Hidrogel

Read Also

Hidrogel supramolekul mewakili kelas penting dari soft biomaterials yang memiliki potensi besar dalam berbagai aplikasi farmasi dan biomedis termasuk pengiriman vaksin. Hidrogel adalah jaringan tiga dimensi dari rantai polimer yang dapat menahan sejumlah besar air (>90%) dan terdiri dari biopolimer alami dengan berat molekul tinggi seperti polisakarida dan protein atau polimer sintetik dan peptida. Pengembangan hidrogel dengan sifat material yang ditentukan dapat dicapai melalui molecular assembly dari molekul monomer individu yang dirancang dengan cermat. Unit pembangun molekul mengalami pengenalan dan pengorganisasian molekul spontan ke dalam jaringan struktur supramolekul yang tertata dengan sifat struktural yang terdefinisi dengan baik, yang terjerat melalui hidrogel pembentuk ikatan silang fisik atau kimia. Gel fisik distabilkan oleh kombinasi interaksi intra dan antar molekul nonkovalen. Interaksi ini termasuk ikatan hidrogen, elektrostatik, hidrofobik dan interaksi aromatik. Di sisi lain, gel kimia distabilkan oleh pembentukan ikatan kovalen seperti ikatan disulfida (melalui oksidasi gugus tiol), polimerisasi yang diinduksi oleh foto atau termal, ikatan silang yang dikatalisis oleh enzim, atau reaksi antara tiol dan akrilat atau sulfon.

Gambar. Hidrogel dibentuk baik oleh (A) self-organisation peptida atau protein atau (B) fisik atau kimia cross-linking polimer untuk membentuk (C) jaringan terjerat struktur nanofibrous dalam aqueous matrix, yaitu (D) bahan viskoelastik dan tiksotropik mandiri yang dapat disuntikkan dan disemprotkan untuk administrasi klinis formulasi vaksin. Dimana blok bangunan alami atau bioinspired digunakan untuk membuat jaringan hidrogel, bahan menjadi biokompatibel dan biodegradable menyiratkan toksisitas rendah. Hidrogel bersifat mukoadhesif, sehingga dapat membuat depot antigen virus lokal (E) pasca injeksi/penyemprotan, memberikan pelepasan muatan antigenik yang lambat dan terkontrol yang mengarah pada peningkatan aktivasi APC, meningkatkan respons imun humoral dan seluler selama periode yang lama. Hidrogel telah digunakan sebagai (F) kendaraan untuk berbagai antigen virus dan (G) dapat difungsikan dengan adjuvant imun sebagai agen stimulator untuk mempotensiasi respon imun terhadap antigen virus yang disampaikan.

Hidrogel Peptida

Baru-baru ini, hidrogel peptida bioinspired telah dipelajari untuk potensi penggunaan sebagai vehicles untuk vaksin virus, berkat biokompatibilitas yang melekat, biodegradabilitas dan mukoadhesi, serta sifat viskoelastik dan thixotropic mereka, menyiratkan kemudahan administrasi baik dengan injeksi atau penyemprotan, yang dapat digunakan untuk kedua imunisasi parenteral dan mukosa, masing-masing. Selain bertindak sebagai vehicles, serat nano peptida yang self-assembling dapat difungsikan dengan adjuvant imun, seperti urutan peptida imunogenik dan antigen protein, untuk memodulasi respons imun terhadap agen infeksi yang sesuai.

