Syntese og karakterisering af mRNA-Loaded Poly (Beta Aminoesters) Nanopartikler til vaccinationsformål
Summary
Her præsenteres en simpel protokol til fremstilling af mRNA nanopartikler baseret på poly (beta aminoester) polymerer, let at skræddersy ved at ændre den indkapslede mRNA. Arbejdsgangen for syntetisering af polymerer, nanopartikler, og deres in vitro væsentlige karakterisering er også beskrevet. Der tilføjes også et proof-of-concept vedrørende immunisering.
Abstract
Vaccination har været en af de største succeser i det moderne samfund og er uundværlig for at kontrollere og forebygge sygdomme. Traditionelle vacciner bestod af hele eller brøkdele af det smitsomme middel. Der er dog stadig udfordringer, og nye vaccineteknologier er obligatoriske. I den forbindelse har brugen af mRNA til immunisering vist en forbedret ydeevne, som det fremgår af den hurtige godkendelse af to mRNA-vacciner, der forhindrer SARS-CoV-2-infektion. Ud over succes med at forebygge virusinfektioner kan mRNA-vacciner også bruges til terapeutiske kræftapplikationer.
Ikke desto mindre gør ustabiliteten af mRNA og dens hurtige clearance fra kroppen på grund af tilstedeværelsen af nukleaser sin nøgne levering ikke mulig. I denne sammenhæng er nanomedicin, og specielt polymere nanopartikler, kritiske mRNA-leveringssystemer. Formålet med denne artikel er således at beskrive protokollen for formulering og test af en mRNA vaccine kandidat baseret på de proprietære polymere nanopartikler. Syntesen og kemisk karakterisering af poly (beta aminoesters) polymerer, deres complexation med mRNA til at danne nanopartikler, og deres lyophilization metode vil blive diskuteret her. Dette er et afgørende skridt for at reducere lager- og distributionsomkostningerne. Endelig vil de nødvendige test for at påvise deres evne til at in vitro transfect og modne model dendritiske celler blive angivet. Denne protokol vil gavne det videnskabelige samfund, der arbejder på vaccination på grund af sin høje alsidighed, der gør det muligt for disse vacciner at forebygge eller helbrede en bred vifte af sygdomme.
Introduction
Smitsomme sygdomme har været en alvorlig trussel mod millioner af mennesker verden over og er stadig en af de hyppigste dødsårsager i nogle udviklingslande. Profylaktisk vaccination har været en af de mest effektive interventioner i det moderne samfund til at forebygge og kontrollere smitsomme sygdomme1,2. Disse kritiske milepæle for videnskabeni det 20. århundredes relevans er blevet bemærket af den nylige verdensomspændende Covid-19-pandemi forårsaget af SARS-CoV-2-virus3. I erkendelse af vigtigheden af at have effektive vacciner til at begrænse spredningen af sygdommen, har samarbejdsindsatsen fra alle biomedicinske samfund med succes resulteret i mange profylaktiske vacciner på markedet på mindre end et år4.
Traditionelt blev vacciner sammensat af dæmper (levende, reduceret virulens) eller inaktiverede (dødspartikler) vira. Men for nogle sygdomme uden margen for sikkerhedsfejl er viruspartikler ikke mulige, og proteinunderenheder anvendes i stedet. Ikke desto mindre muliggør underenheder normalt ikke kombinationen af mere end én epitop /antigen, og adjuvanser er nødvendige for at øge vaccinationsstyrken5,6. Derfor står behovet for nye vaccinetyper klart.
Som det fremgår af den nuværende pandemi, kan nye vaccinekandidater baseret på nukleinsyrer være fordelagtige med hensyn til at undgå lange udviklingsprocesser og give høj alsidighed, samtidig med at der produceres en vital patientimmunalisering. Dette er tilfældet med mRNA-vacciner, som oprindeligt blev designet som eksperimentelle kræftvacciner. Takket være deres naturlige evne til at producere antigenspecifikke T-celleresponser3,5,6,7. At være mRNA det molekyle, der koder det antigene protein, kun ændre det samme, vaccinen kan hurtigt skræddersys til at immunisere andre varianter af samme mikroorganisme, forskellige stammer, andre smitsomme mikroorganismer, eller endda blive en kræft immunterapeutisk behandling. Derudover er de fordelagtige med hensyn til store produktionsomkostninger. MRNA har imidlertid en betydelig forhindring, der hæmmer deres nøgne administration: dens stabilitet og integritet er kompromitteret i fysiologiske medier, fuld af nukleaser. Af denne grund kræves brugen af en nanometrisk bærer, der beskytter den og vektoriserer mRNA til de antigenpræsentationsceller,2,8.
