Nano Vaksin Terhadap Penyakit Virus Menular yang Baru Muncul

Read Also

Meskipun kemajuan dalam kesehatan masyarakat dan pengembangan terapi yang berkelanjutan, penyakit menular pandemi masih mengancam umat manusia. Secara khusus, seperti yang dapat dilihat dari epidemi COVID-19 saat ini, mencegah penyebaran penyakit menular secara tiba-tiba dan intervensi melalui pengembangan vaksin yang tepat akan sangat penting untuk kesehatan manusia di masa mendatang. Dalam konteks ini, Organisasi Kesehatan Dunia telah memilih sembilan penyakit prioritas yang diproyeksikan menyebabkan risiko kesehatan masyarakat terbesar dan telah mengumumkan bahwa penelitian dan pengembangan harus diikuti secara intensif untuk bersiap menghadapi wabah di masa depan. Sembilan penyakit prioritas tersebut adalah COVID-19, demam berdarah Krimea-Kongo, penyakit virus Ebola, penyakit virus Marburg, demam Lassa, MERS, Severe acute respiratory syndrome (SARS) penyakit Nipah dan henipaviral, demam Rift Valley, Zika, dan Penyakit X. Mengingat kebutuhan klinis dan sosial yang belum terpenuhi untuk pengembangan vaksin yang cepat terhadap penyakit prioritas ini, bagian ini secara terpisah membahas nanovaksin yang saat ini sedang dipelajari untuk melawan penyakit virus menular yang baru muncul, bersama dengan signifikansi klinisnya. Jenis berbagai vaksin berbasis nanoteknologi terhadap penyakit virus menular yang baru muncul tercantum pada Tabel.

Nano Vaksin terhadap SARS-CoV-2

COVID-19 adalah infeksi pandemi yang belum pernah terjadi sebelumnya, mempengaruhi masyarakat dan ekonomi di seluruh dunia. Ini disebabkan oleh SARS-CoV-2, yang pertama kali diidentifikasi pada Desember 2019. Dengan demam dan batuk sebagai gejala utamanya, SARS-CoV-2 sangat menular dan telah menyebar ke seluruh dunia. Organisasi Kesehatan Dunia menyatakan pandemi global pada 11 Maret 2020. Per 3 Oktober 2020, ada 34.396.222 kasus yang dikonfirmasi dan jumlah orang yang terinfeksi terus meningkat. Mengingat minimnya strategi pencegahan selain social distancing dan pemakaian masker, kebutuhan akan pengembangan vaksin semakin mendesak.

SARS-CoV-2 dari keluarga betacoronavirus, yang anggotanya memiliki envelope virus dan genom RNA beruntai tunggal. Struktur korona virus ini dibentuk oleh glikoprotein seperti spike pada membran luar. Ada empat struktur utama yang mungkin menjadi kandidat target yang cocok untuk pengembangan vaksin: glikoprotein spike (S), protein membran (M), protein envelope (E), dan protein nukleokapsid (N). Meskipun hanya informasi terbatas yang tersedia tentang SARS-CoV-2 karena wabah yang tiba-tiba, strukturnya mirip dengan virus corona yang lebih dikenal. Dengan mengacu pada akumulasi database yang menyimpan informasi tentang infeksi yang disebabkan oleh virus corona sebelumnya (misalnya, SARS dan MERS) dan menggunakan bioinformatika untuk memprediksi struktur epitop, para peneliti di seluruh dunia telah membuat kemajuan pesat, dan beberapa vaksin telah disetujui di beberapa negara.

Uji klinis fase I sedang berlangsung menggunakan nanopartikel berbasis lipid yang dapat terionisasi untuk pengiriman mRNA yang mengkode domain pengikatan reseptor SARS-CoV-2. Dalam laporan ini, nanopartikel lipid terdiri dari lipid terionisasi 1,2-distearoyl-sn-glisero-3-fosfokolin, kolesterol, dan lipid pegilasi pada rasio molar 50:10:38.5:1.5. Lipid dalam etanol dicampur dengan buffer sitrat (pH 4.0) yang mengandung mRNA melalui mixer mikofluida berbentuk T, dan partikel dibentuk melalui nanopresipitasi. Pemberian intramuskular nanopartikel yang menjebak mRNA SARS-CoV-2 terbukti menghasilkan ekspresi protein antigen di tempat suntikan dan menginduksi IgG spesifik SARS-CoV-2 yang signifikan dan antibodi penetral terhadap tiga strain epidemi SARS-CoV-2 yang berbeda, sedangkan tidak ada peningkatan antibodi yang terdeteksi pada tikus yang disuntik dengan nanopartikel lipid kosong. Imunisasi juga menginduksi sel T memori efektor CD4+ dan CD8+ spesifik SARS-CoV-2 di limpa. Nanopartikel lipid dengan mRNA diamati stabil pada suhu kamar hingga 7 hari dalam penyimpanan.

