Hydrogel crosslinking mechanisms influence the release and functional delivery of lipid nanoparticles

Impfstoffe sind seit langem unser mächtigster Schutzschild gegen Infektionskrankheiten, da sie das Immunsystem lehren, Eindringlinge zu erkennen und zu besiegen, bevor sie Schaden anrichten können. Jahrzehntelang beruhte dieses Training darauf, ein Stück des Keims selbst oder eine harmlose Version davon zu injizieren, um eine Reaktion hervorzurufen. In den letzten Jahren ist eine neuere, flexiblere Technologie entstanden: mRNA-Impfstoffe. Anstatt ein Stück des Virus zu liefern, liefern diese Impfstoffe einen Satz genetischer Anweisungen, die unsere eigenen Zellen dazu bringen, ein spezifisches Protein zu bauen, was das Immunsystem ebenso effektiv trainiert. Um diese empfindlichen Anweisungen in unsere Zellen zu bringen, hüllen Wissenschaftler sie in winzige, mikroskopisch kleine Blasen aus Fett, die als Lipid-Nanopartikel bekannt sind. Diese Blasen schützen die genetische Fracht und helfen ihr, durch die Außenwand der Zelle zu gleiten. Eine Herausforderung bleibt jedoch: Einmal injiziert, werden diese Anweisungen oft schnell verbraucht, und das Trainingssignal verblasst. Die Natur präsentiert Bedrohungen im Gegensatz dazu oft über Tage oder Wochen hinweg, was dem Immunsystem Zeit gibt, eine stärkere, länger anhaltende Abwehr aufzubauen. Wissenschaftler fragten sich schon lange, ob sie ein Verteilungssystem entwickeln könnten, das diese Anweisungen langsam freisetzt und das Trainingssignal so länger aktiv hält, ähnlich wie eine langsam wirkende Kapsel für Medikamente.

Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, dieses Problem zu lösen, indem es testete, ob ein weiches, geleeartiges Material namens Hydrogel als „Halteschacht“ für diese Fettblasen dienen könnte. Hydrogele sind Netzwerke aus Molekülen, die Wasser einschließen und eine Struktur bilden, die größtenteils flüssig ist, aber ihre Form behält, ähnlich einem sehr weichen Götterspeise-Dessert. Die Forscher wollten sehen, ob sie die Impfstoff-Blasen in dieses Gel mischen und sie über einen längeren Zeitraum langsam entweichen lassen könnten. Doch sie wussten, dass nicht alle Gele gleich sind. Einige werden durch starke chemische Bindungen zusammengehalten, andere durch elektrische Anziehungskräfte und einige durch die Art und Weise, wie Proteine sich natürlich verheddern. Das Team vermutete, dass die spezifische Art und Weise, wie das Gel aufgebaut ist, beeinflussen würde, wie sich die Blasen bewegen, wie lange sie sicher bleiben und ob sie noch ihre Aufgabe erfüllen können, sobald sie schließlich austreten. Um dies herauszufinden, erstellten sie vier verschiedene Arten von Hydrogelen, die jeweils auf eine einzigartige Weise ihre Form halten, und beluden sie mit den Impfstoff-Blasen.

Die Wissenschaftler überprüften zunächst, ob die Blasen innerhalb dieser Gele überleben konnten. Sie verwendeten zwei Arten von Blasen: eine, die mit einem leuchtenden Farbstoff gefüllt war, um deren Bewegung zu verfolgen, und eine weitere, die die tatsächlichen genetischen Anweisungen für die Herstellung eines fluoreszierenden Proteins enthielt. Sie platzierten diese Blasen in die vier Hydrogel-Systeme und beobachteten, was über mehrere Tage geschah. Sie fanden heraus, dass alle vier Arten von Gel die Blasen schließlich freigaben, aber die Geschwindigkeit und die Menge der freigesetzten Blasen je nach Rezeptur des Gels stark variierten. Die chemischen Bindungen, die das erste Gel zusammenhielten, ermöglichten die größte Kontrolle; durch die Veränderung der Menge des Materials konnten die Forscher steuern, ob die Blasen schnell oder langsam austreten. Selbst in diesem besten Szenario entwich jedoch etwas des leuchtenden Farbstoffs aus den Blasen, bevor sie vollständig geborgen werden konnten, was darauf hindeutete, dass die Blasen leicht unter Stress standen. In einem anderen Gel, das durch elektrische Ladungen zusammengehalten wurde, traten die Blasen zwar aus, wurden aber ungleichmäßiger und weniger einheitlich in der Größe. Ein dritter Typ, bestehend aus einem temperatursensitiven Material, das sich bei Erwärmung in ein Gel verwandelt, ließ die Blasen sehr schnell frei, aber das Gel selbst löste sich so schnell auf, dass es schwierig war, die Blasen vom restlichen Material zu trennen. Der vierte Typ, der aus natürlichen Proteinen besteht, die auch im Körper vorkommen, war der komplexeste. Obwohl es schwierig war, genau zu messen, wie viele Blasen austraten, weil das Gel nicht vollständig auflöste, waren diejenigen, die hervorkamen, in ausgezeichnetem Zustand.

