Nanoteknologi dalam Pengembangan Vaksin

Read Also

Dengan perkembangan nanoteknologi, semakin banyak peneliti memfokuskan minat mereka dalam mengembangkan nanomaterial sebagai metode vaksinasi yang menjanjikan, tidak hanya karena nanomaterial memiliki sifat terkontrol, seperti diameter, zeta-potensial, morfologi permukaan, dan efisiensi pemuatan antigen, tetapi juga karena berbagai nanomaterial dipicu respon imun dengan pengiriman yang ditargetkan in vivo. Berbeda dari vaksin konvensional untuk influenza, cacar air, campak, gondok, dan rubella yang biasanya mengandung patogen yang tidak aktif, vaksin nanomaterial (nanovaccines) terutama terlibat dalam vaksin subunit, hanya mengandung antigen yang diperlukan yang memicu respon imun yang ditargetkan. Seperti disebutkan di atas, vaksin subunit lebih aman tetapi kurang imunogenik daripada vaksin konvensional, karena kurangnya pola molekul terkait patogen (patogen-associated molecular pattern/PAMPs); dengan demikian, sistem pengiriman adjuvant atau/dan nanomaterial tambahan diperlukan untuk fungsi penuh dari vaksin subunit. Keuntungan penting dari nanomaterial adalah perlindungan yang tepat dari antigen dalam nanomaterials sampai mereka mencapai area yang ditargetkan di mana mereka dikirim ke antigen-presenting cell (APCs). Dengan kata lain, perlindungan antigen yang tepat dalam nanomaterial dapat menurunkan respon imun yang tidak perlu yang disebabkan oleh paparan antigen pada sirkulasi sistemik. Selain itu, beberapa nanomaterial itu sendiri dapat menunjukkan imunogenisitas tertentu ketika mereka diinternalisasi oleh APC.

Beberapa sistem pengiriman nanomaterial telah dikembangkan sebagai vaksin nano, seperti nanopartikel berbasis polimer, nanopartikel logam, liposom, nanopartikel anorganik, dan nanopartikel komposit. Menariknya, tidak hanya komposisi vaksin nano ini, seperti adjuvant pemuatan atau antigen, yang mempengaruhi imunogenisitas, tetapi juga sifat-sifat vaksin nano ini seperti diameter, bentuk, dan lapisan permukaan yang berdampak pada respon imun. Pada bagian ini, interaksi antara sifat vaksin nano dan imunogenisitas, penerapan vaksin nano ini, dan kelebihan dan kekurangannya dibahas dengan fokus pada pengembangan berkelanjutan dari sistem tersebut.

 

Sifat nanovaccine dan efeknya pada imunogenisitas

Karena ukuran adalah salah satu sifat terpenting dalam bahan nano, para peneliti telah secara sistematis menyelidiki interaksi antara diameter vaksin nano dan imunogenisitas. Sejauh ini, ada beberapa penelitian yang menunjukkan bahwa nanovaksin dengan diameter kecil dapat lebih efektif diinternalisasi oleh APC daripada yang besar, karena diameter yang lebih kecil membuatnya mudah diangkut melalui epitel dan penghalang biologis lainnya. Misalnya, Gutierro dkk. menyiapkan nanovaksin bovine serum albumin (BSA)-loaded poly(d,l-lactic-co-glycolic) acid (PLGA) dengan diameter berbeda (200, 500, dan 1000 nm). Vaksin nano ini diberikan (secara intranasal, oral, atau subkutan) ke tikus BALB/c. Dibandingkan dengan antigen bebas (1 g, pemberian subkutan), kelompok partikel menunjukkan rasio total IgG dan IgG2a/IgG1 serum yang sedikit lebih tinggi. Namun, penurunan diameter tidak mengakibatkan peningkatan imunogenisitas nanovaksin PLGA. Selain itu, nanovaksin 1000 nm menghasilkan tingkat antibodi IgG serum yang lebih tinggi dan rasio IgG2a/IgG1 yang serupa dibandingkan dengan yang lebih kecil, yang dapat disebabkan oleh peningkatan akses ke APC dan mekanisme presentasi antigen yang serupa. Umumnya, diameter partikel berkisar antara 20 sampai 50 nm cenderung mengalir ke pembuluh limfatik dan menumpuk di kelenjar getah bening. Selain itu, Li et al. tikus BALB/c yang diberikan dengan berbagai partikel zein dibedakan dari diameter yang berbeda (241,4-879,2 nm), dosis (200, 600, 800 g), dan rute pemberian (intramuskular dan subkutan). Menariknya, mereka menemukan bahwa diameter partikel tidak memiliki pengaruh pada imunogenisitas setelah tiga suntikan intramuskular. Respon imun yang dihasilkan bertahan lama dan sangat spesifik. Pemberian berulang menginduksi respon imun ingat sistemik yang cepat dan kuat melalui rute intramuskular dan subkutan. Imunogenisitas nanopartikel zein dapat menjadi perhatian ketika diterapkan sebagai sistem penghantaran obat, tetapi ini juga dapat menjadi keuntungan ketika digunakan sebagai nanovaksin. Secara umum, interaksi antara berbagai diameter partikel dan imunogenisitas merupakan proses dinamis yang rumit yang juga dapat dipengaruhi oleh rute pemberian, jenis partikel, dan dosis injeksi.

