39 ]. El adyuvante nasal de la nanoemulsión W805EC se atribuyó a la absorción de células dendríticas de células epiteliales cargadas de antígeno [40].

Se ha probado el glucopiranosil lípido A (GLA), un agonista de TLR4, para determinar su capacidad adyuvante en el contexto de formulaciones de antígenos de vacuna en emulsión de aceite en agua. Por ejemplo, GMZ2, un componente de proteína de fusión en una vacuna anti-falciparum, se combinó con GLA en una formulación de vacuna en emulsión de aceite en agua [41]. Las propiedades inmunoestimuladoras de GLA se compararon luego con las propiedades de varios otros agentes inmunoestimuladores formulados con GMZ2. Se encontró que GLA presentaba los títulos más altos de IgG2a e IgG total específicos de antígeno. Otro estudio informó que la inmunogenicidad de una vacuna recombinante de proteína Plasmodium vivax podría mejorarse mediante la coadministración subcutánea de la vacuna con GLA en una formulación de emulsión de aceite en agua [42]. Se descubrió que la administración intradérmica de GLA en emulsiones de aceite en agua a explantes de piel humana mejora la capacidad de las CD de la piel para activar tanto las células T CD4 + como la emigración de las células de Langerhans dentro de los tejidos de la piel [43]. Las emulsiones de aceite en agua que contienen GLA y hemaglutinina recombinante se encuentran actualmente en ensayos clínicos de fase 2 para la prevención de la influenza estacional [44]. Se encontró que la adyuvante de la emulsión de hemaglutinina preparada con GLA aumenta los títulos de anticuerpos específicos de hemaglutinina en relación con la formulación preparada sin GLA, después de la administración intramuscular a adultos sanos.

La comercialización exitosa de emulsiones a base de escualeno en vacunas comercializadas sugiere que los enfoques de adyuvantes de emulsión justifican una mayor exploración. La estabilidad de la formulación durante el almacenamiento y el desarrollo de componentes oleosos biocompatibles pueden ser preocupaciones cruciales para el desarrollo de nuevas formulaciones en emulsión para la administración de vacunas.

2.3. Sistemas de nanoentrega basados ​​en polímeros sintéticos
Se han examinado nanoportadores poliméricos (Fig. 1C) como sistemas de administración de vacunas para aprovechar su capacidad de ofrecer la liberación controlada de antígenos o adyuvantes. El poli (ácido láctico-co-glicólico) (PLGA) es el nanoportador de polímero sintético biodegradable más utilizado con una historia relativamente larga de uso biomédico. Se ha variado el tamaño de partícula de PLGA y se han introducido modificaciones superficiales en las formulaciones de vacunas para su uso en administración oral, mucosa y sistémica.

Se demostró que los tamaños, la modificación de la superficie y los perfiles de liberación de las partículas de PLGA afectan la inmunogenicidad de los antígenos atrapados. Se sugirió que el tamaño medio de una formulación de vacuna contra el virus de la hepatitis B pulmonar basada en nanopartículas de PLGA o poli (ácido l-láctico) en aerosol influye en la inmunogenicidad del antígeno [45]. Las nanopartículas mayores de 500 nm indujeron la generación de IgA secretaria específica de antígeno de manera más eficaz que las nanopartículas más pequeñas (<500 nm) en ratas.

Las superficies de las nanopartículas poliméricas de PLGA se modificaron con lípidos para permitir el suministro conjunto de antígenos y adyuvantes [46]. En un estudio reciente, el antígeno OVA se ancló covalentemente a un recubrimiento de bicapa de fosfolípidos pegilado formado en las superficies de nanopartículas de PLGA, y se incorporó un adyuvante lipídico, como MPL o α-galactosilceramida, en la bicapa lipídica. Se demostró que la coadministración subcutánea de OVA con MPL en el recubrimiento lipídico de la superficie de nanopartículas de PLGA mejora los valores de títulos de IgG específicos de antígeno en más de 10 veces. Otros grupos han conjugado un antígeno candidato de la malaria por P. vivax, VMP001, a las superficies de las partículas de PLGA recubiertas de lípidos, y MPL se ha incorporado a las membranas lipídicas [47]. En el estudio, las superficies de las partículas de PLGA se recubrieron con lípidos compuestos de DOPC, DOPG y 1,2-diestearoil-sn-glicero-3-fosfoetanolamina-N- [maleimida].

