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

백신은 감염병으로부터 우리를 지켜주는 가장 강력한 방패 역할을 해왔으며, 면역 체계가 침입자를 해를 끼치기 전에 인식하고 물리도록 가르칩니다. 수십 년 동안 이러한 훈련은 병원균의 일부나 무해한 버전을 주입하는 방식에 의존해 왔습니다. 최근 몇 년 사이, 더 유연한 새로운 기술인 메신저 RNA(mRNA) 백신이 등장했습니다. 이 백신은 바이러스의 조각을 전달하는 대신, 우리 세포가 특정 단백질을 만들도록 지시하는 일련의 유전 정보를 전달하여 면역 체계를 효과적으로 훈련시킵니다. 이 취약한 지침들을 세포 내부로 넣기 위해, 과학자들은 이를 지질 나노입자라고 불리는 미세한 지방 막으로 감쌉니다. 이 막은 유전 정보를 보호하고 세포의 외벽을 통과하도록 돕습니다. 그러나 과제는 남아 있습니다. 일단 주입되면 이 지침들은 종종 빠르게 소모되어 훈련 신호가 사라진다는 점입니다. 반면 자연 속의 위협은 며칠 또는 몇 주에 걸쳐 나타나며, 면역 체계가 더 강하고 오래 지속되는 방어력을 구축할 시간을 줍니다. 과학자들은 만약 이 지침들을 천천히 방출하여 훈련 신호를 더 오랫동안 활성화할 수 있는, 마치 약물의 서방형 캡슐과 같은 전달 시스템을 만들 수 있을지 오랫동안 궁금해해 왔습니다.

연구팀은 하이드로젤이라고 불리는 부드러운 젤리 형태의 물질이 이 지방 막들을 담아두는 보관함 역할을 할 수 있는지 테스트함으로써 이 문제를 해결하고자 했습니다. 하이드로젤은 물을 가두는 분자 네트워크로, 매우 부드러운 젤리 디저트와 유사하게 대부분 액체이면서도 형태를 유지하는 구조를 가집니다. 연구진은 이 젤리에 백신 입자들을 혼합하여 시간이 지남에 따라 천천히 탈출하게 만들 수 있는지 확인하고 싶었습니다. 하지만 모든 젤리가 다 같은 것은 아니라는 점을 알고 있었습니다. 어떤 것은 강한 화학 결합에 의해 유지되고, 어떤 것은 전기적 인력에 의해, 또 어떤 것은 단백질이 자연스럽게 엉키는 방식에 의해 유지됩니다. 연구팀은 젤리가 만들어진 구체적인 방식이 입자의 움직임과 안전하게 머무는 시간, 그리고 마침내 밖으로 나왔을 때 제 기능을 수행할 수 있는지 여부를 변화시킬 것이라고 생각했습니다. 이를 알아내기 위해 그들은 각기 다른 형성 방식을 가진 네 가지 유형의 하이드로젤을 제작하고 그 안에 백신 입자들을 담았습니다.

과학자들은 먼저 이 입자들이 젤리 안에서 생존할 수 있는지 확인했습니다. 그들은 움직임을 추적하기 위해 빛나는 염료로 채워진 입자와, 형광 단백질을 만드는 실제 유전 정보를 담은 입자 두 종류를 사용했습니다. 그들은 네 가지 하이드ло젤 시스템에 이 입자들을 넣고 며칠 동안 관찰했습니다. 연구 결과, 네 가지 유형의 젤리 모두 결국 입자들을 배출했지만, 젤리의 제조법에 따라 배출 속도와 배출량은 매우 다양했습니다. 첫 번째 유형의 젤리를 결합하는 화학 결합은 가장 높은 제어력을 보여주었는데, 연구진은 재료의 양을 조합함으로써 입자가 빠르게 혹은 느리게 나오도록 조절할 수 있었습니다. 그러나 이 최상의 시나리오에서도, 입자가 완전히 회수되기 전에 빛나는 염료가 일부 새어 나오는 현상이 발견되었는데, 이는 입자가 약간의 스트레스를 받았음을 시사했습니다. 전기적 전하에 의해 유지되는 다른 유형의 젤리에서는 입자들이 배출되기는 했으나, 크기가 덜 균일하고 더 흩어진 상태가 되었습니다. 온도가 높아지면 젤리로 변하는 온도 민감성 물질로 만든 세 번째 유형은 입자를 매우 빠르게 방출했으나, 젤 자체가 너무 빨리 녹아버려 남은 물질로부터 입자를 분리하기가 어려웠습니다. 인체에서 발견되는 천연 단백질로 만든 네 번째 유형은 가장 복합적이었습니다. 젤리가 완전히 녹지 않아 정확히 얼마나 많은 입자가 나왔는지 측정하기는 어려웠지만, 밖으로 나온 입자들은 매우 훌륭한 상태를 유지하고 있었습니다.