Bentuknya juga merupakan karakteristik penting untuk nanovaksin, tidak hanya karena beberapa penelitian menunjukkan bahwa nanopartikel dengan bentuk yang berbeda dapat mengatur diferensiasi sel imun, seperti makrofag, tetapi juga karena bentuknya dapat mempengaruhi biodistribusi dan penyerapan nanopartikel secara in vivo, yang selanjutnya dapat mempengaruhi imunogenisitas dari nanovaccines. Li dkk. menemukan bahwa nanopartikel sferis menunjukkan laju endositosis tercepat, diikuti oleh nanopartikel kubik, kemudian nanopartikel seperti batang dan disk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. Melalui analisis energi bebas terperinci, efek bentuk nanopartikel dapat dikaitkan dengan membran- perubahan energi lentur. Nanopartikel sferis menunjukkan perubahan energi pembengkokan membran minimal, sementara nanopartikel seperti cakram menunjukkan perubahan energi pembengkokan membran maksimal. Menariknya, nanopartikel berbentuk bintang menunjukkan perilaku yang sama dengan yang berbentuk bola dalam waktu pembungkusan dan efikasi yang tinggi untuk penghantaran obat, yang dapat menarik untuk digunakan sebagai panduan untuk bentuk nanovaksin.

Gambar Jalur internalisasi nanopartikel. a Tampilan samping jalur internalisasi untuk nanopartikel PEGylated dengan kepadatan okulasi 1,6 rantai per nm2. b Tampilan atas jalur internalisasi untuk nanopartikel PEGylated dengan kepadatan okulasi 0,6 rantai per nm2.

Selain tingkat internalisasi, penelitian lain berfokus pada jumlah internalisasi dan biodistribusi. Shao dkk. menyiapkan mesoporous silica nanoparticles (M-MSNPs) dengan berbagai aspek rasio (1, 2, dan 4). Mereka menemukan bahwa M-MSNP batang panjang menunjukkan jumlah internalisasi yang lebih tinggi pada sel kanker dan sel normal daripada sel batang pendek dan seperti bola, karena perbedaan dalam jalur endositosis. Jalur yang dimediasi clathrin terlibat dalam internalisasi bola M-MSNPs, sementara jalur yang dimediasi makropinositosis bertanggung jawab atas penyerapan M-MSNPs batang panjang. Namun, tidak ada perbedaan yang signifikan dalam sitotoksisitas dan laju hemolitik oleh M-MSNPs dengan berbagai bentuk. Sedangkan untuk biodistribusinya, melalui pemberian intravena, semua M-MSNPs terutama terletak di organ sistem retikuloendotelial, antara lain hati, limpa, dan ginjal. Secara khusus, M-MSNPs batang panjang cenderung melakukan perjalanan ke limpa dibandingkan dengan M-MSNPs seperti bola yang mudah terperangkap di hati. Selain itu, M-MSNPs berbentuk batang lebih disukai terakumulasi di lokasi tumor daripada M-MSNPs seperti bola. Hasil tersebut di atas menunjukkan bahwa bentuk nanopartikel mengganggu tidak hanya dengan laju dan jumlah internalisasi tetapi juga dengan biodistribusi, yang berarti bahwa desain nanovaksin harus secara sistematis mempertimbangkan interaksi ini.