Se demostró que la liberación prolongada de antígenos liberados por nanopartículas de PLGA mejora la respuesta inmune al antígeno modelo OVA [8]. Las nanopartículas de PLGA proporcionaron un perfil de liberación de OVA que se extendió durante 10 semanas y fue mucho más lento que el perfil de liberación obtenido de una formulación liposomal. De acuerdo con el perfil de liberación sostenida, una formulación de vacuna particulada de OVA-PLGA indujo un título de anticuerpos más alto en comparación con la formulación de liposomas 8 semanas después de la administración subcutánea en ratones.

La vacuna sintética PLGA SEL-068 (Selecta Bioscience, Inc., EE. UU.) Se encuentra ahora en ensayos clínicos de fase I para la prevención de la adicción a la nicotina y la recaída (http://www.selectabio.com). SEL-068 fue diseñado para facilitar el abandono del hábito de fumar y es la primera nanovacuna que ingresa en ensayos clínicos. La formulación SEL-068 incorpora un antígeno peptídico universal para provocar la respuesta de las células T colaboradoras y un agonista de TLR inmunoestimulante en la matriz del polímero PLGA. La nicotina, un antígeno de células B, está unido covalentemente a las superficies de las nanopartículas. No se observaron toxicidades sistémicas limitantes de la dosis en un estudio de seguridad y eficacia de GLP de dosis repetidas en monos cynomolgus.

Se ha probado la utilidad de otros polímeros biodegradables, incluidos poli (ε-caprolactona) y polianhídridos, en aplicaciones de administración de vacunas. El antígeno de hemaglutinina H1N1 se incorporó en nanopartículas de policaprolactona recubiertas de quitosano. Se demostró que la administración intranasal de nanoportadores de quitosano-policaprolactona que contienen hemaglutinina H1N1 produce niveles de IgG sérica y niveles de IgA secretora en el lavado nasal y pulmonar que eran más altos que los producidos después de la administración intranasal del antígeno soluble a ratones Balb / c [48].

Se han probado nanoportadores de polianhídrido como sistemas de administración de vacunas para aprovechar sus perfiles biodegradables y de seguridad. Se examinaron nanopartículas de polianhídrido que contenían antígenos de Yersinia pestis para la vacunación intranasal [49]. La proteína recombinante F1-V se cargó conjuntamente con el adyuvante MPL para inducir la generación de anticuerpos específicos de F1-V detectados 23 semanas después de la vacunación. Se demostró que las micropartículas de polianhídrido son captadas por las células DC e inducen la proliferación específica de antígeno de las células T CD4 + y CD8 + [50].

Se han diseñado numerosas nanopartículas poliméricas para atrapar antígenos físicamente dentro de matrices poliméricas. También se ha probado la utilidad de los polplexos electrostáticos para administrar antígenos de subunidades [51] o vacunas de ADN plasmídico [52], [53]. El antígeno de superficie de la hepatitis B se cargó en microesferas catiónicas de ácido l-poliláctico mediante la formación de complejos electrostáticos [51]. Se encontró que una única inmunización subcutánea con HBsAg complejado sobre las superficies de microesferas catiónicas inducía niveles comparables de respuestas de IgG en suero y respuestas inmunes celulares superiores en comparación con dos inyecciones de HBsAg con alumbre adyuvante en un modelo de ratón.

Se han utilizado polímeros catiónicos para formar complejos con vacunas de ADN plasmídico cargado negativamente. Se utilizó polietilenimina catiónica desacilada para formar complejos con el antígeno CN54gp140 del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) [52]. La administración pulmonar de los polyplex provocó una respuesta inmune y protegió a los ratones inmunizados contra el desafío viral. Se utilizó poli [2- (N, N-dimetilamino) etil metacrilato] pegilado para administrar la vacuna de ADN gag del VIH [53]. Se observó que la administración intranasal de los polyplexes aumentaba los niveles de IgG en suero específicos de gag y los esplenocitos secretores de IFN-γ en ratones en comparación con el grupo tratado con la vacuna de ADN desnudo.

Los sistemas de administración de vacunas a base de polímeros sintéticos pueden proporcionar un perfil de liberación sostenida para los antígenos de la vacuna durante períodos prolongados. El perfil de liberación se puede ajustar controlando los pesos moleculares de los polímeros sintéticos y las condiciones de encapsulación. Hasta la fecha se han probado relativamente pocos sistemas de administración de polímeros sintéticos biodegradables y biocompatibles, y los perfiles de seguridad de los productos de biodegradación no se han estudiado exhaustivamente. Se prevé que los avances en el campo del desarrollo de polímeros biodegradables acelerarán los estudios de administración de vacunas basadas en polímeros.