연구진은 그다음으로 젤을 통과하는 과정이 입자 자체를 변화시켰는지 확인했습니다. 그들은 얇은 얼음 층 속에 개별 입자들이 얼어 있는 상태를 볼 수 있는 강력한 현미경을 사용했습니다. 그들은 입자들이 보관된 온도에 따라 모습이 달라진다는 것을 발견했습니다. 차가운 환경에 보관된 입자들은 다소 느슨하고 불규칙해 보였습니다. 그러나 시험관에 있거나 하이드로젤에서 막 빠져나온 상태 등 체온 정도의 온도에 유지된 입자들은 더 조밀하고 단단한 모습을 보였습니다. 이러한 변화는 젤 없이 단순히 온열 효과만으로도 발생했는데, 이는 입자들이 따뜻해지면 자연스럽게 응축된다는 것을 의미합니다. 결정적으로, 연구진은 하이드로젤이 입자를 깨뜨리거나 구조를 파괴하지 않는다는 것을 발견했습니다. 입자들은 온전한 상태를 유지하며 작동할 준비가 되어 있었습니다.

가장 중요한 테스트는 입자들이 젤에서 탈출한 후에도 메시지를 제대로 전달할 수 있는지 여부였습니다. 연구팀은 배양 접시 위의 인간 세포 층 위에 하이드로젤을 배치하고, 입자들이 아래로 흘러 내려가 세포 안으로 들어갈 때까지 기다렸습니다. 그 결과, 모든 유형의 하이드로젤로부터 입자들이 성공적으로 세포에 흡수됨을 확인했습니다. 세포가 지침을 전달받아 단백질을 만들기 시작했는지 확인했을 때 결과는 명확했습니다. 단백질 기반 젤을 통과한 입자들은 젤에 들어있던 적이 없는 입자들과 마찬가지로 매우 효과적이었으며, 높은 수준의 표적 단백질을 생성했습니다. 화학 결로 결합된 젤의 입자들도 잘 작동했으나, 젤이 더 밀도가 높아짐에 따라 성능이 약간 저하되었습니다. 전기적 전하를 띤 젤과 온도 민감성 젤의 입자들은 성능이 감소했는데, 후자의 경우 입자 자체는 살아남았음에도 불구하고 메시지를 효과적으로 전달하는 데 어려움을 겪었습니다.

이러한 발견은 백신을 담는 물질이 백신 그 자체만큼 중요하다는 것을 보여줍니다. 테스트된 모든 하이드로젤이 입자를 방출할 수는 있었지만, 젤이 구축된 구체적인 방식이 입자의 형태 유지와 화물 전달 능력을 결정했습니다. 인체의 자연스러운 환경을 모방한 단백질 기반 젤이 백신의 지침을 가진 힘을 온전히 보존하며 가장 유망한 것으로 증명되었습니다. 이 연구는 이러한 첨단 백신을 위한 서방형 시스템을 만드는 것이 가능하다는 것을 보여주지만, 이를 위해서는 전달 물질의 신중한 선택이 필요합니다. 적절한 종류의 젤을 선택함으로써, 과학자들은 잠재적으로 면역 체계가 백신을 인지하는 시간을 연장하여 질병에 대한 더 강하고 오래 지속되는 보호력을 제공할 수 있습니다. 이 연구는 신체의 훈련 신호를 필요한 만큼 오랫동안 활성화 상태로 유지할 수 있는 더 나은 백신 전달 시스템을 설계하기 위한 명확한 경로를 제시합니다.