Sistem Sintetis untuk Pengiriman Antigen Tumor

Read Also

Antigen tumor dapat dikategorikan secara luas menjadi antigen subunit dan antigen sel utuh/ whole-cell. Antigen subunit termasuk polisakarida permukaan sel yang berubah, peptida, onkoprotein, dan DNA serta mRNA yang mengkode protein tersebut, sementara lisat sel tumor dan sel tumor yang mati secara imunogenik dapat berfungsi sebagai sumber antigen whole-cell. Tabel menyajikan keuntungan dan tantangan utama untuk setiap kelas antigen tumor yang digunakan untuk vaksinasi kanker. Beberapa virus (misalnya, Epstein-Barr virus (EBV), human papilloma virus (HPV) dan virus hepatitis B dan C) berkontribusi terhadap perkembangan kanker, dan produk gen yang dikodekan, virus juga dapat berfungsi sebagai target potensial imunoterapi. Di antara berbagai jenis antigen tumor, onkoprotein, yang merupakan protein normal atau embrionik yang bermutasi atau diekspresikan secara berlebihan dari perkembangan janin, diselidiki secara intensif untuk vaksin kanker karena potensinya untuk menimbulkan respons elicit broad-epitope CD8+ and CD4+ T-cell. Dibandingkan dengan antigen protein full-length yang membutuhkan penyerapan dan pemrosesan seluler, epitop peptida dapat langsung mengikat molekul MHC, dan stabilitasnya kurang terpengaruh selama persiapan dan penyimpanan produk vaksin. Sejalan dengan keunggulan ini, ada banyak uji klinis yang sedang berlangsung pada vaksin kanker berbasis peptida. Namun, tantangan utama yang dihadapi vaksinasi kanker berdasarkan antigen subunit adalah imunogenisitasnya yang buruk dan kemanjuran terapi yang terbatas. Misalnya, dalam kasus antigen terkait melanoma, -catenin, survivin, tirosinase, gp100, MAGE, melan-A (MART1), dan NY-ESO-1, telah diidentifikasi dan diuji dalam uji klinis. Dalam uji coba Fase III peptida gp100 dalam kombinasi dengan IL-2 dan MontanideTM ISA 51 sebagai ajuvan, tingkat respons dan kelangsungan hidup secara keseluruhan meningkat dari 6% menjadi 16% dan 11,1 bulan menjadi 17,8 bulan, masing-masing, dibandingkan dengan IL-2 kelompok pengobatan saja. Namun, percobaan Fase III lainnya dengan peptida MAGE-A3 telah gagal untuk memperpanjang kelangsungan hidup bebas penyakit. Secara keseluruhan, kemanjuran terapi vaksin kanker tetap suboptimal, sebagian karena fakta bahwa banyak antigen tumor yang dievaluasi dalam uji klinis adalah self-antigens terhadap mana sel-T auto-reaktif dieliminasi atau ditoleransi. Selain itu, sistem pengiriman vaksin/adjuvant konvensional memiliki kemampuan terbatas untuk menargetkan pengiriman antigen tumor dan adjuvant ke APC dan kompartemen intraseluler yang tepat. Dalam hal ini, sistem vaksin berbasis nanoteknologi siap untuk mengatasi tantangan ini seperti yang dijelaskan di bawah ini.