2.4. Sistemas de nanoentrega basados ​​en biopolímeros naturales

Los biopolímeros naturales, incluidos el quitosano y el pululano, se han estudiado como sistemas de administración de vacunas o adyuvantes. El quitosano es biocompatible, no tóxico, biodegradable y proporciona una carga catiónica que puede facilitar la endocitosis. En el contexto de la administración de vacunas, el quitosano muestra propiedades valiosas, incluida la mucoadhesividad y una adyuvante que actúa promoviendo la maduración de las CD.

La mucoadhesividad del quitosano se ha aprovechado en las formulaciones de administración de vacunas por las mucosas. Un estudio reciente mostró que un nanoportador de N-trimetilquitosano que lleva un antígeno modelo OVA proporciona una residencia prolongada en la mucosa nasal en comparación con las nanopartículas de PLGA que llevan el mismo antígeno [54]. Mientras que las formulaciones de vacunas a base de N-trimetilquitosano administradas por vía intramuscular proporcionaron respuestas inmunes que eran comparables a las generadas por la vacuna a base de PLGA, las formulaciones de vacunas a base de N-trimetilquitosano administradas por vía intranasal indujeron niveles más altos de IgA secretora específica de antígeno en comparación con los portadores de PLGA. Estos resultados sugieren la importancia de la mucoadhesividad en los portadores de vacunas para mejorar la inducción de la inmunidad de las mucosas.

Las nanopartículas de quitosano se estudiaron como sistemas de administración de vacunas por las mucosas [55]. Se prepararon nanopartículas de quitosano que encapsulaban el virus de la influenza dividido por hemaglutinina reticulando iónicamente los polímeros de quitosano en presencia de tripolifosfato de sodio. Dos dosis de vacunación intranasal del virus de la influenza dividido con hemaglutinina atrapado en nanopartículas de quitosano indujeron respuestas de anticuerpos sistémicos y mucosas más altas en comparación con las respuestas generadas por una vacuna preparada a partir del virus de la influenza dividido con hemaglutinina solo en ratones.

Se ha examinado el destino intracelular del HBsAg encapsulado en nanopartículas de quitosano [56]. Los destinos celulares de las nanopartículas de HBsAg y quitosano se siguieron marcando con fluorescencia el HBsAg y el quitosano con Cy3 y Cy5, respectivamente. Se encontró que las nanopartículas de quitosano que contienen HBsAg eran endocitosadas por DC derivadas de la médula ósea, y se encontró que el HBsAg se disociaba de las nanopartículas 6 h después de la captación celular. Se pensaba que la disociación de HBsAg de las nanopartículas de quitosano era el resultado de la degradación de la matriz de quitosano en el lisosoma.

Se estudiaron hidrogeles a nanoescala a base de polímero de pululano conjugado con colesterilo como posibles vehículos de vacuna [57]. Se cargó un fragmento de subunidad no tóxico de la neurotoxina de Clostridium botulinum tipo A BoHc / A en el nanogel y se administró por vía intranasal. La viscosidad del nanogel promovió la retención de BoHc / A en la capa de la mucosa nasal. Después de la liberación del nanogel, las CD de las mucosas absorbieron BoHc / A. Las formulaciones de nanogel intranasales proporcionaron títulos altos de IgG sérica neutralizante de antígeno y sIgA específica de antígeno en ausencia de adyuvantes mucosos adicionales.

Se han investigado los sistemas de administración de vacunas híbridas de polímero sintético y natural. Por ejemplo, se desarrollaron nanopartículas de policaprolactona recubiertas de quitosano para la administración intranasal de la proteína hemaglutinina H1N1 recombinante del virus de la influenza A (A / California / 07/2009) [48]. Aproximadamente el 66,5% de los antígenos atrapados se liberaron de las nanopartículas durante 63 días. Una sola inmunización intranasal con nanopartículas de policaprolactona recubiertas de quitosano cargadas con antígeno dio como resultado una respuesta de IgG total que excedió la respuesta lograda después de una administración intramuscular de refuerzo de la solución de antígeno de subunidad libre en ratones Balb / c.

