Diese Methode beschreibt die Verkapselung des Tollwutantigens in biologisch abbaubare polymere Mikropartikel mit strukturellen und materiellen Eigenschaften, die eine pulsierende Freisetzung nach einer vorgegebenen Verzögerung ermöglichen. Die ELISA-Bewertung des aus dem Partikelkern gewonnenen Antigens (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) bestätigt das Vorhandensein eines intakten Glykoproteins des trimeren Tollwutvirus durch Partikelherstellung.
Die aktuellen Leitlinien für die Tollwut-Postexpositionsprophylaxe verlangen mehrfache Injektionen über mehrere Wochen. Dies kann für diejenigen, die in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen (LMICs) leben, in denen die meisten tödlichen Tollwutexpositionen auftreten, unverhältnismäßig belastend sein. Es wurden verschiedene Strategien zur Verabreichung von Medikamenten untersucht, um Impfstoffschemata auf eine einzige Injektion zu verdichten, indem Antigene in Polymerpartikel eingekapselt werden. Starke Stressoren während des Verkapselungsprozesses können jedoch zu einer Denaturierung des verkapselten Antigens führen. In diesem Artikel wird eine Methode zur Verkapselung des Tollwutvirus-Antigens (RABV) in polymere Mikropartikel beschrieben, die eine einstellbare pulsatile Freisetzung aufweisen. Diese Methode, die als Particles Uniformly Liquified and Sealed to Encapsulate Drugs (PULSED) bezeichnet wird, erzeugt Mikropartikel mithilfe von Weichlithografie, um inverse Polydimethylsiloxan-Formen (PDMS) aus einer 3D-gedruckten Multiphotonen-Urform herzustellen. Poly(milch-co-glykolsäure)-Folien (PLGA) werden dann in die PDMS-Formen gepresst, um offene Zylinder zu erzeugen, die mit einem piezoelektrischen Dosierroboter mit konzentriertem RABV gefüllt werden. Diese Mikrostrukturen werden dann durch Erhitzen der Oberseite der Partikel versiegelt, so dass das Material fließen und eine kontinuierliche, nicht poröse Polymerbarriere bilden kann. Nach der Herstellung wird ein ELISA-Assay (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) verwendet, der speziell für den Nachweis von intaktem Glykoprotein des trimeren Tollwutvirus spezifisch ist, um die hohe Rückgewinnung des immunogenen Antigens aus den Mikropartikeln zu bestätigen.
Die Impfung ist ein äußerst wirksames Instrument im Gesundheitswesen, das zwischen 2000 und 2019 mehr als 37 Millionen Todesfälle verhindert hat1. Trotz dieser Wirksamkeit stellen durch Impfung vermeidbare Krankheiten nach wie vor ein erhebliches Risiko für die globale Gesundheit dar, insbesondere in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen, in denen hohe Raten von Nicht- und Unterimpfungen jährlich zu 1,5 Millionen durch Impfung vermeidbaren Todesfällen beitragen2. Tollwut ist keine Ausnahme von diesen Ungleichheiten. Obwohl die Tollwut die tödlichste bekannte Krankheit der Menschheit ist und fast immer tödlich verläuft, ist sie vollständig behandelbar und wird in vielen Ländern mit hohem Einkommen als ausgerottet eingestuft. Stattdessen wird die Last der Tollwut unverhältnismäßig stark von Menschen getragen, die in Teilen Asiens und Afrikas leben, wo die Krankheit verheerende Folgen für Mensch und Vieh hat 3,4.