Die Forscher untersuchten dann die Blasen selbst, um zu sehen, ob die Reise durch das Gel sie verändert hatte. Sie verwendeten ein leistungsstarkes Mikroskop, das einzelne Partikel sehen konnte, die in einer dünnen Eisschicht eingefroren waren. Sie entdeckten, dass die Blasen je nach Temperatur, bei der sie aufbewahrt wurden, unterschiedlich aussahen. Blasen, die in einer kühlen Umgebung aufbewahrt wurden, wirkten etwas locker und unregelmäßig. Aber Blasen, die bei Körpertemperatur gehalten worden waren – egal, ob sie sich in einem Reagenzglas befanden oder gerade aus einem Hydrogel gekommen waren –, sahen kompakter und dichter aus. Diese Veränderung geschah auch ohne das Gel, einfach aufgrund der Wärme, was darauf hindeutet, dass sich die Blasen bei Wärme natürlich zusammenziehen. Entscheidend war, dass die Forscher feststellten, dass die Hydrogele die Blasen weder aufbrachen noch ihre Struktur zerstörten; die Partikel blieben intakt und einsatzbereit.

Der wichtigste Test war, ob die Blasen ihre Botschaft nach dem Verlassen des Gels noch übermitteln konnten. Das Team platzierte die Hydrogele über einer Schicht menschlicher Zellen in einer Kulturschale und wartete darauf, dass die Blasen herabsinken und in die Zellen eindringen. Sie stellten fest, dass die Zellen die Blasen aus jedem Typ des Hydrogels erfolgreich aufnahmen. Als sie überprüften, ob die Zellen die Anweisungen erhalten hatten und begannen, das Protein herzustellen, waren die Ergebnisse eindeutig. Die Blasen, die durch das proteinbasierte Gel gereist waren, waren genauso effektiv wie jene, die sich nie in einem Gel befunden hatten, und produzierten hohe Mengen des Zielproteins. Die Blasen aus dem chemisch gebundenen Gel funktionierten ebenfalls gut, wenngleich ihre Leistung leicht sank, wenn das Gel dichter wurde. Die Blasen aus dem elektrisch geladenen Gel und dem temperatursensitiven Gel zeigten eine reduzierte Leistung, wobei letzteres Schwierigkeiten hatte, die Botschaft effektiv zu übermitteln, obwohl die Blasen selbst die Reise überstanden hatten.

Diese Erkenntnisse zeigen, dass das Material, das den Impfstoff hält, genauso wichtig ist wie der Impfstoff selbst. Obwohl alle getesteten Hydrogele in der Lage waren, die Blasen freizusetzen, bestimmte die spezifische Art und Weise, wie das Gel aufgebaut war, wie gut die Blasen ihre Form behielten und wie gut sie ihre Fracht liefern konnten. Das proteinbasierte Gel, das die natürliche Umgebung des Körpers nachahmt, erwies sich als am vielversprechendsten, da es die volle Kraft der Impfstoff-Anweisungen bewahrte. Die Studie zeigt, dass es möglich ist, ein Slow-Release-System für diese fortschrittlichen Impfstoffe zu schaffen, aber dies erfordert eine sorgfältige Auswahl des Verteilungsmaterials. Durch die Wahl der richtigen Art von Gel können Wissenschaftler potenziell die Zeit verlängern, in der das Immunsystem den Impfstoff wahrnimmt, was zu einem stärkeren und länger anhaltenden Schutz gegen Krankheiten führt. Diese Arbeit bietet einen klaren Weg nach vorn für das Design besserer Impfstoff-Verteilungssysteme, die das Trainingssignal des Körpers so lange wie nötig aktiv halten.