2.5. Sistemas de nanoentrega basados ​​en carbono

Los nanomateriales basados ​​en carbono y los nanotubos de carbono en particular se investigaron recientemente como sistemas de liberación de antígenos [58]. Los sistemas de nanoentrega basados ​​en carbono son insolubles, no degradables e imitan a las bacterias en tamaño y forma. Los nanotubos de carbono no son intrínsecamente inmunogénicos, presentan una baja toxicidad, son capaces de transportar múltiples antígenos y son absorbidos rápidamente por las células presentadoras de antígenos. Estas características respaldan la viabilidad de utilizar nanotubos de carbono como portadores de antígenos.

Zeinali y sus colegas examinaron la utilidad de los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) en los sistemas de administración de vacunas [59]. Se cargó un derivado de la proteína tuberculina purificada en un SWCNT funcionalizado con grupo carboxilo mediante unión covalente. Después de la administración subcutánea, se encontró que el conjugado antígeno-SWCNT estimulaba la producción por las células Th1 de citocinas, como IFN-γ e IL-12, a niveles comparables a los generados mediante la administración de la vacuna BCG convencional contra la tuberculosis.

Un estudio reciente informó de la importancia del tipo de nanotubos de carbono en la inducción de inmunogenicidad [60]. En el estudio, se cargó un fungicida azoxistrobina disponible comercialmente en cuatro tipos de nanotubos de carbono (corto y de pared simple, corto y de pared múltiple, largo y de pared simple, y largo y de pared múltiple). A continuación, se compararon las respuestas inmunitarias resultantes. Se descubrió que los nanotubos de carbono cortos y de paredes múltiples de 0,5 µm de longitud y 50 nm de diámetro proporcionan los títulos de anticuerpos IgG anti-azoxistrobina más altos en conejos.

Se construyeron nanopartículas magnéticas de carbono para permitir el rastreo de vehículos basados ​​en carbono [61]. Los datos de las imágenes de resonancia magnética mostraron que las nanopartículas magnéticas de 20 a 80 nm de diámetro se distribuyeron rápidamente al bazo, seguidas de los riñones y los ganglios linfáticos inguinales. La orientación preferencial de nanopartículas magnéticas de carbono a las CD se utilizó para enriquecer las CD ex vivo utilizando un imán externo. La proteína de lisozima de huevo de gallina del antígeno modelo biotinilado y el ligando de TLR biotinilado CpG se unieron a nanopartículas magnéticas de carbono recubiertas de avidina para mejorar la inducción de la activación de células T y respuestas de IFN-γ específicas de antígeno en comparación con el antígeno de proteína libre.

Se informó que las nanoestructuras de los materiales basados ​​en carbono afectan el proceso de presentación de antígenos [62]. Las nanoláminas de óxido de grafeno (Fig. 1D) se diferenciaban de los fullerenos C60 en su capacidad para promover la presentación de antígenos a las células T. Los fullerenos C60 estimularon la presentación del antígeno MHC de clase I de OVA, mientras que el óxido de grafeno suprimió la presentación del antígeno por las CD. Además, a diferencia de los fullerenos C60, el óxido de grafeno redujo los inmunoproteasomas en las CD.

Aunque la mayoría de los sistemas de administración de vacunas a base de carbono se han probado mediante administración sistémica, un estudio reciente examinó la viabilidad de utilizar nanopartículas de carbono para la administración oral de vacunas [63]. Se sintetizaron nanopartículas de carbono de 470 nm de diámetro con poros de 40-60 nm utilizando sílice como plantilla. En lugar de cargar los antígenos a través de la adsorción superficial, el antígeno modelo, la albúmina de suero bovino, se encapsuló dentro de los meso y macroporos de las nanopartículas. La estructura rígida de las nanopartículas resistió la destrucción en el tracto digestivo oral y pareció proteger a los antígenos de los ambientes hostiles del tubo digestivo después de la administración oral. En este estudio, las respuestas inmunitarias de IgG y citocinas provocadas por la albúmina de suero bovino oral atrapada en las nanopartículas porosas fueron comparables a las provocadas por la administración parenteral de albúmina de suero bovino con adyuvante de Freund.

Los sistemas de administración de vacunas de nanomateriales basados ​​en carbono son relativamente nuevos y están menos estudiados que otros sistemas. Varias investigaciones han indicado la viabilidad de sistemas basados ​​en carbono para la administración de antígenos sistémica u oral. Los desarrollos futuros deberían demostrar si la falta de biodegradabilidad promoverá o reducirá la seguridad de un nano sistema de suministro basado en carbono.

