Sistem Pengiriman untuk Vaksin protein, terhadap penyakit menular virus

Read Also

Dibandingkan dengan pendekatan vaksin tradisional yang dilemahkan, vaksin protein menawarkan manfaat besar dalam peningkatan keamanannya. Karena mereka melibatkan protein antigen rekombinan yang sangat murni, vaksin tersebut dapat memberikan vaksinasi yang lebih aman karena kurangnya pengotor. Selain itu, penggunaan vaksin subunit protein dapat menghindari kekhawatiran seputar penggunaan vaksin hidup yang dilemahkan, yang dapat menunjukkan pengembalian rumit ke virus patogen pada pasien dengan gangguan sistem kekebalan. Namun, antigen protein terlarut mudah terdegradasi in vivo dan menunjukkan masuknya seluler terbatas dengan imunogenisitas rendah berikutnya. Dengan demikian, berbagai sistem pengiriman nanopartikel telah diselidiki sebagai platform vaksin antigen protein untuk mendukung pengambilan antigen yang efisien dan mempromosikan presentasi antigen. Contoh vaksin protein diilustrasikan pada Gambar.

Gambar Sistem pengiriman vaksin berbasis protein dan VLP terhadap penyakit menular virus. a Protein fusi 3M2e-rHF dan nanopartikel berbasis protein fusi 3M2e-rHF. b Nanopartikel protein berlapis ganda untuk pengiriman antigen protein. c Ilustrasi skema ekspresi dan self-assembled in vivo P22-SpyTag dan persiapan P22-HAhead. d Ilustrasi skema persiapan avian coronavirus VLP.

 

Sistem polimer untuk pengiriman vaksin virus protein

Untuk memudahkan masuknya vaksin protein ke dalam sel imun, berbagai polimer telah diteliti. Polimer telah terkonjugasi secara kimia atau dimodifikasi dengan gugus fungsi untuk membawa antigen protein. Modifikasi fungsional telah didekati untuk memberikan respons pH untuk pelepasan lisosom, atau pemuatan antigen protein spesifik nonkovalen.

Nanopartikel polimer mimetik virus telah dipelajari untuk pengiriman nukleoprotein virus influenza A. Untuk meniru kemampuan virus untuk lolos dari endosom, para peneliti memperkenalkan nanopartikel polimer suatu bagian yang responsif terhadap pH yang dapat meningkatkan pelepasan endosom dari suatu antigen ke sitoplasma. Untuk memberikan respon pH, kopolimer dua blok dirancang: satu blok adalah dimetilaminoetil metakrilat hidrofilik dan piridil disulfida etil metakrilat; blok lainnya, yang merupakan bagian yang peka terhadap pH, terdiri dari asam propilakrilat, butilmetakrilat, dan dimetilaminoetil metakrilat. Nukleoprotein H1N1 influenza A dikonjugasikan ke nanopartikel yang responsif terhadap pH melalui pertukaran tiol-disulfida. Untuk meningkatkan imunogenisitas antigen protein, adjuvant CpG ODN 1826 dienkapsulasi dalam nanopartikel dengan interaksi muatan-muatan. Imunisasi tikus dengan antigen protein dalam nanopartikel polimer bermuatan CpG ODN menghasilkan populasi yang lebih besar dari sel T memori residen CD8+ pelindung paru dan memberikan perlindungan terhadap tantangan virus influenza. Sedangkan semua tikus kontrol mati setelah tantangan virus influenza, tikus yang diobati dengan antigen protein dalam nanopartikel polimer CpG ODN menunjukkan kelangsungan hidup 83%.