Lipoplex dari saRNA dengan nanopartikel lipid kationik dilaporkan sebagai vaksin nano yang layak untuk melawan SARS-CoV-2. Nanopartikel lipid kationik terdiri dari lipid kationik yang dapat terionisasi (khusus untuk Acuitas), fosfatidilkolin, kolesterol, dan lipid pegilasi pada rasio molar 55:10:32,5:2,5. Mereka dikomplekskan menjadi saRNA yang mengkode spike protein SARS-CoV-2 melalui proses self-assembly di mana larutan lipid dalam etanol dengan cepat dicampur dengan mRNA dalam aqueous solution pada pH 4.0. Dalam model tikus, pemberian lipoplex saRNA intramuskular berulang pada interval 1 bulan terbukti memperoleh antibodi IgG spesifik SARS-CoV-2 dan menetralisir infeksi dengan SARS-CoV-2 tipe liar dengan cara yang bergantung pada dosis. Restimulasi splenosit tikus yang diimunisasi dengan antigen SARS-CoV-2 memberikan peningkatan IFN-γ yang signifikan. Dalam serum tikus yang diimunisasi lipoplex, penulis mengamati peningkatan kadar sitokin dan kemokin, termasuk IL-6, protein inflamasi makrofag-1β, RANTES (diatur pada aktivasi, sel T normal diekspresikan dan disekresi), IFN-β, dan protein-10 yang dapat diinduksi interferon-γ.

Dalam model hewan primata bukan manusia, emulsi squalene kationik yang mengandung nanopartikel anorganik diselidiki untuk pengiriman saRNA intramuskular untuk spike protein SARS-CoV-2 (Gambar). Emulsi kationik terdiri dari lipid kationik 1,2-dioleoyl-3-trimethylammonium propane (DOTAP), Span 60, Tween 80, dan squalene. Dalam fase minyak berbasis squalene, nanopartikel oksida besi superparamagnetik berukuran 15 nm dimuat untuk meningkatkan stabilitas emulsi. Emulsi kationik dikomplekskan menjadi vaksin saRNA anionik yang mengkode spike protein SARS-CoV-2 melalui interaksi muatan-muatan. Bentuk kompleks emulsi dapat melindungi saRNA dari degradasi RNase, dan mempertahankan stabilitas jangka pendeknya hingga 7 hari. Pada tikus, pemberian saRNA intramuskular yang dikomplekskan dengan emulsi kationik ditemukan untuk memperoleh antibodi IgG spesifik spike protein anti-SARS-CoV-2 dalam serum dan meningkatkan kadar IFN-γ di limpa dan paru-paru. Khususnya, imunisasi pigtail macaques (primata bukan manusia) dengan vaksin saRNA yang dikomplekskan dengan emulsi kationik terbukti menginduksi respons antibodi IgG spesifik spike protein anti-SARS-CoV-2 yang bertahan hingga 70 hari. Hubungan antara dosis dan durasi persistensi mungkin memerlukan perhatian lebih lanjut dalam waktu dekat.

Gambar Ilustrasi Nanovaksin melawan COVID-19. emulsi squalene kationik terdiri dari lipid kationik DOTAP, Span60, Tween 80, dan squalene. Untuk meningkatkan stabilitas formulasi, nanopartikel oksida besi superparamagnetik (SPIO) dimuat dalam fase minyak. Formulasi dikomplekskan dengan saRNA (repRNA-CoV25) untuk pengiriman intramuskular. b Setelah endositosis, saRNA penyandi SAS-CoV2 ditranslasikan ke spike protein, dan diproses dalam antigen presenting cells. Presentasi antigen MHC I dan MHC II masing-masing menginduksi respons imun seluler dan humoral spesifik SARS-CoV-2

Vaksin berbasis RNA sekarang telah membuat pencapaian besar dengan persetujuan untuk digunakan manusia. Pengembangan teknik formulasi lipid memfasilitasi pengiriman vaksin berbasis RNA ke sel imun, dan memungkinkan respons imun. Vaksin berbasis RNA memiliki keuntungan besar untuk mengatasi varian patogen virus, karena mereka tidak memerlukan proses desain, ekspresi, dan pemurnian protein yang memakan waktu. Sejalan dengan perkembangan sistem pengiriman, teknik modifikasi menstabilkan RNA pengkodean antigen dikaitkan dengan keberhasilan klinis.