I denne sammenhæng er poly (beta aminoesters) (pBAE) en klasse af biokompatibile og biologisk nedbrydelige polymerer, der viste en bemærkelsesværdig evne til at komplekse mRNA i nanometriske partikler takket være deres kationiske ladninger9,10,11. Disse polymerer består af esterbindinger, hvilket gør deres nedbrydning let ved esterases under fysiologiske forhold. Blandt pBAE bibliotek kandidater, dem funktionaliseret med end kationiske oligopeptider viste en højere kapacitet til at danne små nanopartikler til effektivt at trænge ind i celler gennem endokytose og transfect den indkapslede genmateriale. Desuden, takket være deres bufferkapacitet, forsuring af endosome rum tillader endosomal undslippe12,13. Nemlig en bestemt form for pBAE, herunder hydrofobiske moieties på deres rygrad (den såkaldte C6 pBAE) for at øge deres stabilitet og end-oligopeptid kombination (60% af polymer modificeret med en tri-lysin og 40% af polymeren med en tri-histidin), der selektivt transfects antigen-præsentere celler efter parenteral administration og producere mRNA kodet antigen præsentation efterfulgt af mus immunisering er for nylig blevet offentliggjort14 . Derudover er det også blevet påvist, at disse formuleringer kunne omgå et af nanomedicinformuleringernes vigtigste flaskehalstrin: muligheden for at frysetørre dem uden at miste deres funktionalitet, hvilket muliggør langsigtet stabilitet i bløde tørre miljøer15.
I den forbindelse er formålet med den nuværende protokol at stille proceduren for dannelse af mRNA-nanopartiklerne til rådighed for det videnskabelige samfund ved at give en beskrivelse af de kritiske trin i protokollen og muliggøre produktion af effektive vacciner til forebyggelse af smitsomme sygdomme og anvendelse af tumorbehandling.
Følgende protokol beskriver den komplette træning for at syntetisere oligopeptid end-modificeret poly (beta aminoesters) – OM-pBAE polymerer, der yderligere vil blive brugt til nanopartikler syntese. I protokollen er nanopartikler formulering også inkluderet. Derudover er der også kritiske skridt til succes for proceduren og repræsentative resultater for at sikre, at de resulterende formuleringer udfører de nødvendige kvalitetskontrolkarakteriseringsfunktioner for at definere et positivt eller negativt resultat. Denne protokol er opsummeret i figur 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Efter udbruddet af Covid-19-pandemien sidste år har vaccinernes betydning i form af infektionssygdomsbekæmpelse manifesteret sig som en kritisk komponent8. Bestræbelser fra forskere verden over har gjort det muligt at frigive mange vacciner til markedet. For første gang i historien har mRNA-vacciner demonstreret deres tidligere hypotese succes takket være deres hurtige design på grund af deres evne til at tilpasse sig ethvert nyt antigen inden for nogle måneder5…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finansiel støtte fra MINECO/FEDER (tilskud SAF2015-64927-C2-2-R, RTI2018-094734-B-C22 og COV20/01100) anerkendes. CGF anerkendte hendes IQS Ph.d.-stipendium.
Materials
| 1,4-butanediol diacrylate | Sigma Aldrich | 123048 | |
| 1-hexylamine | Sigma Aldrich | 219703 | |
| 5-amino-1-pentanol | Sigma Aldrich | 411744 | |
| Acetone | Panreac | 141007 | |
| CD11b antibody | BD | 550993 | |
| CD86 antibody | Bioligend | 105007 | |
| Chlor hydroxhyde | Panreac | 181023 | |
| Chloroform-d | Sigma Aldrich | 151823 | |
| Cys-His-His-His peptide | Ontores | Custom | |
| Cys-Lys-Lys-Lys peptide | Ontores | Custom | |
| D2O | Sigma Aldrich | 151882 | |
| DEPC reagent for Rnase free water | Sigma Aldrich | D5758 | This reagent is important to treat MilliQ water to remove any RNases of the buffers |
| Diethyl eter | Panreac | 212770 | |
| dimethyl sulfoxide | Sigma Aldrich | 276855 | |
| HEPES | Sigma Aldrich | H3375 | |
| mRNA EGFP | TriLink Technologies | L-7601 | |
| mRNA OVA | TriLink Technologies | L-7610 | |
| RiboGreen kit | ThermoFisher | R11490 | |
| sodium acetate | Sigma Aldrich | 71196 | |
| sucrose | Sigma Aldrich | S0389 | |
| Trifluoroacetic acid | Sigma Aldrich | 302031 | |
| Trypsin-EDTA | Fisher Scientific | 11570626 | |
| α-mouse AlexaFluor488 antibody | Abcam | Ab450105 | |
| Equipment | |||
| Nanoparticle Tracking Analyzer | Malvern Panalytical | NanoSight NS300 | |
| Nuclear Magnetic Ressonance Spectrometer | Varian | 400 MHz | |
| ZetaSizer | Malvern Panalytical | Nano ZS | For zeta potential and hydrodynamic size determination |
| Software | |||
| NanoSight NTA software | Malvern Panalytical | MAN0515-02-EN-00 | |
| NovoExpress Software | Agilent | Not specified | |
| ZetaSizer software | Malvern Panalytical | DTS Application | To analyze surface charge and hydrodynamic sizes |
Riferimenti
- Chumakov, K., Benn, C. S., Aaby, P., Kottilil, S., Gallo, R. Can existing live vaccines prevent COVID-19. Science. 368 (6496), 1187-1188 (2020).
