Injizierbare Hydrogele für die Einzeldosis-COVID-19-Impfung

Mehrere Impfstoffe gegen die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) erfordern mehrere Dosen für eine lang anhaltende Immunität. Allerdings veröffentlichte eine neue Studie in der Zeitschrift Biomakromoleküle hat eine vielversprechende Einzeldosis-Impfstoffplattform entwickelt, die ein injizierbares Hydrogel verwendet, das ein Epitop-markiertes Pflanzenvirus, das Cowpea-Mosaikvirus (CPMV), enthält.

Studien: Injizierbare Hydrogelformulierung mit langsamer Freisetzung eines auf Pflanzenviren basierenden COVID-19-Impfstoffkandidatene. Bildquelle: New Africa / Shutterstock

Impfstoffe mit zwei Dosen

Cowpea-Mosaikvirus (CPMV) ist ein potenter Kandidat für die Impfstoffentwicklung. Nach der Injektion werden virale Partikel jedoch schnell im Körper abgebaut. Folglich sind mehrere Dosen für eine lang anhaltende Immunität erforderlich, was für globale Massenimpfkampagnen nicht ideal ist. Daher formulierten die Forscher der University of California in San Diego CPMV-Nanopartikel in injizierbaren Hydrogelen, um eine langsame Partikelfreisetzung und eine verlängerte Immunstimulation zu erreichen.

Hydrogele

Chitosan ist ein Polysaccharid, das nach der Deacetylierung von Chitin gewonnen wird. Es ist biokompatibel, nicht immunogen und biologisch abbaubar. Es gilt als sicher und ist für Produkte wie BST-CarGel zur Knorpelregeneration zugelassen. Mehrere Studien haben gezeigt, dass Chitosan die Immunantwort verstärken kann, wenn es als adjuvanter Impfstoff verwendet wird. Beim Mischen mit Glycerophosphat (GP) bildet Chitosan bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit, die bei Körpertemperatur ein Gel bildet. Diese Hydrogele sind einfach herzustellen und zu injizieren. Chitosan / GP-Hydrogele werden bei der Arzneimittelabgabe, Geweberegeneration / -reparatur und einer langsamen Freisetzung von Nanopartikeln verwendet.

CPMV in Hydrogelen

CPMV wurde aus infizierten Pflanzenblättern der schwarzäugigen Erbse isoliert. Die Viruspartikel wurden mit Cyanin 5 (Cy5), einem fluoreszierenden Marker, konjugiert. Diese CPMV-Partikel wurden in Hydrogelen dispergiert, die durch Mischen von Chitosan und GP gebildet wurden. Flüssige Formulierungen von Chitosan und GP wurden bei Raumtemperatur mit CPMV-Partikeln gemischt. Das Gelierverhalten der Chitosan/GP-Mischung mit CPMV wurde charakterisiert, um ideale Konzentrationen zu identifizieren. Die Mischungen, die hochmolekulares Chitosan und 0–4,5 mg/ml CPMV enthielten, gelierten bei 37 °C in 5–8 Minuten und setzten langsam Cy5-CPMV-Partikel frei in-vitro und in vivo.

Die Cy5-CPMV-Partikel wurden langsam aus den Hydrogelen freigesetzt, obwohl die Gele für 21 Tage, den Testzeitraum, stabil blieben. Somit konnten die CPMV-Partikel durch die Poren des Hydrogels diffundieren. Während die flüssige Formulierung nach 10 Tagen 100 % der Partikel freisetzte, setzten die Hydrogele nach 21 Tagen nur 10–12 % der Partikel frei. So konnte durch Chitosan/GP-Hydrogele eine langsame Partikelfreisetzung erreicht werden.

Die chemisch modifizierten CPMV-Teilchen behielten ihre physikalische Integrität nach Einkapselung in die Hydrogele und auch nach Freisetzung aus den Hydrogelen.