Mikropartikel polilaktida yang dimodifikasi dengan didodecyldimethylammonium bromide digunakan untuk pengiriman antigen permukaan hepatitis B intramuskular. Antigen permukaan hepatitis diadsorpsi ke permukaan mikropartikel polilaktida. Tiga injeksi intramuskular mikropartikel polilaktida bermuatan antigen menghasilkan peningkatan kadar sitokin pro-inflamasi (IL-1β, IL-6, CCL2, dan CXCL1) di tempat injeksi dibandingkan dengan yang terlihat pada tikus yang menerima mikropartikel polilaktida saja. Khususnya, setelah imunisasi ketiga, kelompok yang diobati dengan protein antigen pada nanopartikel polimer menunjukkan titer IgG spesifik antigen sepuluh kali lipat lebih tinggi dibandingkan dengan kelompok yang diobati dengan antigen alum-adjuvant komersial.

Secara bersama-sama, beberapa sistem pengiriman berbasis polimer telah dilaporkan memberikan respon imun terhadap penyakit menular. Meskipun polimer telah menunjukkan kelayakan pengiriman vaksin protein, bidang ini masih dalam masa pertumbuhan. Dalam kasus sistem pengiriman polimer, studi biologis dan imunologi pada produk degradasi perlu dilakukan. Selain itu, strategi pengiriman bersama ajuvan imun menggunakan sistem polimer akan menjadi perhatian untuk respons imun yang lebih tinggi.

 

Nanomaterial berbasis protein untuk pengiriman vaksin virus protein

Hanya beberapa penelitian yang menguji nanomaterial berbasis protein untuk pengiriman vaksin. Sebagai bahan nano berbasis protein, feritin, nanopartikel protein self-assembled, dan virus-like particles (VLPs) telah dieksploitasi. Ferritin dipelajari untuk penghantaran obat karena kapasitas pemuatan obat yang tinggi, biokompatibilitas, dan keamanannya. Ferritin diselidiki karena kemampuannya untuk memberikan doxorubicin ke sel kanker melalui interaksi dengan reseptor transferin 1, yang diekspresikan secara berlebihan pada sel kanker. Studi lain menggunakan feritin untuk memberikan sitokrom c untuk induksi apoptosis pada sel leukemia myeloid. VLP secara morfologis mirip dengan virus alami, tetapi tidak memiliki materi genetik virus di dalamnya. VLP hanya terdiri dari protein kapsid, dan dengan demikian tidak menyebabkan infeksi atau berkembang biak di sel inang. VLP dapat diperoleh atau disintesis secara alami dan dirakit sendiri menjadi struktur mimetik virus. Vaksinasi dengan VLP saja telah digunakan secara klinis untuk hepatitis B dan vaksinasi human papillomavirus.

Dalam sebuah penelitian yang menggunakan ferritin nanocage untuk pengiriman vaksin, tiga pengulangan berurutan dari protein matriks 2 terkonjugasi ke nanocage feritin rantai berat manusia. Pemberian intranasal dari matriks virus 2 protein-terkonjugasi ferritin nanocage ditemukan menginduksi IgG, IgG1, dan IgG2a spesifik antigen dalam serum, sedangkan pemberian intranasal nanocage feritin saja tidak menginduksi antibodi spesifik antigen. Tidak ada tikus yang menerima nanocage feritin intranasal yang mampu bertahan dari tantangan virus influenza. Sebaliknya, imunisasi intranasal tikus dengan matriks 2 nanopartikel feritin terkonjugasi protein memberikan perlindungan lengkap terhadap tantangan dengan virus influenza homolog dan hetero-subtipe, dengan tikus yang ditantang menunjukkan kelangsungan hidup 100%.

Kelompok lain mempelajari pengiriman intramuskular protein matriks 2 dan hemaglutinin kepala-dihapus virus influenza menggunakan nanopartikel protein double-layered. Protein rekombinan yang mengandung empat salinan tandem protein matriks 2 dibangun dan dirakit sendiri menjadi nanopartikel protein dengan metode desolvasi etanol. Protein hemaglutinin yang dihilangkan kepala kemudian ditandai ke permukaan nanopartikel protein matriks 2 melalui ikatan silang 3,3′-dithiobis (sulfosuccinimidyl propionate). Pemberian intramuskular matriks 2 protein-loaded protein nanopartikel ditemukan untuk memperoleh antibodi IgG spesifik antigen dalam serum dan melindungi tikus dari tantangan dengan virus influenza A yang diadaptasi tikus, dibandingkan dengan kelompok yang diobati dengan buffer fosfat.