Efisien drainase ke Jaringan Limfoid

Nanocarrier dapat meningkatkan kemanjuran vaksin kanker subunit dengan memfasilitasi presentasi antigen dan aktivasi sel T. Ini dicapai dengan memanfaatkan drainase nanocarrier yang efisien ke jaringan limfoid dan tempat tinggal jaringannya yang berkepanjangan serta pelepasan antigen dan adjuvant yang terkontrol. Ukuran partikel adalah salah satu faktor utama yang menentukan efisiensi drainase limfatik. Partikel besar (berdiameter >500 nm) dapat secara fisik terperangkap di tempat injeksi melalui interaksi dengan protein matriks ekstraseluler, sedangkan nanopartikel ultra-small (berdiameter <10 nm) atau molekul antigen terlarut dapat dengan cepat berdifusi masuk dan keluar dari kelenjar getah bening, sehingga meminimalkan kemungkinan APC memfagositosis partikel vaksin dalam jumlah yang cukup. Di sisi lain, partikel dengan ukuran menengah (berdiameter 10-100 nm) dapat secara efisien mengalir ke kelenjar getah bening yang mengeringkan regional dan tertahan di sana, sehingga meningkatkan kemungkinan pengambilan dan presentasi antigen oleh APC. Memang, satu penelitian telah membandingkan imunogenisitas protein atau peptide antigen-conjugated nanobeads dengan ukuran mulai dari 0,02 hingga 2 m. Setelah injeksi intradermal nanobeads ini ke tikus, formulasi nanovaccine 40 nm terkuras paling efisien ke kelenjar getah bening dan menimbulkan respons imun sel T spesifik antigen yang lebih kuat daripada formulasi lain, termasuk vaksin dengan adjuvant konvensional seperti Alum, monophosphoryl lipid A (MPLA) , atau Quil-A. Dalam studi lain, setelah injeksi subkutan ke tikus, nanogel dengan diameter rata-rata 60 nm self-assembled oleh polisakarida cholesteryl pullulan mengirimkan peptida antigen tumor panjang sintetis ke makrofag meduler, yang memicu respons sel T CD8+ anti-tumor dalam pengaturan profilaksis dan terapeutik (Gambar). Lebih lanjut, peningkatan respons sel T CD8+ sitotoksik dan penghambatan pertumbuhan tumor telah dicapai dengan menargetkan nanovaksin ke kelenjar tumor-draining lymph node daripada non-tumor draining lymph nodes, menunjukkan bahwa jaringan limfoid yang diprioritaskan oleh antigen tetapi dengan penekanan kekebalan dapat berfungsi sebagai situs aktivasi kekebalan ideal. Studi ini bergantung pada berbagai teknik pencitraan dengan nanopartikel berlabel fluorescent dyes atau agen kontras untuk melacak dan mengukur lymphatic draining. Sebagai contoh, sistem nanopartikel poliester yang diisi dengan ovalbumin (OVA) dan diberi label dengan probe inframerah-dekat telah digunakan untuk mendemonstrasikan co-transportasi antigen dan nanopartikel ke kelenjar getah bening yang mengalir. Dalam pendekatan alternatif, nanopartikel poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) yang dirancang untuk membawa partikel oksida besi terkonjugasi dengan antigen peptida berlabel fluorofor memungkinkan pelacakan bimodal dari nanocarrier dengan MRI dan pencitraan fluoresen. Khususnya, masih harus dilihat apakah sistem pengiriman ini dapat berhasil diterjemahkan ke dalam klinik karena sebagian besar penelitian dilakukan pada model murine. Memang, pada injeksi subdermal ke daerah payudara pasien kanker payudara, koloid radio-label besar (> 300 nm) dikeringkan perlahan melalui pembuluh getah bening dan disimpan lebih lama di kelenjar getah bening sentinel, dibandingkan dengan rekan-rekan kecil mereka (<50 nm) yang pembuluh limfatik yang divisualisasikan dengan cepat, kelenjar getah bening sentinel, dan kelenjar getah bening tingkat kedua dan ketiga. Selain itu, drainase limfatik vaksin partikulat juga tergantung pada komposisi bahan, morfologi, dan kimia permukaan partikel.

Gambar Kemanjuran anti-tumor ditingkatkan dengan drainase limfoid yang efisien dan retensi vaksin kanker berbasis nanopartikel. (A) Drainase limfoid dari nanogel pullulan berlabel fluorofor 6 jam pasca injeksi subkutan pada tikus. Bilah skala, 1 mm. Nanogel yang dimuat dengan long peptide antigen (LPA) MAGE-A4 mencapai kemanjuran profilaksis (B) dan terapeutik (C) yang lebih baik dibandingkan dengan antigen terlarut; (B) Mencit diimunisasi pada hari ke-7, dilanjutkan dengan inokulasi tumor pada hari ke-0; (C) tikus diinokulasi dengan tumor pada hari 0, diikuti dengan imunisasi pada hari ke 4 dan 11.