CPMV in Hydrogelen als Einzeldosis-Impfstoff

Die CPMV-Partikel wurden mit einem Teil des Spike-Proteins (S) des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) konjugiert. Diese ausgewählte Peptidsequenz ist B-Zell-Epitop 826. Sie ist unter SARS-CoV-2-Varianten hoch konserviert. Es ist nicht von den Mutationen betroffen, die die Delta- und Omicron-Varianten erzeugt haben.

Das 826-CPMV-Partikel enthaltende Hydrogel wurde Mäusen über eine einzelne subkutane Injektion injiziert, um seine Immunogenität zu bewerten. Die Mäuse produzierten Anti-826-Antikörper. Im Vergleich zur löslichen Formulierung verbesserte die Hydrogel-Formulierung die Konzentrationen von Anti-826-Antikörpern zwischen den Wochen 12 und 20 nach der Injektion.

Hohe Antikörperspiegel wurden auch in Woche 20 nach der Injektion beobachtet.

Bei Mäusen, denen Hydrogele injiziert wurden, wurden höhere Antikörperspiegel beobachtet als bei Mäusen, denen eine Einzeldosis oder zwei Dosen (Prime-Boost) der löslichen 826-CPMV-Formulierung injiziert wurde.

Der Hydrogel-Impfstoff erzeugte anfänglich eine von Th1-Zellen beeinflusste Reaktion, die sich zu einer von Th2-Zellen beeinflussten Reaktion verlagerte. Die von Th1-Zellen beeinflusste Antwort induziert phagozytische Aktivität gegen intrazelluläre Pathogene. Die auf Th2-Zellen basierende Reaktion induziert die Produktion von neutralisierenden Antikörpern gegen Krankheitserreger.

Sowohl lösliche als auch Hydrogel-Impfstoffe induzierten in Woche 4 nach der Injektion ähnliche Antikörperprofile. Die Unterschiede in den Antikörperprofilen waren in Woche 12 offensichtlich. Die durch den Hydrogel-Impfstoff hervorgerufene Reaktion verschob sich in Woche 12 zu einer Th2-verzerrten Reaktion. Die löslichen Impfstoffe behielten die Th1-Verzerrung bei.

Die vergleichenden Freisetzungsprofile von löslichen Partikeln gegenüber Hydrogelen müssen untersucht werden, um zu bestimmen, ob CPMV-Impfstoffe von Natur aus eine Th1-voreingenommene Immunantwort hervorrufen oder ob das Epitop die Th1/2-Vorspannung bestimmt.

Fazit

CPMV-Partikel können in Chitosan/GP-Hydrogele eingekapselt werden. Sie werden mehrere Monate lang als intakte Partikel freigesetzt und lösen eine anhaltende Immunantwort aus – die Immunantwort verschiebt sich von Th1-verzerrten zu Th2-verzerrten Profilen. Das injizierbare Hydrogel mit Epitop-markiertem CPMV ist ein vielversprechender Kandidat als Einzeldosis-Impfstoffplattform. Diese Strategie ebnet den Weg für die Entwicklung langlebiger Nanomedikamente auf Basis von Pflanzenviren.

Auswirkungen

Wiederholte Impfungen wurden von vielen Nationen durchgeführt, um eine nachhaltige Immunität zu gewährleisten und COVID-19 zu bekämpfen.

Aufgrund der langsamen Freisetzung von Impfstoffantigenen über mehrere Monate könnten Formulierungen mit langsamer Freisetzung eine lang anhaltende Immunität bieten. Die Verwendung von Einzeldosis-Formulierungen, die länger halten, wird die Anzahl der Impftermine reduzieren, die erforderlich sind, um eine bevölkerungsweite Abdeckung zu erreichen. Dadurch könnten die globalen Gesundheitssysteme entlastet werden.

Zeitschriftenreferenz:

  • Nkanga CI, Ortega-Rivera OA, Shin MD, Moreno-Gonzalez MA, Steinmetz NF. (2022). Injizierbare Hydrogelformulierung mit langsamer Freisetzung eines auf Pflanzenviren basierenden COVID-19-Impfstoffkandidaten. Biomakromoleküle. 23 (4): 1812-1825. doi: 10.1021 / acs.biomac.2c00112.

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