VLP non-patogen yang berasal dari bakteriofag P22 diperiksa untuk pengiriman hemagglutinin virus influenza intratrakeal. Dalam penelitian ini, antigen kepala hemagglutinin rekombinan dari virus influenza PR8 dikonjugasi secara kovalen ke permukaan VLP bakteriofag P22 yang telah dirakit sebelumnya melalui interaksi spesifik peptida-peptida. VLP P22 terkonjugasi antigen kepala hemaglutinin menunjukkan morfologi mimetik virus tiga dimensi. Pemberian intratrakeal tikus dengan antigen kepala hemaglutinin saja menghasilkan 60% kelangsungan hidup dan 13% penurunan berat badan pada tantangan dengan virus influenza homolog. Pemberian intratrakeal VLP terkonjugasi antigen hemaglutinin head memberikan perlindungan lengkap terhadap tantangan dengan virus influenza PR8 homolog, tanpa kehilangan berat badan.

Nanopartikel protein Lass mammarenavirus-like dipelajari untuk pengiriman intramuskular glikoprotein Lassa mammarenavirus. Lassa mammarenavirus adalah arenavirus hewan pengerat yang dapat menyebabkan penyakit demam berdarah akut pada manusia. Dalam penelitian ini, glikoprotein tidak dimuat secara fisik atau terkonjugasi secara kimia; melainkan secara genetik menyatu dengan gen protein mirip virus mammarena Lass. Sel MDCK II ginjal normal mamalia digunakan untuk ekspresi VLP yang menyatu secara genetik. Kehadiran glikoprotein pada permukaan VLP yang direkayasa secara genetik bertujuan untuk meniru virus Lassa mammarena alami, yang memiliki glikoprotein pada permukaannya. Pemberian VLP yang menyatu dengan glikoprotein ditunjukkan untuk memperoleh respons antibodi penetralisir dalam serum kelinci. Sebagai adjuvant, agonis toll-like receptor 4, monophosphoryl lipid A, didispersikan dalam emulsi minyak (squalene)/air. Kombinasi VLP yang menyatu dengan glikoprotein dengan ajuvan berbasis squalene meningkatkan induksi antibodi penawar terhadap lima garis keturunan genetik Lassa mammarenavirus.

Influenza H1N1 VLPs diekspresikan dari sel tumbuhan dan dipelajari sebagai vaksin potensial melawan virus influenza. VLP turunan tanaman dihasilkan dari Nicotiana benthamiana yang telah direkayasa sebelumnya untuk mengekspresikan hemagglutinin influenza. VLP yang mengandung hemaglutinin menunjukkan struktur partikulat pleomorfik yang mirip dengan virus influenza asli dan mengalami endositosis 3 kali lipat lebih tinggi oleh makrofag yang diturunkan monosit manusia dibandingkan dengan protein hemaglutinin saja. Khususnya, penelitian ini mengamati nasib intraseluler dari VLP yang menyatu secara genetik. Dalam makrofag yang diturunkan dari monosit manusia, VLP yang menyatu secara genetik yang ditandai dengan pewarna fluoresen menunjukkan masuk ke jalur endosom awal, akhir, dan daur ulang. Pada 45 menit setelah denyut nadi, VLP yang menyatu secara genetik dengan pewarna fluoresen ditemukan dilokalisasi bersama dengan penanda MHC II, MHC I, dan endosom (Rab5, Rab7, dan Rab11).

