Nanodeeltjes die zelf assembleren bij kamertemperatuur zou de vaccinafgifte kunnen transformeren

In een ontdekking die de toegang tot biologische geneesmiddelen en vaccins van de volgende generatie zou kunnen verbreden, hebben onderzoekers van de University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (Uchicago PME) nanodeeltjes op basis van polymer ontworpen die vormen met een eenvoudige temperatuurverschuiving-nee harde chemicaliën, geen gespecialiseerde apparatuur en geen verwerking nodig.

De nieuwe nanodeeltjes, beschreven in Nature Biomedical Engineeringzelfassembleren bij kamertemperatuur in water en kunnen vanwege deze zachte omstandigheden eiwitten afleveren, die onstabiel zijn in veel bestaande nanodeeltjesformuleringen.

“What excites me about this platform is its simplicity and versatility. By simply warming a sample from fridge temperature to room temperature, we can reliably make nanoparticles that are ready to deliver a wide variety of biological drugs,” said co-senior author Stuart Rowan, the Barry L. MacLean Professor of Molecular Engineering Innovation and Enterprise at UChicago Pritzker Molecular Engineering and a staff scientist at Argonne National Laboratory.

Van probleem tot platform

Nanodeeltjes zijn de sleutel tot het beschermen van delicate geneesmiddelen zoals RNA en eiwitten tegen afgebroken in het lichaam voordat ze de juiste cellen bereiken. Lipide nanodeeltjes (LNP’s), gemaakt van vetmoleculen, maakte bijvoorbeeld de COVID-19-mRNA-vaccins mogelijk. Maar LNP’s vertrouwen op oplosmiddelen op basis van alcohol en gevoelige productiestappen, waardoor ze slecht geschikt zijn voor eiwitafgifte en moeilijk te schalen.

“We wilden een leveringssysteem maken dat zou kunnen werken voor zowel RNA- als eiwitherapieën – omdat op dit moment de meeste platforms zijn gespecialiseerd voor slechts één”, zei eerste auteur Samir Hossainy, een afgestudeerde Uchicago PME -student.

“We wilden het ook schaalbaar maken, zonder giftige oplosmiddelen of gecompliceerde microfluïdica nodig te hebben.”

Hossainy veronderstelde dat nanodeeltjes op basis van polymeer een robuuster, aanpasbaar alternatief zouden kunnen bieden. Hij schetste de vereiste kenmerken; Het immuunsysteem zal alleen reageren op deeltjes met bepaalde maten, vormen en ladingen. Vervolgens gebruikte hij chemisch gereedschap om nieuwe nanodeeltjes helemaal opnieuw te ontwerpen.

Na het proberen, en verfijning, meer dan een dozijn verschillende materialen, vond hij er een die werkte. In koud water werd het polymeer – en elk gewenste eiwit – opgelost. Maar wanneer verwarmd tot kamertemperatuur, was het polymeer zelf geassembleerd in uniforme nanodeeltjes (of “polymersomen”) rond de eiwitmoleculen.

“Onze deeltjesgrootte en morfologie worden alleen bepaald door de chemie van de polymeren die ik van onder op heb ontworpen”, legt Hossainy uit. “We hoeven ons geen zorgen te maken dat verschillende deeltjesgroottes worden gevormd, wat een uitdaging is met veel nanodeeltjes van vandaag.”

Veelzijdige lading dragen

Om de nieuwe polymersomen te testen, werkte Hossainy samen met collega’s in het laboratorium van Rowan en met voormalig Uchicago PME Prof. Jeffrey Hubbell, nu aan de New York University. Ten eerste toonden ze aan dat de deeltjes meer dan 75% eiwitten kunnen inkapselen en bijna 100% van de korte interfererende RNA (siRNA) lading-vari hoger dan de meeste huidige systemen-en ze kunnen worden gevriesdroogd en bewaard zonder koeling totdat het nodig is.

In de context van vaccinatie ontdekten Hossainy en zijn medewerkers dat de polymersomen effectief een eiwit konden dragen en, wanneer ze in muizen worden geïnjecteerd, het immuunsysteem van de dieren ertoe brachten om langdurige antilichamen tegen dat eiwit te genereren.

Een ander experiment toonde aan dat de nanodeeltjes ook eiwitten konden dragen die zijn ontworpen om een immuunrespons te voorkomen in de context van allergisch astma. En een derde toonde aan dat het injecteren van polymersomen in tumoren kankergerelateerde genen kon blokkeren en tumorgroei bij muizen kon onderdrukken.

“Het opwindende is dat we voor elke use case geen ander systeem hoefden aan te passen,” zei Hossainy. “Deze ene formulering werkte voor alles wat we probeerden – eiwitten, RNA, immuunactivering, immuunonderdrukking en directe tumor -targeting.”

Een schaalbare oplossing voor wereldwijde vaccins

Een van de grootste voordelen van de nieuwe polymersomen ten opzichte van de huidige LNP’s is het potentieel voor low-tech, gedecentraliseerde productie. Hossainy zegt dat hij zich voorstelt dat hij in staat is om gevriesdroogde formuleringen van de nanodeeltjes naar overal ter wereld te verzenden. Wanneer ze moeten worden gebruikt, kunnen ze worden gemengd in koud water, opgewarmd en klaar zijn om aan patiënten te leveren.

“In staat om deze droge op te slaan, verbetert de stabiliteit van het RNA of eiwit drastisch,” zei Hossainy.

De groep blijft werken aan het verfijnen van de deeltjes om meer soorten lading te vervoeren, inclusief messenger RNA zoals die wordt gebruikt in de Covid-19-vaccins (over het algemeen veel groter dan het siRNA dat in de huidige proef wordt gebruikt).

Ze zijn ook van plan om samen te werken aan pre-klinische proeven om de polymersomen toe te passen op real-world vaccin of uitdagingen op het gebied van medicijnafgifte.