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

As vacinas têm sido, há muito tempo, o nosso escudo mais poderoso contra doenças infecciosas, ensinando o sistema imunológico a reconhecer e derrotar invasores antes que eles causem danos. Durante décadas, esse treinamento dependeu da injeção de um pedaço do próprio germe, ou de uma versão inofensiva dele, para desencadear uma resposta. Nos últimos anos, uma tecnologia mais nova e flexível surgiu: as vacinas de RNA mensageiro. Em vez de entregar um pedaço do vírus, essas vacinas entregam um conjunto de instruções genéticas que dizem às nossas próprias células para construir uma proteína específica, treinando o sistema imunológico de forma tão eficaz quanto. Para colocar essas instruções frágeis dentro de nossas células, os cientistas as envolvem em minúsculas bolhas microscópicas feitas de gordura, conhecidas como nanopartículas lipídicas. Essas bolhas protegem a carga genética e ajudam a deslizar através da parede externa da célula. No entanto, um desafio permanece: uma vez injetadas, essas instruções são frequentemente consumidas rapidamente, e o sinal de treinamento desaparece. A natureza, por outro lado, muitas vezes apresenta ameaças ao longo de dias ou semanas, dando ao sistema imunológico tempo para construir uma defesa mais forte e duradoura. Os cientistas há muito se perguntam se poderiam criar um sistema de entrega que liberasse essas instruções lentamente, mantendo o sinal de treinamento ativo por mais tempo, de forma semelhante a uma cápsula de liberação lenta para medicamentos.

Uma equipe de pesquisadores partiu para resolver este problema, testando se um material macio e gelatinoso chamado hidrogel poderia servir como um cercado de contenção para essas bolhas de gordura. Os hidrogéis são redes de moléculas que aprisionam água, formando uma estrutura que é majoritariamente líquida, mas mantém sua forma, semelhante a uma sobremesa de gelatina muito macia. Os pesquisadores queriam ver se poderiam misturar as bolhas da vacina neste gel e deixá-las escapar lentamente ao longo do tempo. Mas eles sabiam que nem todos os géis são iguais. Alguns são mantidos unidos por ligações químicas fortes, outros por atrações elétricas e alguns pela maneira como as proteínas se emaranham naturalmente. A equipe suspeitava que a forma específica como o gel era construído mudaria a forma como as bolhas se moviam, quanto tempo permaneciam seguras e se ainda poderiam cumprir seu papel uma vez que finalmente emergissem. Para encontrar a resposta, eles criaram quatro tipos diferentes de hidrogéis, cada um com uma maneira única de manter sua forma, e os carregaram com as bolhas da vacina.

Os cientistas primeiro verificaram se as bolhas podiam sobreviver dentro desses géis. Eles usaram dois tipos de bolhas: uma preenchida com um corante brilhante para rastrear seu movimento e outra preenchida com as instruções genéticas reais para fazer uma proteína fluorescente. Eles colocaram essas bolhas em os quatro sistemas de hidrogel e observaram o que acontecia ao longo de vários dias. Descobriram que todos os quatro tipos de gel eventualmente deixavam as bolhas sair, mas a velocidade e a quantidade que saía variavam drasticamente dependendo da receita do gel. As ligações químicas que mantinham o primeiro tipo de gel unidas permitiram o maior controle; ao alterar a quantidade de material utilizada, os pesquisadores podiam fazer com que as bolhas saíssem rápido ou devagar. No entanto, mesmo neste melhor cenário, parte do corante brilhante vazou das bolhas antes de serem totalmente recuperadas, sugerindo que as bolhas estavam ligeiramente estressadas. Em outro tipo de gel, mantido por cargas elétricas, as bolhas saíram, mas tornaram-se mais dispersas e menos uniformes em tamanho. Um terceiro tipo, feito de um material sensível à temperatura que se transforma em gel quando aquecido, liberou as bolhas muito rapidamente, mas o próprio gel se dissolveu tão rápido que foi difícil separar as bolhas do material restante. O quarto tipo, feito de proteínas naturais encontradas no corpo, era o mais complexo. Embora fosse difícil medir exatamente quantas bolhas saíram porque o gel não se dissolveu totalmente, as que emergiram estavam em excelente estado.

Os pesquisadores então examinaram as próprias bolhas para ver se a jornada através do gel as havia alterado. Eles usaram um microscópio poderoso que podia ver partículas individuais congeladas em uma fina camada de gelo. Eles descobriram que as bolhas pareciam diferentes dependendo da temperatura em que eram mantidas. Bolhas mantidas em um ambiente frio pareciam um pouco frouxas e irregulares. Mas as bolhas que haviam sido mantidas à temperatura corporal, quer estivessem em um tubo de ensaio ou tivessem acabado de sair de um hidrogel, pareciam mais compactas e densas. Essa mudança aconteceu mesmo sem o gel, simplesmente devido ao calor, sugerindo que as bolhas naturalmente se tornam mais apertadas quando aquecidas. Crucialmente, os pesquisadores descobriram que os hidrogéis não quebraram as bolhas nem destruíram sua estrutura; as partículas permaneceram intactas e prontas para trabalhar.

O teste mais importante era se as bolhas ainda podiam entregar sua mensagem após escaparem do gel. A equipe colocou os hidrogéis acima de uma camada de células humanas em uma placa e esperou que as bolhas flutuassem para baixo e entrassem nas células. Eles descobriram que as células absorveram com sucesso as bolhas de todos os tipos de hidrogel. Quando verificaram se as células haviam recebido as instruções e começado a produzir a proteína, os resultados foram claros. As bolhas que viajaram através do gel à base de proteína foram tão eficazes quanto aquelas que nunca estiveram em um gel, produzindo altos níveis da proteína alvo. As bolhas do gel com ligações químicas também funcionaram bem, embora seu desempenho tenha caído ligeiramente à medida que o gel se tornava mais denso. As bolhas do gel com carga elétrica e do gel sensível à temperatura mostraram um desempenho reduzido, sendo que este último teve dificuldades para transmitir a mensagem de forma eficaz, embora as próprias bolhas tenham sobrevivido à viagem.

Essas descobertas revelam que o material usado para conter a vacina é tão importante quanto a própria vacina. Embora todos os hidrogéis testados tenham sido capazes de liberar as bolhas, a forma específica como o gel foi construído determinou quão bem as bolhas mantiveram sua forma e quão bem puderam entregar sua carga. O gel à base de proteína, que imita o ambiente natural do corpo, provou ser o mais promissor, preservando todo o poder das instruções da vacina. O estudo mostra que é possível criar um sistema de liberação lenta para essas vacinas avançadas, mas que isso requer uma seleção cuidadosa do material de entrega. Ao escolher o tipo certo de gel, os cientistas podem potencialmente estender o tempo que o sistema imunológico vê a vacina, levando a uma proteção mais forte e duradoura contra doenças. Este trabalho fornece um caminho claro para o design de melhores sistemas de entrega de vacinas que mantenham o sinal de treinamento do corpo ativo pelo tempo que for necessário.