3. Desarrollos actuales y futuros

Se han desarrollado sistemas de administración de vacunas basados ​​en nanotecnología para mejorar la inmunogenicidad de un antígeno de vacuna modulando la administración de antígenos a las células inmunitarias. Las formulaciones de nanoportadores de vacunas ofrecen las ventajas de la administración conjunta de antígeno e inmunomodulador [64]. Numerosos estudios han informado de una mayor inmunogenicidad de las vacunas basadas en nanoportadores tras la entrega conjunta con un inmunomodulador. La inmunización única de OVA y MPL co-formulada con el nanoportador PLGA indujo respuestas inmunes sistémicas y mucosas mucho más altas después de la administración oral que la OVA sola [65]. Las formulaciones de micelas que incluyen un polipéptido catiónico modificado con PEG pueden coadministrar agonistas de OVA y TLR3 mientras aumentan la producción de anticuerpos inducida por la vacuna en más de un factor de 70 [66]. La vacunación subcutánea de nanopartículas de micelas sensibles al pH que contienen copolímeros dibloque anfifílicos conjugados con oligonucleótidos OVA y CpG mostró respuestas de células T CD8 + notablemente más altas en comparación con la forma libre o una mezcla física [67].

Además de la entrega conjunta de antígenos e inmunomoduladores, la modificación de las superficies de los nanoportadores puede contribuir a la entrega de antígenos específicamente a las células inmunitarias relevantes. Se recubrieron nanoportadores de PLGA atrapados con imiquimod (agonista de TLR7) con un derivado de quitosano (N, N, N-quitosano trimetilado) para mejorar la respuesta protectora generada por la inmunización de la mucosa [68]. Otro derivado del quitosano, el glicol quitosano, se decoró sobre las superficies de nanopartículas de PLGA para su uso en una vacunación nasal [69]. Las nanopartículas de PLGA recubiertas de glicol quitosano mostraron una tasa de aclaramiento más baja y una mayor absorción local en la cavidad nasal en comparación con los nanoportadores de PLGA recubiertos de quitosano.

Las nanovacunas multifuncionales pueden aumentar significativamente la respuesta inmune generada por la administración estable, efectiva y específica de un antígeno. Sin embargo, el uso de nanovacunas de muchos componentes con estructuras complejas puede aumentar los costos de producción y complicar el proceso de fabricación. Muchas nanovacunas se han fabricado en pequeños lotes para uso en investigación [70]. Las variaciones entre lotes con respecto al tamaño, la forma y la calidad de las partículas son problemas críticos en el área de la síntesis de nanopartículas, y estos problemas deben abordarse durante la ampliación de las pruebas de ensayos clínicos [71], [72]. Las vacunas nanoparticuladas de superficie modificada requieren procedimientos de síntesis complicados que pueden requerir procesos de purificación complejos y altos costos. Los procesos de ampliación tienden a consumir mucho tiempo para las aplicaciones farmacéuticas. Las tecnologías de nanovacunas autoensambladas serían beneficiosas para reducir los obstáculos al desarrollo de protocolos de fabricación a escala industrial.

4. Conclusiones
Las plataformas de nanotecnología presentan estrategias prometedoras para mejorar la inmunogenicidad de un antígeno de vacuna. Los nanoportadores que son útiles para la formulación y administración de antígenos y adyuvantes ofrecen muchas ventajas sobre enfoques de adyuvantes alternativos, que incluyen estabilidad mejorada, cinética de liberación sostenida, menor inmunotoxicidad y dirección a células inmunes específicas y selectivas. Además, las nanopartículas administran antígenos de manera eficiente debido a su tamaño de nanoescala, forma sólida, facilidad de modificación de la superficie y capacidad para administrar antígenos junto con adyuvantes. Aunque las aplicaciones de las nanotecnologías para la administración de vacunas basadas en nanoportadores se encuentran actualmente en una etapa de investigación incipiente, y solo se están probando unos pocos productos en ensayos clínicos, estos sistemas de administración de vacunas pueden usarse potencialmente de manera más amplia para la prevención y el tratamiento de enfermedades infecciosas.

Reconocimiento
Este trabajo fue apoyado por subvenciones del proyecto Coreano de I + D en tecnología de la salud, Ministerio de Salud y Bienestar (subvención No. A092010), y del Ministerio de Ciencia, TIC y Planificación Futura (No. 2014023227), y de Business for Cooperative R&D , La Academia y el Instituto de Investigación financiaron la Administración de Pequeñas y Medianas Empresas de Corea (No. C0010962).

References

Peer review under responsibility of Shenyang Pharmaceutical University.

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