- Zhang, C., Maruggi, G., Shan, H., Li, J. Advances in mRNA vaccines for infectious diseases. Frontiers in Immunology. 10, 1-13 (2019).
- Wherry, E. J., Jaffee, E. M., Warren, N., D’Souza, G., Ribas, A. How did we get a COVID-19 vaccine in less than 1 year. Clinical Cancer Research. 27 (8), 2136-2138 (2021).
- Folegatti, P. M., et al. Safety and immunogenicity of the ChAdOx1 nCoV-19 vaccine against SARS-CoV-2: a preliminary report of a phase 1/2, single-blind, randomised controlled trial. The Lancet. 396 (10249), 467-478 (2020).
- Geall, A. J., Mandl, C. W., Ulmer, J. B. RNA: The new revolution in nucleic acid vaccines. Seminars in Immunology. 25 (2), 152-159 (2013).
- Ulmer, J. B., Geall, A. J. Recent innovations in mRNA vaccines. Current Opinion in Immunology. 41, 18-22 (2016).
- Kranz, L. M., et al. Systemic RNA delivery to dendritic cells exploits antiviral defence for cancer immunotherapy. Nature. 534 (7607), 396-401 (2016).
- Milane, L., Amiji, M. Clinical approval of nanotechnology-based SARS-CoV-2 mRNA vaccines: impact on translational nanomedicine. Drug Delivery and Translational Research. 1 (4), 3 (2020).
- Green, J. J., Langer, R., Anderson, D. G. A combinatorial polymer library approach yields insight into nonviral gene delivery. Accounts of Chemical Research. 41 (6), 749-759 (2008).
- Guerrero-Cázares, H., et al. Biodegradable polymeric nanoparticles show high efficacy and specificity at DNA delivery to human glioblastoma in vitro and in vivo. ACS Nano. 8 (5), 5141-5153 (2014).
- Kozielski, K. L., Tzeng, S. Y., Hurtado De Mendoza, B. A., Green, J. J. Bioreducible cationic polymer-based nanoparticles for efficient and environmentally triggered cytoplasmic siRNA delivery to primary human brain cancer cells. ACS Nano. 8 (4), 3232-3241 (2014).
- Segovia, N., Dosta, P., Cascante, A., Ramos, V., Borrós, S. Oligopeptide-terminated poly(β-amino ester)s for highly efficient gene delivery and intracellular localization. Acta Biomaterialia. 10 (5), 2147-2158 (2014).
- Dosta, P., Segovia, N., Cascante, A., Ramos, V., Borrós, S. Surface charge tunability as a powerful strategy to control electrostatic interaction for high efficiency silencing, using tailored oligopeptide- modified poly (beta-amino ester)s (PBAEs). Acta Biomaterialia. 20, 82-93 (2015).
- Fornaguera, C., et al. mRNA delivery system for targeting antigen-presenting cells in vivo. Advanced Healthcare Materials. 7 (17), 180033 (2018).
- Fornaguera, C., Castells-Sala, C., Lázaro, M. &. #. 1. 9. 3. ;., Cascante, A., Borrós, S. Development of an optimized freeze-drying protocol for OM-PBAE nucleic acid polyplexes. International Journal Pharmaceutics. 569, (2019).
- Fornaguera, C., Solans, C. Analytical methods to characterize and purify polymeric nanoparticles. International Journal of Polymer Science. , (2018).
- Fornaguera, C., Solans, C. Characterization of polymeric nanoparticle dispersions for biomedical applications: size, surface charge and stability. Pharmaceutical Nanotechnology. 6 (3), 147-164 (2018).
- Sahin, U., Karikó, K., Türeci, &. #. 2. 1. 4. ;. MRNA-based therapeutics-developing a new class of drugs. Nature Reviews Drug Discovery. 13 (10), 759-780 (2014).
- Fan, Y. N., et al. Cationic lipid-assisted nanoparticles for delivery of mRNA cancer vaccine. Biomaterials Science. 6 (11), 3009-3018 (2018).
- Le Moignic, A., et al. Preclinical evaluation of mRNA trimannosylated lipopolyplexes as therapeutic cancer vaccines targeting dendritic cells. Journal of Controlled Release. 278, 110-121 (2018).
- Banerji, A., et al. mRNA vaccines to prevent COVID-19 disease and reported allergic reactions: Current evidence and approach. Journal of Allergy and Clinical Immunology: In Practice. 9 (4), 1423-1437 (2021).
- Kaczmarek, J. C., Kowalski, P. S., Anderson, D. G. Advances in the delivery of RNA therapeutics: from concept to clinical reality. Genome Medicine. 9 (1), 1-16 (2017).
- Dosta, P., et al. Delivery of anti-microRNA-712 to inflamed endothelial cells using poly(β-amino ester) nanoparticles conjugated with VCAM-1 targeting peptide. Advanced Healthcare Materials. , 1-11 (2021).
- Segovia, N., et al. Hydrogel doped with nanoparticles for local sustained release of siRNA in breast cancer. Advanced Healthcare Materials. 4 (2), 271-280 (2015).