Sebagai fitur penting lainnya untuk nanopartikel, pelapisan permukaan tidak hanya mempengaruhi hidrofilisitas nanopartikel, tetapi juga waktu sirkulasi dan kemanjuran serapan oleh sel fagosit. Oleh karena itu, untuk nanopartikel yang dikembangkan sebagai vaksin nano, pelapisan permukaan harus dipertimbangkan dengan cermat. Beberapa penelitian telah difokuskan pada interaksi antara berbagai pelapis permukaan, seperti poli (etilen oksida), poli (sarcosine), dan asam hialuronat, dan sistem kekebalan tubuh. Banyak dari studi ini menemukan bahwa PEGylation nanopartikel, seperti liposom, dan misel dapat menginduksi generasi antibodi anti-PEG dengan injeksi berulang pada hewan. Selain itu, beberapa produk PEGylated juga menunjukkan penurunan kemanjuran terapeutik dan efek samping lainnya setelah pemberian berulang di klinik. Takuya dkk. nanopartikel lipid disiapkan dengan panjang PEG yang berbeda untuk menyelidiki hubungan antara tingkat pelepasan PEG dan produksi antibodi anti-PEG. Seperti dilansir Wilson et al., panjang ekor lipofilik PEG berkorelasi kuat dengan kekuatan jangkar yang terbentuk antara PEG dan membran nanopartikel lipid, yang berarti semakin pendek rantai asil PEG, semakin cepat. pelepasan PEG akan menjadi. Akibatnya, Takuya et al. menemukan bahwa nanopartikel lipid dengan rantai asil pendek (p fast-shedding) menginduksi produksi antibodi anti-PEG yang lebih sedikit dibandingkan dengan rantai asil panjang (slow-shedding). Selain itu, nanopartikel lipid PEG dengan pelepasan lambat terutama terakumulasi ke sel Kupffer (resident liver macrophages) daripada hepatosit.

Selain PEGylation, para peneliti telah mengembangkan poli(sarcosine) dan asam hialuronat sebagai pelapis permukaan nanopartikel untuk meningkatkan hidrofilisitasnya dan menyelidiki interaksi antara polimer ini dan imunogenisitas. Cheol dkk. menemukan bahwa nanopartikel dengan rantai hidrofilik panjang dari pol (sarcosine) menunjukkan akumulasi utama pada sel B1a dan produksi antibodi imunoglobulin G 3 (IgG3) yang dialihkan kelas. Selain itu, antigenisitas poli(sarcosine) dan sifat nanopartikel mempengaruhi generasi IgG3 dan imunoglobulin M (IgM) dengan metode yang berbeda. Hasil ini bermanfaat untuk aplikasi imunoterapi melalui sitotoksisitas yang dimediasi sel yang bergantung pada antibodi. Sebaliknya, dengan antigenisitas poli(sarcosine), Abdulaziz et al. disiapkan chitosan nanoparticles (CS NPs), hyaluronic acid–coated nanoparticles (HA-CS NPs), dan alginate-coated nanoparticles (Alg-CS NPs). Mereka menemukan bahwa modifikasi HA secara signifikan mengurangi adsorpsi protein pada permukaan nanopartikel. Analisis ontologi gen berikut lebih lanjut mengkonfirmasi bahwa NP HA-CS adalah yang kurang imunogenik dibandingkan dengan NP CS dan NP Alg-CS. Menariknya, dua protein anti-inflamasi unik (inter-alpha-trypsin inhibitor heavy chain dan alpha-1-acid glycoprotein) ditemukan di korona protein NP HA-CS, tetapi tidak pada NP Alg-CS dan NP CS. Selain itu, protein pro-inflamasi (Clusterin) tidak ditemukan pada korona protein NP HA-CS, tetapi pada nanopartikel CS dan Alg-CS.

Pelapisan permukaan nanopartikel yang berbeda dapat menyebabkan perbedaan komposisi korona protein, yang selanjutnya dapat berkontribusi pada imunogenisitas nanopartikel, seperti pelapis permukaan proinflamasi atau pelapis antiinflamasi. Oleh karena itu, ketika nanopartikel ini dikembangkan dalam sistem vaksin nano, lapisan permukaan dan komponen protein korona potensial harus diselidiki dengan cermat.