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

I vaccini sono da tempo il nostro scudo più potente contro le malattie infettive, insegnando al sistema immunitario a riconoscere e sconfiggere gli invasori prima che causino danni. Per decenni, questo addestramento si è basato sull'iniezione di un pezzo del germe stesso, o di una sua versione innocua, per scatenare una risposta. Negli ultimi anni, è emersa una tecnologia più recente e flessibile: i vaccini a mRNA. Invece di consegnare un pezzo del virus, questi vaccini consegnano un insieme di istruzioni genetiche che dicono alle nostre cellule di costruire una specifica proteina, addestrando il sistema immunitario con la stessa efficacia. Per far entrare queste fragili istruzioni nelle nostre cellule, gli scienziati le avvolgono in minuscole bolle microscopiche fatte di grasso, note come nanoparticelle lipidiche. Queste bolle proteggono il carico genetico e aiutano a scivolare attraverso la parete esterna della cellula. Tuttavia, una sfida rimane: una volta iniettate, queste istruzioni vengono spesso consumate rapidamente e il segnale di addestramento svanisce. La natura, al contrario, presenta spesso minacce nell'arco di giorni o settimane, dando al sistema immunitario il tempo di costruire una difesa più forte e duratura. Gli scienziati si sono spesso chiesti se potessero creare un sistema di rilascio che rilasci queste istruzioni lentamente, mantenendo il segnale di addestramento attivo per più tempo, proprio come una capsula a rilascio prolungato per i medicinali.

Un team di ricercatori si è messo in viaggio per risolvere questo problema, testando se un materiale morbido e gelatinoso chiamato idrogel potesse servire come recinto per queste bolle di grasso. Gli idrogel sono reti di molecole che intrappolano l'acqua, formando una struttura che è per lo più liquida ma mantiene la sua forma, simile a un dessert gelatinoso molto morbido. I ricercatori volevano vedere se potevano mescolare le bolle del vaccino in questa gelatina e lasciare che esse sfuggissero lentamente nel tempo. Ma sapevano che non tutti i gel sono uguali. Alcuni sono tenuti insieme da forti legami chimici, altri da attrazioni elettriche e altri ancora dal modo in cui le proteine si aggrovigliano naturalmente. Il team sospettava che il modo specifico in cui la gelatina veniva costruita avrebbe cambiato il modo in cui le bolle si muovevano, quanto tempo sarebbero rimaste al sicuro e se avrebbero potuto ancora svolgere il loro compito una volta emerse. Per trovare la risposta, hanno creato quattro diversi tipi di idrogel, ciascuno con un modo unico di mantenere la propria forma, e li hanno caricati con le bolle del vaccino.

Gli scienziati hanno prima controllato se le bolle potessero sopravvivere all'interno di queste gelatine. Hanno utilizzato due tipi di bolle: una riempita con un colorante fluorescente per tracciare il loro movimento e un'altra riempita con le reali istruzioni genetiche per produrre una proteina fluorescente. Hanno posto queste bolle in quattro sistemi di idrogel e hanno osservato cosa accadeva nell'arco di diversi giorni. Hanno scoperto che tutti e quattro i tipi di gelatina alla fine lasciavano uscire le bolle, ma la velocità e la quantità che uscivano variavano enormemente a seconda della ricetta della gelatina. I legami chimici che tenevano insieme il primo tipo di gelatina permettevano il massimo controllo; cambiando la quantità di materiale utilizzata, i ricercatori potevano far uscire le bolle velocemente o lentamente. Tuttavia, anche in questo scenario ottimale, parte del colorante fluorescente fuoriusciva dalle bolle prima che fossero completamente recuperate, suggerendo che le bolle fossero leggermente stressate. In un altro tipo di gelatina, tenuta insieme da cariche elettriche, le bolle uscivano, ma diventavano più disperse e meno uniformi nelle dimensioni. Un terzo tipo, composto da un materiale termosensibile che si trasforma in gel quando viene riscaldato, rilasciava le bolle molto rapidamente, ma la gelatina stessa si scioglieva così velocemente che era difficile separare le bolle dal materiale rimanente. Il quarto tipo, composto da proteine naturali presenti nel corpo, era il più complesso. Sebbene fosse difficile misurare esattamente quante bolle uscissero perché la gelatina non si scioglieva completamente, quelle che emergevano erano in ottima forma.

I ricercatori hanno poi esaminato le bolle stesse per vedere se il viaggio attraverso la gelatina le avesse cambiate. Hanno utilizzato un potente microscopio che poteva vedere singole particelle congelate in un sottile strato di ghiaccio. Hanno scoperto che le bolle apparivano diverse a seconda della temperatura in cui venivano mantenute. Le bolle mantenute in un ambiente fresco apparivano piuttosto lasche e irregolari. Ma le bolle che erano state mantenute alla temperatura corporea, che fossero state in una provetta o appena uscite da un idrogel, apparivano più compatte e dense. Questo cambiamento avveniva anche senza la gelatina, semplicemente a causa del calore, suggerendo che le bolle si restringano naturalmente quando si scaldano. Fondamentalmente, i ricercatori hanno scoperto che gli idrogel non rompevano le bolle né ne distruggevano la struttura; le particelle rimanevano intatte e pronte a lavorare.

Il test più importante era se le bolle potessero ancora consegnare il loro messaggio dopo essere scappate dalla gelatina. Il team ha posizionato gli idrogel sopra uno strato di cellule umane in una piastra e ha aspettato che le bolle scendessero e entrassero nelle cellule. Hanno scoperto che le cellule assorbivano con successo le bolle da ogni tipo di idrogel. Quando hanno controllato se le cellule avessero ricevuto le istruzioni e iniziato a produrre la proteina, i risultati sono stati chiari. Le bolle che avevano viaggiato attraverso la gelatina proteica erano efficaci quanto quelle che non erano mai state in una gelatina, producendo alti livelli della proteina bersaglio. Le bolle della gelatina con legami chimici funzionavano bene, anche se le loro prestazioni diminuivano leggermente man mano che la gelatina diventava più densa. Le bolle della gelatina a carica elettrica e della gelatina termosensibile mostravano prestazioni ridotte, con quest'ultima che faticava a trasmettere il messaggio efficacemente, nonostante le bolle stesse fossero sopravvute al viaggio.

Questi risultati rivelano che il materiale utilizzato per contenere il vaccino è importante tanto quanto il vaccino stesso. Sebbene tutti gli idrogel testati siano stati in grado di rilasciare le bolle, il modo specifico in cui la gelatina era costruita determinava quanto bene le bolle mantenessero la loro forma e quanto bene potessero consegnare il loro carico. La gelatina a base proteica, che imita l'ambiente naturale del corpo, si è dimostrata la più promettente, preservando la piena potenza delle istruzioni del vaccino. Lo studio dimostra che è possibile creare un sistema a rilascio lento per questi vaccini avanzati, ma richiede una selezione attenta del materiale di consegna. Scegliendo il tipo giusto di gelatina, gli scienziati possono potenzialmente estendere il tempo in cui il sistema immunitario vede il vaccino, portando a una protezione più forte e duratura contro le malattie. Questo lavoro fornisce una via chiara per progettare migliori sistemi di consegna dei vaccini che mantengano il segnale di addestramento del corpo attivo per tutto il tempo necessario.