Vaksinasi model hewan dengan serat nano -sheet yang mengandung antigen berbasis peptida menghasilkan respons imunogenik yang kuat, dengan aktivasi imunitas humoral dan seluler tanpa memerlukan bahan pembantu lainnya. Grenfell dkk. menggunakan sintetik -sheet pembentuk ionic self-complementary peptide (RADA)4, yang menjalani self-assembly ke dalam matriks hidrogel nanofibrous, sebagai depot in vivo untuk pengiriman berkelanjutan dari HBsAg rekombinan (rHBsAg). Kinetika pelepasan lambat antigen dari depot hidrogel menghasilkan peningkatan aktivasi APC dengan peningkatan respons imun humoral dan seluler, yang mengarah pada imunogenisitas yang berkepanjangan dibandingkan dengan antigen adjuvant yang menggunakan tawas dan adjuvant Freund lengkap. Demikian juga, Friedrich et al. menggunakan -sheet-forming ionic self-complementary peptide (FKFEFKFE) atau (KFE8) yang self-assembly menjadi hidrogel swadaya nanofibrous sebagai adjuvant dalam pengembangan vaksin melawan West Nile Virus (WNV). Hidrogel peptida KFE8 yang diemulsi dengan EIII, domain pengikatan reseptor diduga dari protein envelope virus, digunakan untuk vaksinasi subkutan tikus. Sistem ini menimbulkan respon antibodi yang ditingkatkan dan perlindungan yang signifikan terhadap infeksi mematikan WNV in vivo bila dibandingkan dengan EIII yang diberikan dengan tawas sebagai adjuvant. Hidrogel peptida juga telah digunakan sebagai kendaraan pengiriman untuk vaksin DNA virus. Misalnya, Tian et al. menggunakan peptida aromatik pendek Nap-GFFY-NMe, yang menjalani self-assembly yang dipicu oleh alkaline phosphatase menjadi hidrogel nanofibrous, untuk enkapsulasi dan pengiriman urutan DNA HIV yang mengkode glikoprotein amplop gp145. Peningkatan respon imun humoral dan seluler dicapai berkat kondensasi DNA oleh struktur nanofiber dan dengan demikian memberikan perlindungan yang signifikan terhadap degradasi, transfeksi yang tepat, dan ekspresi gen yang efektif.

Dalam studi yang berbeda, Huang et al. secara rasional merancang urutan peptida self-assembly FLIVIGSIIGPGGDGPGGD atau H9e, yang diilhami secara biologis dari domain elastis spider silk dan domain transmembran saluran kalsium tipe-L di otot manusia. Peptida ini menunjukkan pembentukan hidrogel dengan adanya garam Ca + 2, yang digunakan sebagai adjuvan untuk vaksin influenza H1N1 yang telah dibunuh. Hasilnya menunjukkan peningkatan imunogenisitas dibandingkan dengan bahan pembantu komersial lainnya termasuk emulsi minyak dalam air. Peptida H9e dievaluasi lebih lanjut oleh Li et al. untuk digunakan sebagai adjuvant untuk modified live vaccines (MLV) dari respiratory syndrome virus dan reproduksi babi (PRRSV). Babi yang divaksinasi dengan H9e-adjuvanted MLV menunjukkan peningkatan imunitas humoral dan seluler yang diatur oleh jumlah sel T helper/memori yang lebih tinggi dan peningkatan sekresi INF-γ, dibandingkan dengan MLV bebas H9e.

Hidrogel Polimer

Seiring dengan hidrogel peptida, hidrogel polimer juga telah diperkenalkan sebagai sistem pengiriman untuk komponen vaksin. Roth dkk. melaporkan penggunaan hidrogel polimer-nanopartikel (PNP) sebagai sistem pengiriman pelepasan berkelanjutan untuk antigen virus dan adjuvant untuk sistem kekebalan. Larutan berair dari dodecyl-modified hydroxypropylmethylcellulose (HPMC-C12) dan poli(etilena glikol)-b-poli(asam laktat) (PEG-PLA) digunakan dalam kombinasi untuk membentuk hidrogel PNP dengan cepat setelah pencampuran. Sistem pengiriman ini dievaluasi untuk imunomodulasi menggunakan protein OVA dan Poly(I:C) yang masing-masing merupakan agonis reseptor 3 seperti tol sebagai model antigen dan adjuvant. Dibandingkan dengan pemberian bolus vaksin yang sama dalam larutan buffer saline fosfat standar, pelepasan komponen vaksin yang berkepanjangan dari matriks hidrogel menunjukkan peningkatan imunitas humoral dengan peningkatan afinitas antibodi spesifik antigen 1000 kali lipat. Baru-baru ini, Gale et al. melaporkan penggunaan hidrogel PNP injeksi (HPMC-C12)-(PEG-PLA) yang disebutkan di atas untuk pengiriman kargo vaksin secara berkelanjutan terhadap SARS-CoV-2. Kargo yang dipelajari terdiri dari receptor-binding domain (RBD) protein lonjakan SARS-CoV-2 sebagai antigen virus dan tawas dan CpG sebagai adjuvant. Meskipun RBD kurang imunogenik bahkan ketika digunakan dalam kombinasi dengan ajuvan yang paling umum, pelepasan berkelanjutan dari vaksin subunit dari matriks hidrogel meningkatkan titer antibodi spesifik RBD (IgG) dibandingkan dengan pemberian bolus.