Dibandingkan dengan banyak penelitian yang meneliti penggunaan lipid atau nanopartikel polimer untuk pengiriman vaksin, penelitian yang menggunakan nanomaterial berbasis protein masih terbatas. Salah satu alasannya adalah kerumitan dalam membangun dan memproduksi bahan nano berbasis protein. Lain adalah kemungkinan untuk nanomaterial berbasis protein berfungsi sebagai antigen dan memicu respon imun. Dengan demikian, studi tentang sistem pengiriman berbasis protein harus mencakup evaluasi pengembangan antibodi setelah pemberian dosis berulang.

 

Nanomaterial anorganik untuk pengiriman vaksin virus protein

Di antara nanomaterial anorganik, nanopartikel logam perak dan emas telah dipelajari untuk mengantarkan virus influenza dan virus flue burung. Nanopartikel perak sendiri telah dilaporkan memodulasi respon imun bawaan dan mempromosikan pelepasan sitokin pro-inflamasi dalam sel imun bawaan. Nanopartikel perak diketahui memiliki energi permukaan yang tinggi, mendorong adsorpsi protein di permukaan. Nanopartikel emas juga diketahui memiliki energi permukaan yang tinggi untuk adsorpsi protein.

Nanopartikel perak diaplikasikan untuk pengiriman intratrakeal vaksin virus influenza A yang tidak diaktifkan dengan panas. Menggunakan fitur adsorpsi protein nanopartikel perak, virus influenza A yang tidak aktif secara fisik diadsorpsi pada permukaan nanopartikel perak. Setelah injeksi intratrakeal, tikus yang diimunisasi dengan virus yang teradsorpsi pada nanopartikel perak menunjukkan peningkatan kadar IL-12 dan faktor pengaktif sel B dalam lavage bronchoalveolar. Imunisasi dengan antigen virus pada nanopartikel perak melindungi tikus dari tantangan dengan dosis sub-mematikan (300 pfu/tikus) dari jenis virus influenza A yang sama. Tikus yang diimunisasi dengan virus yang teradsorpsi pada nanopartikel perak memberikan tingkat IgA spesifik antigen yang lebih tinggi dalam lavage bronchoalveolar dan IgG spesifik antigen dalam serum, dibandingkan dengan kelompok yang diimunisasi dengan virus yang tidak diaktifkan kepala saja.

Nanopartikel emas dipelajari untuk pengiriman protein kapsid virus corona burung. Dalam penelitian ini, protein kapsid secara fisik teradsorpsi pada permukaan nanopartikel emas, di mana mereka membentuk struktur seperti virus tiga dimensi. Pengiriman intramuskular protein kapsid teradsorpsi pada nanopartikel emas menunjukkan distribusi 6 kali lipat lebih tinggi untuk menguras kelenjar getah bening dibandingkan dengan yang dicapai dengan menggunakan protein kapsid bebas. Dalam model ayam, injeksi intramuskular protein kapsid yang teradsorpsi pada nanopartikel emas memberikan protein lonjakan protein anti-infeksi bronkitis IgG dan IgA titer antibodi dan respons sel T limpa yang lebih tinggi daripada pemberian protein kapsid bebas, dan memberikan perlindungan lengkap terhadap tantangan dengan infeksi virus bronkitis.

Nanopartikel logam perak atau emas mungkin memiliki keunggulan dalam formulasi vaksin protein karena fitur adsorpsi proteinnya. Namun, keamanan nanomaterial logam apa pun harus dipertimbangkan dengan cermat. Karena kurangnya biodegradasi dalam tubuh, nanopartikel logam dapat disimpan dalam tubuh untuk waktu yang lama, dan dengan demikian dapat menimbulkan efek samping yang tidak terduga. Telah dilaporkan bahwa nanopartikel yang lebih kecil dari 10 nm dapat diekskresikan melalui ginjal. Pembuatan nanopartikel logam dalam ukuran yang dapat diekskresikan akan menjadi salah satu cara untuk meminimalkan masalah keamanan. Di masa depan, mungkin berguna untuk mempelajari dampak ukuran nanopartikel logam pada respons imun.