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

Las vacunas han sido durante mucho tiempo nuestro escudo más poderoso contra las enfermedades infecciosas, enseñando al sistema inmunológico a reconocer y derrotar a los invasores antes de que causen daño. Durante décadas, este entrenamiento dependió de la inyección de un fragmento del propio germen, o de una versión inofensiva del mismo, para provocar una respuesta. En años recientes, ha surgido una tecnología más nueva y flexible: las vacunas de ARN mensajero. En lugar de entregar un fragmento del virus, estas vacunas entregan un conjunto de instrucciones genéticas que le dicen a nuestras propias células que construyan una proteína específica, entrenando al sistema inmunológico de manera igual de efectiva. Para introducir estas frágiles instrucciones dentro de nuestras células, los científicos las envuelven en diminutas burbujas microscópicas hechas de grasa, conocidas como nanopartículas lipídicas. Estas burbujas protegen la carga genética y ayudan a que se deslice a través de la pared exterior de la célula. Sin embargo, un desafío persiste: una vez inyectadas, estas instrucciones suelen agotarse rápidamente y la señal de entrenamiento se desvanece. La naturaleza, por el contrario, suele presentar amenazas durante días o semanas, dando al sistema inmunológico tiempo para construir una defensa más fuerte y duradera. Los científicos se han preguntado durante mucho tiempo si podrían crear un sistema de entrega que libere estas instrucciones lentamente, manteniendo la señal de entrenamiento activa por más tiempo, de forma muy similar a una cápsula de liberación lenta para medicamentos.

Un equipo de investigadores se propuso resolver este problema probando si un material suave y gelatinoso llamado hidrogel podría servir como un recinto de contención para estas burbujas de grasa. Los hidrogeles son redes de moléculas que atrapan agua, formando una estructura que es mayormente líquida pero mantiene su forma, similar a un postre de gelatina muy suave. Los investigadores querían ver si podían mezclar las burbujas de la vacuna en este gel y dejar que escaparan lentamente con el tiempo. Pero sabían que no todos los geles son iguales. Algunos están unidos por enlaces químicos fuertes, otros por atracciones eléctricas y algunos por la forma en que las proteínas se entrelazan naturalmente. El equipo sospechaba que la forma específica en que el gel estaba construido cambiaría cómo se movían las burbujas, cuánto tiempo permanecían seguras y si aún podrían cumplir su función una vez que finalmente emergieran. Para encontrar la respuesta, crearon cuatro tipos diferentes de hidrogeles, cada uno con una forma única de mantener su forma, y los cargaron con las burbujas de la vacuna.

Los científicos primero comprobaron si las burbujas podían sobrevivir dentro de estos geles. Utilizaron dos tipos de burbujas: una llena con un tinte brillante para rastrear su movimiento, y otra llena con las instrucciones genéticas reales para fabricar una proteína fluorescente. Colocaron estas burbujas en los cuatro sistemas de hidrogel y observaron lo que sucedía durante varios días. Descubrieron que los cuatro tipos de gel eventualmente dejaban salir las burbujas, pero la velocidad y la cantidad que salía variaban drásticamente dependiendo de la receta del gel. Los enlaces químicos que mantenían unido al primer tipo de gel permitieron el mayor control; al cambiar la cantidad de material utilizado, los investigadores podían hacer que las burbujas salieran rápida o lentamente. Sin embargo, incluso en este mejor escenario, parte del tinte brillante se filtró de las burbujas antes de ser totalmente recuperadas, lo que sugería que las burbujas estaban ligeramente estresadas. En otro tipo de gel, mantenido por cargas eléctricas, las burbujas salieron, pero se volvieron más dispersas y menos uniformes en tamaño. Un tercer tipo, hecho de un material sensible a la temperatura que se convierte en gel cuando se calienta, liberó las burbujas muy rápidamente, pero el gel mismo se disolvió tan rápido que fue difícil separar las burbujas del material restante. El cuarto tipo, hecho de proteínas naturales que se encuentran en el cuerpo, era el más complejo. Aunque fue difícil medir exactamente cuántas burbujas salieron porque el gel no se disolvió por completo, las que emergieron estaban en excelente estado.

Los investigadores analizaron entonces las burbujas mismas para ver si el viaje a través del gel las había cambiado. Utilizaron un potente microscopio que podía ver partículas individuales congeladas en una fina capa de hielo. Descubrieron que las burbujas se veían diferentes dependiendo de la temperatura a la que se mantuvieran. Las burbujas mantenidas en un ambiente fresco se veían algo laxas e irregulares. Pero las burbujas que habían sido mantenidas a temperatura corporal, ya fuera que estuvieran en un tubo de ensayo o que acabaran de salir de un hidrogel, se veían más compactas y densas. Este cambio ocurrió incluso sin el gel, simplemente debido al calor, lo que sugiere que las burbujas se tensan naturalmente cuando se calientan. Crucialmente, los investigadores descubrieron que los hidrogeles no rompían las burbujas ni destruían su estructura; las partículas permanecían intactas y listas para trabajar.

La prueba más importante era si las burbujas aún podían entregar su mensaje después de escapar del gel. El equipo colocó los hidrogeles sobre una capa de células humanas en una placa y esperó a que las burbujas derivaran hacia abajo y entraran en las células. Descubrieron que las células absorbían con éxito las burbujas de todos los tipos de hidrogel. Cuando comprobaron si las células habían recibido las instrucciones y comenzaban a fabricar la proteína, los resultados fueron claros. Las burbujas que habían viajado a través del gel basado en proteínas eran tan efectivas como las que nunca habían estado en un gel, produciendo altos niveles de la proteína objetivo. Las burbujas del gel con enlaces químicos también funcionaron bien, aunque su rendimiento disminuyó ligeramente a medida que el gel se volvía más denso. Las burbujas del gel con carga eléctrica y el gel sensible a la temperatura mostraron un rendimiento reducido, con este último teniendo dificultades para transmitir el mensaje de manera efectiva, a pesar de que las burbujas en sí sobrevivieron al viaje.

Estos hallazgos revelan que el material utilizado para contener la vacuna es tan importante como la vacuna misma. Si bien todos los hidrogeles probados fueron capaces de liberar las burbujas, la forma específica en que el gel fue construido determinó qué tan bien las burbujas mantenían su forma y qué tan bien podían entregar su carga. El gel basado en proteínas, que imita el entorno natural del cuerpo, resultó ser el más prometedor, preservando todo el poder de las instrucciones de la vacuna. El estudio muestra que es posible crear un sistema de liberación lenta para estas vacunas avanzadas, pero requiere una selección cuidadosa del material de entrega. Al elegir el tipo de gel adecuado, los científicos pueden potencialmente extender el tiempo que el sistema inmunológico ve la vacuna, lo que conduce a una protección más fuerte y duradera contra las enfermedades. Este trabajo proporciona un camino claro hacia el diseño de mejores sistemas de entrega de vacunas que mantengan la señal de entrenamiento del cuerpo activa durante todo el tiempo que sea necesario.