 

Nano vaksin terhadap MERS-CoV

MERS-CoV, yang pertama kali diidentifikasi di Arab Saudi pada 2012, adalah penyakit pernapasan virus yang disebabkan oleh coronavirus. Lebih dari 2000 kasus infeksi MERS-CoV yang memiliki gejala khas antara lain demam, batuk, dan sesak napas telah dilaporkan oleh WHO sejak September 2012 di sekitar 27 negara. MERS-CoV adalah virus zoonosis yang muncul pada unta dromedaris; itu ditularkan melalui kontak dekat antara manusia, dan memiliki tingkat fatalitas kasus yang tinggi 37,1%. Infeksi MERS-CoV terdaftar sebagai penyakit prioritas yang membutuhkan perhatian R&D mendesak oleh WHO, dan vaksin diperlukan dalam waktu dekat untuk mencegah wabah parah MERS-CoV.

Nanopartikel PLGA telah dipelajari untuk pengiriman antigen domain pengikatan reseptor MERS-CoV rekombinan. Sebagai adjuvant, stimulator of interferon genes (STING), c-di-GMP, dienkapsulasi dalam nanopartikel. Antigen domain pengikatan reseptor MERS-CoV rekombinan dikonjugasikan secara kovalen ke nanopartikel polimer yang dienkapsulasi adjuvant yang mengandung turunan maleimida dari lipid pegilasi. Injeksi subkutan dengan nanopartikel polimer terkonjugasi antigen dan adjuvant-terperangkap menghasilkan titer antibodi spesifik antigen yang lebih tinggi daripada yang terlihat pada kelompok yang diobati dengan campuran fisik c-di-GMP dan protein antigen rekombinan. Pada tikus transgenik dipeptidyl peptidase 4, yang rentan terhadap infeksi MERS-CoV, 100% tikus yang diimunisasi dengan nanopartikel polimer terkonjugasi antigen dan adjuvant-terperangkap dilindungi dari infeksi MERS-CoV, sementara semua tikus yang diobati hanya dengan adjuvant- nanopartikel polimer yang terperangkap mati pada hari ke 16 pasca infeksi.

Dalam studi lain, nanopartikel berbasis protein fusi genetik dipelajari sebagai vaksin MERS-CoV yang potensial (Gambar). Dalam protein fusi, domain pengikatan reseptor virus MERS-CoV direkayasa secara genetik untuk mengekspresikan domain pengikat RNA dan feritin. Domain pengikatan RNA diperkenalkan untuk berinteraksi dengan pendamping RNA, sehingga protein akan terlipat dengan benar setelah ditranslasikan dalam bakteri. Ferritin diperkenalkan sebagai self-assembly scaffold untuk nanopartikel. Sebagai peptida penghubung tambahan, penghubung SSG atau ASG diperkenalkan antara domain pengikatan reseptor dan feritin. Di antara nanopartikel protein yang terbentuk dari protein fusi dengan peptida penghubung yang berbeda, nanopartikel dengan penghubung SSG menghasilkan titer IgG dan IgA spesifik antigen tertinggi. Pemberian intramuskular nanopartikel protein dengan SSG fusion linker juga menginduksi respon imun seluler pada tikus, yang dicerminkan oleh peningkatan produksi IFN-γ dan TNF-α dari splenosit.

Gambar Nanopartikel protein fusi feritin melawan MERS-CoV. Protein fusi terdiri dari RNA binding domain (hRID), receptor-binding domain (RBD) dari MERS-CoV, dan feritin. Tiga protein fusi dirancang dengan peptida penghubung yang berbeda antara feritin dan RBD.

Nano Vaksin terhadap virus ZIKA

Virus Zika adalah flavivirus dari keluarga Flaviviridae, yang anggotanya memiliki genom RNA untai tunggal sense positif dengan protein kapsid struktural dan envelope. Infeksi virus Zika, yang pertama kali diidentifikasi pada manusia pada 1960-an, menyebabkan wabah sporadis dengan gejala ringan, termasuk demam, ruam, nyeri otot, dan/atau sakit kepala. Pada tahun 2015, wabah besar infeksi virus Zika terjadi di Brasil, dan lebih dari 200.000 kasus dilaporkan. Selama waktu itu, kekhawatiran klinis yang signifikan diidentifikasi ketika infeksi virus Zika terungkap menyebabkan mikrosefali, sindrom Guillain-Barré, dan keguguran. Jumlah kasus yang terinfeksi telah menurun dalam beberapa tahun terakhir, tetapi pengembangan vaksin virus Zika akan memenuhi kebutuhan sosial karena ancamannya yang signifikan terhadap wanita hamil dan janin mereka, kemungkinan untuk kambuh kapan saja, dan daya menularnya yang kuat.