Die Impfung ist entscheidend für die Bewältigung der globalen Auswirkungen der Tollwut5. Die Kosten der Impfung verhindern eine flächendeckende Durchführung der Präexpositionsprophylaxe (PrEP), da die Inzidenz der Krankheit insgesamt gering ist. Darüber hinaus ist der Nutzen der Postexpositionsprophylaxe (PEP) in LMICs durch den sozioökonomischen Druck auf Patienten, die eine Gesundheitsversorgung in Anspruch nehmen, begrenzt. Logistische Faktoren, wie z. B. die Entfernung zu den Zugangspunkten zur Gesundheitsversorgung, Lohneinbußen bei der Behandlung, die Behandlungskosten, Termine, die die täglichen Aktivitäten beeinträchtigen, und Vergesslichkeit führen zu PEP-Adhärenzraten von nur 60 %6,7. Diese hohe Fluktuationsrate bietet die Möglichkeit, Ansätze zu verfeinern, um Lücken in der Tollwutimpfung zu schließen und die Krankheit zu bekämpfen.
Impfsysteme mit einer einzigen Injektion (SI), die die Freisetzung von Antigenen kontrollieren, wurden als Möglichkeiten untersucht, eine vollständige Immunisierung in einer Injektion zu erreichen. Der Wegfall der Notwendigkeit mehrerer Besuche bei einem Gesundheitsdienstleister verringert die Belastungen, die Einzelpersonen davon abhalten, eine angemessene Versorgung in Anspruch zu nehmen. Um eine SI-Impfung zu erreichen, wird ein Antigen in der Regel in eine biologisch abbaubare Polymermatrix eingekapselt, die häufig die Form von injizierbaren Mikropartikeln annimmt. Nach der Injektion wird das Polymer abgebaut und setzt das sequestrierte Antigen frei. Bisher wurden zwei primäre Freisetzungsstrategien verfolgt, um eine SI-Impfung zu erreichen. Bei einem Ansatz wird das Antigen kontinuierlich über einen längeren Zeitraum freigesetzt. Obwohl dieser Ansatz die Immunogenität einer einzelnen Injektion verbessern soll, ist unklar, ob dieser Ansatz ausreicht, um beim Menschen eine schützende Immunantwort gegen das Tollwutvirus (RABV) hervorzurufen8. Im anderen Fall wird das Antigen nach einer vorgegebenen Verzögerung freigesetzt, um ein herkömmliches und bewährtes Prime-Boost-Impfstoffschema nachzuahmen. Sprühtrocknungs- und Emulsions-/Lösungsmittelverdampfungs-basierte Mikropartikelherstellungsmethoden zeigen die erste Strategie und wurden erfolgreich eingesetzt, um sowohl Modellimpfstoffe9 als auch hochstabile Antigene wie Tetanustoxoid10 erfolgreich zu verkapseln. Diese Verkapselungsmethoden beinhalten jedoch Stressoren, einschließlich Hitze, Lösungsmittelwechselwirkung und physikalische Kräfte, die Antigene denaturieren können11.
Particles Uniformly Liquified and Sealed to Encapsulate Drugs (PULSED) ist eine kürzlich entwickelte Herstellungsmethode, mit der Biologika in biologisch abbaubare Mikropartikel eingekapselt werden können. Micromolding wird verwendet, um Partikel zu erzeugen, die mit einer flüssigen Nutzlast gefüllt und erhitzt werden, damit das Polymer reflowen und das zentrale Frachtdepot vollständig in einer zusammenhängenden Schicht des biologisch abbaubaren Polymers einkapseln kann. Diese Mikrostruktur führt zu einer pulsierenden Freisetzung der Nutzlast nach einer Zeit, die von der Abbaurate der Polymerhülle12 abhängt. Dieses Manuskript demonstriert die Verkapselung von inaktiviertem RABV in Mikropartikeln, die aus Poly(milchsäure-co-glykolsäure) (PLGA) bestehen, einem biologisch abbaubaren Polymer, das in vielen von der FDA zugelassenen Formulierungen verwendet wird13, unter Verwendung der PULSED-Herstellungsmethode zur Verkapselung eines stabilen RABV-Antigens, das durch einen Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) bewertet wird. Durch die Kombination von PLGA-Partikeln mit unterschiedlichem Molekulargewicht und/oder unterschiedlichen Endgruppen hat dieser Ansatz das Potenzial, den aktuellen Verlauf der Tollwutimpfung nach einer einzigen Injektion nachzuahmen.