Pengiriman yang Ditargetkan ke Sel Dendritik

Setelah kontak dengan sel imun, antigen tumor harus ditelan dan diproses oleh APC, lebih disukai DC, untuk mengaktifkan respon imun adaptif. Oleh karena itu, pengiriman vaksin yang ditargetkan ke DC mungkin bermanfaat. Memang, vaksin protein yang terdiri dari NY-ESO-1 full-length yang menyatu dengan mAb manusia spesifik untuk DEC-205 (CD205), yang merupakan reseptor lektin tipe-C yang diekspresikan pada DC, telah terbukti menghasilkan antigen spesifik yang kuat. respon imun humoral dan seluler dengan profil keamanan yang baik dalam uji klinis Fase I baru-baru ini. Nanopartikel yang mengenkapsulasi antigen tumor juga dapat dimodifikasi dengan menargetkan bagian pada permukaannya untuk mencapai pengiriman spesifik DC. Sistem pengiriman tersebut secara khusus ditargetkan untuk DEC-205, DC-SIGN, reseptor mannose, reseptor Fc, CD40, atau CD11c telah dilaporkan. Meskipun sistem ini telah terbukti menginduksi aktivasi DC yang lebih kuat, dibandingkan dengan rekan-rekan mereka yang tidak ditargetkan, masih harus ditentukan apakah ligan penargetan tertentu optimal untuk pendekatan penargetan DC. Studi baru-baru ini telah membahas masalah ini dengan membandingkan nanovaksin PLGA yang dimodifikasi dengan antibodi terhadap CD40, DEC-205, atau CD11c, dan menunjukkan bahwa nanopartikel yang dimodifikasi CD40 Ab mencapai pengikatan dan serapan terbesar oleh DC. Menariknya, meskipun tingkat penargetan DC berbeda, berbagai formulasi nanovaksin ini menginduksi tingkat respons sel T CD8+ yang serupa. Perlu dicatat bahwa tingkat penargetan DC, penyerapan partikel, dan aktivasi kekebalan selanjutnya tergantung pada sifat fisiko-kimia spesifik dari nanocarrier itu sendiri serta adjuvant yang digunakan dalam sistem vaksin. Dengan demikian, efisiensi penargetan DC dan induksi respons imun adaptif oleh nanovaksin mungkin harus dioptimalkan dalam konteks setiap pembawa vaksin dan adjuvant. Secara khusus, subset DC yang berbeda memiliki situs khas tempat tinggal jaringan, profil ekspresi reseptor, dan fungsi, dan nanovaksin yang dirancang untuk menargetkan subset DC dengan efisiensi tinggi dari presentasi silang antigen, seperti CD8+ DC residen jaringan limfoid murine dan manusia CD141+/BDCA-3+ DC dan sel Langerhans, harus dieksplorasi lebih lanjut.

Promosi Cross-Presentation

Antigen ekstraseluler biasanya diproses dan disajikan melalui MHC-II oleh APC ke sel T CD4+; namun, antigen tumor yang ditelan oleh APC perlu dipresentasikan melalui MHC-I untuk mengaktifkan CTL, yang merupakan sel efektor utama melawan sel tumor. Dengan demikian, pendekatan vaksin tradisional yang mengandalkan protein terlarut atau antigen tumor peptida dapat mengubah respons imun terhadap respons sel T CD4+, sementara gagal menginduksi respons CTL yang memadai. Sebaliknya, antigen tumor yang disampaikan oleh nanomaterial fungsional yang dirancang untuk mendorong pelepasan endosom (yaitu, translokasi antigen dari endosom/fagosom ke sitosol) dapat menginduksi presentasi silang dan secara menguntungkan memperoleh respons sel T CD8+. Untuk tujuan ini, upaya penelitian ekstensif telah difokuskan pada sistem pengiriman sensitif pH yang dapat mempertahankan muatannya di bawah kondisi pH fisiologis sambil memicu pelepasan antigen dan gangguan vakuola endositik pada lingkungan mikro endosom yang asam (~pH 6). Sebagai contoh, sistem pengiriman antigen liposom yang dimodifikasi dengan turunan dekstran yang sensitif terhadap pH telah terbukti meningkatkan pengiriman antigen sitosolik. Selain itu, sistem misel yang terdiri dari polimer amfifilik dengan blok bangunan peka pH yang membentuk inti partikel telah dirancang untuk menginduksi fusi bahan nano ke vesikel endosom, sehingga mengangkut permukaan antigen protein yang ditampilkan pada misel dari endosom ke sitosol dan mempromosikan antigen cross-presentation dan respon sel T CD8+. Pendekatan alternatif termasuk polimersom sensitif oksidasi yang dapat merespon lingkungan oksidatif endosom dan mengirimkan antigen dan adjuvant ke sitosol. Selain itu, liposom yang dimodifikasi dengan oktaarginin peptida penembus sel atau nanopartikel emas yang menampilkan antigen tumor juga ditunjukkan untuk mempromosikan presentasi silang.