Dalam sebuah penelitian, nanopartikel lipid yang terdiri dari lipid kationik yang dapat terionisasi (milik untuk Acuitas), fosfatidilkolin, kolesterol, dan lipid pegilasi pada rasio 50:10:38,5:1,5 digunakan untuk pengiriman intradermal dari mRNA virus Zika yang dimodifikasi. Nukleosida mRNA dimodifikasi dengan 1-methylpseudouridine untuk memfasilitasi translasi mRNA in vivo dan mencegah innate immune sensing dengan menghindari aktivasi endosom toll-like receptor 3. Untuk enkapsulasi mRNA, lipid dalam etanol dicampur dengan cepat dengan mRNA dalam aqueous solution pada pH 4 selama proses perakitan nanopartikel. Sebagai mRNA, mRNA termodifikasi nukleosida yang mengkode glikoprotein pra-membran dan envelope virus Zika (ZIKV H/PF/2013) digunakan. Pemberian intradermal dari mRNA yang dimodifikasi dalam lipoplex meningkatkan produksi IFN-γ, TNF, dan IL-2 oleh splenosit dan melindungi kera primata rhesus non-manusia terhadap tantangan virus Zika pada 5 bulan pasca-imunisasi.

Nanopartikel lipid kationik dipelajari untuk pengiriman intramuskular vaksin mRNA melawan virus Zika. Nanopartikel terdiri dari 3-(dimetilamino)propil(12Z,15Z)-3-[(9Z,12Z)-octadeca-9,12-dien-1-yl]henicosa-12,15-dienoate, 1,2- distearoyl-sn-glisero-3-fosfokolin, kolesterol, dan lipid pegilasi pada rasio molar 50:10:38.5:1.5. Sebagai antigen vaksin, para peneliti mengembangkan mRNA yang dimodifikasi yang tidak memiliki conserved fusion-loop epitope dalam protein envelope. Pada tikus, pemberian intramuskular mRNA yang dimodifikasi dalam lipoplex menghasilkan antibodi penetralisir dalam serum dan memberikan kelangsungan hidup 100% setelah tantangan dengan virus Zika. Tingkat antibodi penetralisir ditemukan bertahan sampai 14 minggu pasca-imunisasi.

Nanopartikel dendrimer digunakan untuk pengiriman intramuskular dari mRNA yang mengkode protein envelope virus Zika. Nanopartikel dendrimer terdiri dari dendrimer terionisasi yang dimodifikasi berdasarkan dendrimer poli(amido amina), dengan inti etilendiamin dan lipid pegilasi. Kompleks mRNA dan nanopartikel dendrimer meningkatkan kadar antibodi IgG spesifik protein envelope virus Zika dalam serum. Stimulasi splenosit dengan IGVSNRDFV, epitop protein selubung MHC kelas I yang imunodominan, ditemukan meningkatkan populasi sel CD8 + T yang memproduksi IFN-γ.

Nanopartikel polimer berbasis kopolimer blok dipelajari untuk pengiriman vaksin DNA melawan virus Zika. Dalam penelitian ini, kopolimer blok amfifilik tetrafungsional yang terdiri dari blok poli(etilen oksida)/poli(propilen oksida) dengan bagian pusat etilendiamin digunakan untuk memuat DNA yang mengkodekan urutan lengkap glikoprotein pra-membran dan envelope. Melalui ikatan hidrogen, interaksi hidrofobik, dan interaksi muatan, kopolimer blok amfifilik dan DNA penyandi antigen dapat membentuk kompleks yang stabil. Injeksi intramuskular tikus dengan polipleks bermuatan DNA menginduksi antibodi penetralisir dan melindungi tikus dari tantangan virus Zika selama lebih dari 7 bulan pasca imunisasi.

 

Nanovaksin terhadap Ebola

Infeksi virus Ebola, yang juga disebut sebagai demam berdarah Ebola, adalah penyakit mematikan yang ditandai dengan demam tinggi, sakit kepala, nyeri otot, dan pendarahan. Virus Ebola yang paling umum dikenal adalah virus Zaire Ebola, yang memiliki negative-sense, single-stranded RNA dengan nukleokapsid heliks, dan ditularkan melalui kontak langsung dengan cairan tubuh atau benda yang terkontaminasi. Sejak wabah pertama Ebola di Republik Demokratik Kongo pada tahun 1976, infeksi virus Ebola telah mencatat tingkat kematian yang stabil per tahun. Wabah Ebola terbesar hingga saat ini terjadi di Afrika Barat pada tahun 2014; itu menyebabkan lebih dari 28.600 infeksi dan 11.325 kematian.

