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

Vaccins zijn al lang ons krachtigste schild tegen infectieziekten, omdat ze het immuunsysteem leren om indringers te herkennen en te verslaan voordat ze schade aanrichten. Decennialang vertrouwde deze training op het injecteren van een stukje van de kiem zelf, of een onschadelijke versie daarvan, om een reactie uit te lokken. In de afgelopen jaren is er een nieuwere, flexibelere technologie opgekomen: messenger RNA-vaccins. In plaats van een stukje van het virus af te leveren, leveren deze vaccins een set genetische instructies die onze eigen cellen vertellen om een specifiek eiwit te bouwen, waardoor het immuunsysteem net zo effectief wordt getraind. Om deze kwetsbare instructies in onze cellen te krijgen, wikkelen wetenschappers ze in piepkleine, microscopische bellen van vet, bekend als lipide nanodeeltjes. Deze bellen beschermen de genetische lading en helpen ze door de buitenwand van de cel te glippen. Er blijft echter een uitdaging bestaan: eenmaal geïnjecteerd, worden deze instructies vaak snel verbruikt en vervaagt het trainingssignaal. De natuur presenteert daarentegen vaak dreigingen gedurende dagen of weken, waardoor het immuunsysteem de tijd krijgt om een sterker, langer aanhoudend verdedigingsmechanisme op te bouwen. Wetenschappers vroegen zich al lang af of ze een leveringssysteem konden creëren dat deze instructies langzaam vrijgeeft, waardoor het trainingssignaal langer actief blijft, vergelijkbaar met een capsule met een vertraagde afgifte voor medicijnen.

Een team van onderzoekers zette zich schouder aan schouder in om dit probleem op te lossen door te testen of een zacht, gelei-achtig materiaal genaamd een hydrogel als een tijdelijk verblijf kon dienen voor deze vetbellen. Hydrogels zijn netwerken van moleculen die water vasthouden, waardoor een structuur ontstaat die grotendeels vloeibaar is maar toch zijn vorm behoudt, vergelijkbaar met een zeer zachte gelei-dessert. De onderzoekers wilden zien of ze de vaccinbellen in deze gelei konden mengen en ze er geleidelijk overheen konden laten ontsnappen. Maar ze wisten dat niet alle geleiën hetzelfde zijn. Sommige worden bij elkaar gehouden door sterke chemische verbindingen, andere door elektrische aantrekkingskracht, en sommige door de manier waarop eiwitten zich natuurlijk in elkaar vlechten. Het team vermoedde dat de specifieke manier waarop de gelei werd opgebouwd, zou bepalen hoe de bellen bewogen, hoe lang ze veilig bleven en of ze nog steeds hun werk konden doen zodra ze uiteindelijk naar buiten kwamen. Om het antwoord te vinden, creëerden ze vier verschillende soorten hydrogels, elk met een unieke manier om hun vorm te behouden, en laadden ze deze met de vaccinbellen.

De wetenschappers controleerden eerst of de bellen konden overleven binnen de geleiën. Ze gebruikten twee soorten bellen: één gevuld met een lichtgevende kleurstof om hun beweging te volgen, en een andere gevuld met de werkelijke genetische instructies voor het maken van een fluorescerend eiwit. Ze plaatsten deze bellen in de vier hydrogelsystemen en observeerden wat er gebeurde over een periode van meerdere dagen. Ze ontdekten dat alle vier de soorten gelei de bellen uiteindelijk lieten ontsnappen, maar de snelheid en de hoeveelheid die vrijkwam varieerde enorm, afhankelijk van het recept van de gelei. De chemische verbindingen die het eerste type gelei bij elkaar hielden, maakten de meeste controle mogelijk; door de hoeveelheid materiaal te veranderen, konden de onderzoekers de bellen snel of langzaam naar buiten laten komen. Zelfs in dit best mogelijke scenario lekte er echter wat van de lichtgevende kleurstof uit de bellen voordat ze volledig waren teruggewonnen, wat suggereerde dat de bellen onder lichte stress stonden. In een ander type gelei, bij elkaar gehouden door elektrische ladingen, kwamen de bellen wel naar buiten, maar werden ze meer verspreid en minder uniform in grootte. Een derde type, gemaakt van een temperatuurgevoelig materiaal dat een gel wordt wanneer het opgewarmd wordt, liet de bellen zeer snel vrij, maar de gelei zelf loste zo snel op dat het moeilijk was om de bellen te scheiden van het resterende materiaal. Het vierde type, gemaakt van natuurlijke eiwitten die in het lichaam voorkomen, was het meest complex. Hoewel het moeilijk was om exact te meten hoeveel bellen er naar buiten kwamen omdat de gelei niet volledig oploste, waren de bellen die wel naar buiten kwamen in uitstekende staat.