Co-Delivery Ajuvan

Keuntungan utama lain dari sistem pengiriman nanopartikel terletak pada kemampuannya untuk memberikan antigen bersama-sama dengan adjuvant, sehingga meningkatkan presentasi silang dan/atau mencondongkan respons imun ke fenotipe penolong CD4+ T yang diinginkan. Agonis untuk Toll-like receptors (TLRs) telah banyak diteliti sebagai adjuvant untuk vaksin kanker. Meskipun TLRs terutama terlibat dalam imunitas bawaan dengan merasakan sinyal bahaya patogen, mereka sangat penting untuk induksi respon imun adaptif karena mereka dapat mempromosikan presentasi silang di APC untuk mengaktifkan sel T CD8+ atau APC utama untuk melepaskan sitokin yang dapat mempolarisasi sel TH CD4+ ke fenotipe tertentu. Karena respons TH1 yang ditimbulkan oleh aktivasi TLR3, TLR7, atau TLR9 berkontribusi pada respons sel T CD8+, agonis TLR ini telah diperiksa secara luas untuk nanovaksin kanker. CpG, yang merupakan oligonukleotida yang tidak termetilasi yang mengandung motif CpG, adalah agonis TLR9 yang kuat. CpG telah dikomplekskan dengan polimer kationik melalui interaksi elektrostatik atau terkonjugasi dengan nanocarrier, yang meningkatkan aktivasi imun dibandingkan dengan pemberian adjuvant terlarut bebas (Gambar). Jebakan yang dimediasi muatan juga dieksploitasi untuk memuat bersama poli I:C agonis TLR3 anionik dan peptida antigen kationik ke dalam nanopartikel emas melalui strategi “layer-by-layer”, yang mengarah pada munculnya sel T CD8+ spesifik antigen yang kuat ketika diuji dengan antigen model in vivo (Gambar). Selain pemuatan adjuvant yang efisien, co-load antigen dan adjuvant dalam partikel yang sama juga dapat meningkatkan efisiensi presentasi silang dan induksi sel T CD8+, dibandingkan dengan komponen vaksin terlarut yang dicampur bersama. Selain itu, nanopartikel yang dirancang untuk pemuatan obat multifaset dapat mendukung penggunaan kombinasi ajuvan, sehingga memungkinkan eksploitasi sinergi antara agonis TLR tertentu. Misalnya, CpG dan poli I:C telah dimuat bersama ke dalam nanopartikel poliester, sedangkan agonis TLR4 glucopyranosyl lipid A dan agonis TLR7 imiquimod telah dienkapsulasi menjadi liposom. Dalam kedua kasus, respons TH1 ditingkatkan secara signifikan oleh partikel bermuatan agonis TLR ganda, dibandingkan dengan yang ditimbulkan oleh ajuvan tunggal. Atau, agonis TLR dapat dikombinasikan dengan siRNA yang menghambat jalur imunosupresif. Co-pengiriman CpG dan siRNA yang menargetkan IL-10, penginduksi sel TH2 dan Treg, mencondongkan respons imun ke tipe TH1. Kombinasi epitop peptide tyrosine-related protein 2 (Trp2) dan nanovaksin berbasis CpG dengan siRNA terhadap TGF-β, yang merupakan salah satu sitokin utama yang bertanggung jawab untuk induksi dan pemeliharaan lingkungan mikro tumor imunosupresif, secara signifikan meningkatkan kemanjuran terapeutik dari vaksin kanker berbasis nanopartikel dalam model melanoma murine stadium akhir.