Nanopartikel hibrida lipid dan biopolimer diselidiki untuk pengiriman subkutan spike glikoprotein virus Ebola. Nanopartikel hibrida terdiri dari berbagai lipid, termasuk 1,2-dioleoyloxy-3-(trimethylammonium)propane, 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine, dan maleimide-functionalized N-(4-carboxybenzyl)-N, N-dimetil-2,3-bis(oleoyloxy)propan-1-amino, yang diikat silang dengan asam hialuronat tertiolasi. Sebagai adjuvant, agonis toll-like receptor 4 , monofosforil lipid A, dimuat di bagian lipid hidrofobik dari nanopartikel hibrida. Spike glikoprotein virus Ebola dimuat ke dalam nanopartikel selama hidrasi film lipid terkonjugasi asam hialuronat. Vaksinasi dosis tunggal dari nanopartikel yang mengandung glikoprotein ini terbukti memberikan titer serum IgG spesifik antigen 128 kali lipat lebih tinggi dibandingkan dengan yang dicapai dengan glikoprotein saja. Nanopartikel yang mengandung glikoprotein selanjutnya melindungi 80% tikus yang diimunisasi dari virus Ebola, sedangkan glikoprotein terlarut hanya menghasilkan 10% perlindungan.

Spike glikoprotein virus Ebola dikirim secara subkutan menggunakan nanopartikel lipid dengan elemen nikel (Gambar). Nanopartikel lipid terdiri dari 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine, 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[4-(p-maleimidophenyl) butyramide] garam natrium, dan 1,2-dioleoyl-sn-glisero-3-[(N-(5-amino-1-karboksipentil) asam iminodiasetat)suksinil] garam nikel. Untuk pengikatan silang glikoprotein virus dengan lapisan ganda lipid, para peneliti menggunakan protein yang diberi tag poli-histidin dan menghubungkan tag histidin dengan elemen nikel dari lapisan ganda lipid. Interaksi antara tag histidin dari antigen virus dan nikel dari lipid bilayer memungkinkan glikoprotein dimuat tanpa ikatan silang kimia atau perubahan konformasi. Efisiensi pemuatan glikoprotein adalah 32,8%. Injeksi subkutan glikoprotein dalam nanopartikel lipid meningkatkan persentase sel B spesifik antigen di organ limfa sekunder dan menghasilkan 5,8 kali lipat lebih banyak sel T yang mengekspresikan IFN-γ di limpa dibandingkan dengan kelompok yang diobati dengan antigen glikoprotein terlarut saja.

Gambar Nanopartikel lipid untuk pengiriman glikoprotein virus Ebola. Glikoprotein virus Ebola dimuat ke nanopartikel lipid melalui interaksi histidin dan nikel. NTA nitrilotriacetic acid, ICMV interbilayer-crosslinked multilamellar vesicles, DTT dithiothreitol

Nanopartikel kationik berbasis kopolimer dipelajari untuk pengiriman glikoprotein pengkodean DNA virus Ebola. Nanopartikel PLGA dilapisi dengan pol-l-lisin untuk membentuk nanopartikel kationik, dan vaksin DNA dimuat ke permukaan nanopartikel PLGA kationik berlapis poli-l-lisin ini. Kompleks DNA dengan nanopartikel kationik selanjutnya dilapisi pada permukaan microneedle yang terdiri dari polivinil alkohol dan polivinilpirolidon. Aplikasi kulit dari patch microneedle berlapis DNA polipleks menghasilkan titer IgG spesifik antigen yang lebih tinggi dibandingkan dengan injeksi DNA telanjang intramuskular. Selain itu, kelompok yang divaksinasi jarum mikro mampu menetralkan 50% glikoprotein-pseudovirion.

Secara keseluruhan, sistem pengiriman khusus telah menunjukkan harapan terhadap berbagai virus seperti SARS-CoV-2, MERS-CoV, virus Zika, dan virus Ebola. Dalam vaksin virus, varian baru yang muncul adalah masalah kritis. Saat ini, lebih banyak penelitian telah dilakukan untuk merumuskan vaksin asam nukleat dibandingkan dengan vaksin protein. Vaksin asam nukleat mungkin memiliki keuntungan untuk mengatasi varian virus menular yang muncul dengan cepat. Dalam kasus vaksin protein, studi tentang domain konservatif virus akan menjadi penting. Pengembangan vaksin multi-valent yang dapat menginduksi respon imun untuk beberapa jenis virus akan menjadi arah untuk dikejar di masa depan.