De onderzoekers keken vervolgens naar de bellen zelf om te zien of hun reis door de gelei hen had veranderd. Ze gebruikten een krachtige microscoop die individuele deeltjes kon zien die bevroren waren in een dunne laag ijs. Ze ontdekten dat de bellen er anders uitzagen afhankelijk van de temperatuur waarin ze werden gehouden. Bellen die in een koele omgeving werden gehouden, zagen er enigszien los en onregelmatig uit. Maar bellen die op lichaamstemperatuur waren gehouden, of ze nu in een reageerbuis zaten of net uit een hydrogel kwamen, zagen er compacter en dichter uitzien. Deze verandering vond plaats zonder de gelei, simpelweg door de warmte, wat suggereerde dat de bellen van nature compacter worden als ze warm worden. Cruciaal was dat de onderzoekers ontdekten dat de hydrogels de bellen niet uit elkaar haalden of hun structuur vernietigden; de deeltjes bleven intact en klaar om te werken.

De belangrijkste test was of de bellen nog steeds hun boodschap konden overbrengen na het ontsnappen uit de gelei. Het team plaatste de hydrogels boven een laag menselijke cellen in een schaal en wachtte tot de bellen naar beneden zouden drijven en de cellen zouden binnendringen. Ze ontdekten dat de cellen de bellen van elk type hydrogel succesvol opnamen. Toen ze controleerden of de cellen de instructies hadden ontvangen en begonnen waren met het maken van het eiwit, waren de resultaten duidelijk. De bellen die door de eiwitgebaseerde gelei waren gereisd, waren net zo effectief als de bielen die helemaal niet in een gelei waren geweest, en produceerden hoge niveaus van het doelwit-eiwit. De bellen van de chemisch gebonden gelei werkten ook goed, hoewel hun prestaties licht daalden naarmaden de gelei dichter werd. De bellen van de elektrisch geladen gelei en de temperatuurgevoelige gelei vertoonden een verminderde prestatie, waarbij de laatste moeite had om de boodschap effectief over te brengen, zelfs al hadden de bellen zelf de reis overleefd.

Deze bevindingen onthullen dat het materiaal dat de vaccinbellen vasthoudt, net zo belangrijk is als het vaccin zelf. Hoewel alle geteste hydrogels in staat waren om de bellen vrij te geven, bepaalde de specifieke manier waarop de gelei werd opgebouwd hoe goed de bellen hun vorm behielden en hoe goed ze hun lading konden afleveren. De eiwitgebaseerde gelei, die de natuurlijke omgeving van het lichaam nabootst, bleek het meest veelbelovend omdat het de volledige kracht van de vaccininstructies behield. De studie toont aan dat het mogelijk is om een systeem met een vertraagde afgifte voor deze geavanceerde vaccins te creëren, maar dat dit een zorgvuldige selectie van het leveringsmateriaal vereist. Door de juiste soort gelei te kiezen, kunnen wetenschappers potentieel de tijd verlengen dat het immuunsysteem het vaccin ziet, wat leidt tot een sterkere en langer aanhoudende bescherming tegen ziekten. Dit werk biedt een duidelijke weg vooruit bij het ontwerpen van betere systemen voor de levering van vaccins die het trainingssignaal van het lichaam zo lang mogelijk actief houden.