Gambar Co-delivery antigen dan adjuvant oleh nanopartikel. (A) TLR9 agonis CpG terkonjugasi pada permukaan nanopartikel polimer melalui pertukaran disulfida. Ajuvan partikulat meningkatkan aktivasi DC in vitro serta kemanjuran profilaksis terhadap tumor in vivo, dibandingkan dengan CpG terlarut; (B) TLR3 agonis poli I:C dan peptida antigen dikomplekskan menjadi nanopartikel emas melalui interaksi elektrostatik, dan menghasilkan lebih banyak sel T CD8+ antigen spesifik dibandingkan dengan vaksin terlarut.

Pengiriman Antigen Tumor DNA dan mRNA

DNA dan mRNA yang mengkode protein atau peptida onkogenik merupakan antigen tumor yang menarik karena kemudahan pembuatan skala dan potensinya untuk dimodifikasi lebih lanjut dengan urutan asam nukleat yang mengkode protein dengan fungsi imunostimulator (misalnya, flagelin). Namun, uji klinis sebelumnya pada vaksin kanker DNA, yang sebagian besar diberikan sebagai DNA telanjang melalui rute intramuskular, menunjukkan tingkat respons yang umumnya buruk. Meskipun vektor virus dan elektroporasi telah digunakan untuk meningkatkan transfeksi vaksin DNA. Sebagai alternatif, sistem penghantaran sintetik dapat digunakan untuk menghantarkan terapi DNA dan mRNA karena beberapa keuntungan: (1) bahan sintetik seperti lipid kationik dan polimer merupakan alternatif yang lebih aman daripada vektor virus; (2) terapi gen dapat distabilkan dan dilindungi dari degradasi yang dimediasi nuklease oleh pembawa partikulat, dan DNA dan RNA juga telah dirancang untuk self-assemble menjadi struktur nano yang khas dengan stabilitas koloid yang ditingkatkan; (3) rute pengiriman gen bebas injeksi dapat dimanfaatkan dengan DNA dan RNA-loaded nanocarrier, seperti microneedles, nanopartikel polimer pH-sensitif, atau lipoplexes untuk rute pengiriman non-parenteral; dan (4) nanocarrier dapat dimodifikasi dengan bagian penargetan, misalnya, mannose, untuk mencapai pengiriman dan transfeksi bertarget DC.

Pengiriman Vaksin Kanker Whole-Cell

Dibandingkan dengan satu peptida atau antigen protein, vaksin kanker whole-cell dapat menimbulkan respons imun multivalen dengan memperluas pengenalan epitop dan membantu mewujudkan imunoterapi yang dipersonalisasi. Antigen whole-cell dapat diperoleh dari lisat sel tumor dengan fitur nekrotik atau whole tumor cells yang tidak aktif dengan fitur apoptosis. Mirip dengan subunit vaksin nanocarriers, lisat sel tumor dan agonis TLR telah co-enkapsulasi ke dalam sistem pengiriman partikulat, termasuk liposom atau PLGA mikro / nanopartikel. Vaksin kanker whole-cell juga telah dikirimkan oleh matriks PLGA “infection-mimicking” yang dapat terurai secara hayati yang mengandung lisat tumor sebagai sumber antigen tumor, granulocyte macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) untuk perekrutan DC in situ, dan CpG untuk aktivasi DC yang direkrut. Vaksin kanker whole-cell berbasis matriks PLGA ini berhasil memunculkan sel T CD8+ antigen spesifik dan meningkatkan kemanjuran antitumor profilaksis dan terapeutik, dibandingkan dengan vaksin whole-cell konvensional GVAX, yang terdiri dari sel tumor yang mensekresi GM-CSF yang diiradiasi. Dalam pendekatan alternatif, membran plasma sel tumor telah diekstraksi dan dilapisi ke inti nanopartikel polimer bersama dengan MPLA agonis TLR4 sebagai vaksin kanker yang meniru sel tumor.