Dengan perkembangan terbaru dalam desain bahan biohibrid yang responsif terhadap obat molekul kecil yang disetujui secara klinis, Gübeli et al. mengembangkan hidrogel biohibrid sebagai sistem depot untuk pelepasan vaksin HBsAg yang diinduksi obat yang dikendalikan, yang muncul sebagai pengganti potensial untuk strategi vaksinasi berulang konvensional. Sistem ini didasarkan pada molekul polimer PEG bercabang delapan lengan yang difungsikan dengan protein Gyrase B (GyrB), di mana penambahan antibiotik kumermisin menginduksi dimerisasi GyrB, dan karenanya, ikatan silang polimer, yang mengarah pada pembentukan hidrogel dan enkapsulasi vaksin kargo dalam matriks gel. Novobiocin yang diberikan secara oral bertindak sebagai peralihan molekuler ke matriks hidrogel dengan mengganti kumermisin secara kompetitif, membuka kunci dimer GyrB, melarutkan hidrogel dan melepaskan vaksin. Sistem depot baru menimbulkan respon imun komparatif dengan regime berulang.

Polimer termo-responsif yang membentuk hidrogel pada suhu tubuh juga terbukti berguna untuk formulasi gel depot vaksin. Contohnya adalah hidrogel kopolimer triblok termosensitif yang terdiri dari (PLGA-PEG-PLGA), yang digunakan oleh Gao et al. untuk mengembangkan sistem pengiriman vaksin DNA untuk enkapsulasi plasmid hemaglutinin-neuraminidase rekombinan dari avian Newcastle disease virus (NDV). Kopolimer triblok ini mengalami hidrogelasi pasca injeksi yang dipicu oleh suhu tubuh inang, yang menyebabkan pelepasan berkelanjutan plasmid dari matriks hidrogel. Vaksin memicu respon imun yang kuat, kemanjuran tinggi, dan perlindungan lengkap terhadap strain NDV yang sangat ganas.

Selanjutnya, hidrogel termo-responsif yang dihasilkan dari polimer berbasis polisakarida juga telah digunakan untuk pengiriman vaksin virus. Wu dkk. memanfaatkan turunan kitosan kuaterner N-[(2-hidroksi-3-trimetilamonium) propil] chitosan chloride (HTCC) dalam kombinasi dengan, α, β-glycerophosphate (α, β-GP), HTCC/GP, untuk pengembangan hidrogel thermo-sensitive yang ditujukan untuk pengiriman IN antigen virus avian influenza H5N1. Pada suhu tubuh, sistem yang diberikan secara intranasal menunjukkan transisi sol-gel, yang menyebabkan perpanjangan waktu tinggal antigen di rongga hidung. Peningkatan respons imun humoral dan seluler dan peningkatan titer IgA mukosa spesifik antigen yang ditimbulkan oleh vaksin hidrogel H5N1 bebas ajuvan, bila dibandingkan dengan antigen split H5N1 telanjang dan kompleks adjuvant/antigen MF59, semuanya dikaitkan dengan pelepasan antigen yang berkepanjangan dan disorganisasi protein ZO-1 dari epitel hidung yang mengakibatkan peningkatan transepitel antigen. Selain itu, sistem pengiriman vaksin hidrogel termosensitif HTCC/GP ini sebelumnya digunakan untuk vaksinasi IN dengan adenovirus-based Zaire Ebola virus glycoprotein antigen (Ad-GPZ). Serum IgG, IgG1, dan IgG2a dan antibodi IgA mukosa memiliki titer tertinggi sebagai respons terhadap vaksin berbasis hidrogel karena waktu tinggal antigen yang lama di rongga hidung.