Es ist möglich, die Partikelgeometrie für spezifische Anforderungen zu ändern. Für zylindrische Strukturen empfehlen die Autoren jedoch, ein im Protokoll beschriebenes Verhältnis von 5:4:1 von Höhe:Durchmesser:Wanddicke beizubehalten. Dieses Aspektverhältnis stellt sicher, dass genügend PLGA-Material vorhanden ist, um die Partikel zu versiegeln und mechanisch robust genug für die Handhabung zu bleiben. Partikelabmessungen und -formen können während des CAD-Prozesses leicht geändert werden, wodurch eine Vielzahl von Geometrien generiert werden kann. Die Kombination der Flexibilität des CAD mit dem 3D-Druck ermöglicht die schnelle Iteration von Mikropartikeldesigns. Obwohl dieses Protokoll einen Multi-Photonen-3D-Drucker verwendet, kann jeder 3D-Drucker mit Spezifikationen, die in der Lage sind, die Mikrostrukturabmessungen in einem geeigneten Material zu drucken, zur Erzeugung der ersten Urform verwendet werden. Darüber hinaus wurde die Fotolithografie früher verwendet, um ähnliche Strukturen in Arrays herzustellen, die viel größer sind als die, die in diesem Protokoll erzeugt werden. Der Arbeitsaufwand, die Verzögerung bei der Bestellung maßgeschneiderter Fotomasken und die Zugänglichkeit der Ausrüstung würden jedoch den iterativen Designprozessverlangsamen 16. Schließlich kann die Herstellung von Stammformen an Honorarunternehmen ausgelagert werden, wenn eine interne Herstellung von Stammformen nicht möglich ist. Unabhängig vom 3D-Drucker oder der Methode, mit der die Urformen hergestellt werden, ist die Haftung des Drucks auf dem Substrat für nachgelagerte Schritte entscheidend. Insbesondere, wenn die Haftung während der PDMS-Formerzeugung unzureichend ist, verbleiben gedruckte Partikel in der PDMS-Form, was eine manuelle Entfernung der gedruckten Partikel und die Zerstörung der Stammform erfordert.
Die Partikelfüllung ist ein weiterer kritischer Aspekt, den es zu berücksichtigen gilt. Mikropartikel haben nur begrenzte Füllkapazitäten, so dass die Filtration nicht nur zur Konzentration des RABV-Antigens verwendet wird, sondern auch zur Entfernung von Hilfsstoffen, die sonst einen großen Teil des Mikropartikelkernvolumens einnehmen würden. Aufgrund der Größe des RABV-Antigens (ca. 60 nm x 180 nm)17 ist es jedoch möglich, das Antigen während der Zentrifugationsschritte teilweise zu pelletieren. Aus diesem Grund ist es wichtig, das Antigen nach der Zentrifugation durch Pipettieren oder Vortexen zu resuspendieren, um eine hohe Wiederfindung des RABV-Antigens zu erreichen. Eine hochkonzentrierte Lösung ist ideal für die Dosierung, da sie die Dosierzyklen verkürzt und dadurch den Antigenabbau während der Abfüllung begrenzt. Die Viskosität ist jedoch eine wesentliche Einschränkung für piezoelektrische Dosierroboter, die einen stabilen Tropfen bilden, so dass das Dosieren einer sehr hochkonzentrierten Lösung möglicherweise nicht möglich oder ratsam ist. Das Verdünnen der Fülllösung ist der einfachste Weg, um eine stabile Tropfenbildung zu erreichen, aber die Antigenstabilität über die zusätzlichen Füllzyklen, die erforderlich sind, um die gewünschte Beladung zu erreichen, und die längere Zeit, die zum Abfüllen der Partikel benötigt wird, sollten berücksichtigt werden.
Begrenzungen
Diese Methode erfordert hochspezialisierte Anlagen zur Herstellung der ersten Formen und ein spezielles Füllinstrument für die Mikropartikelproduktion. Obwohl der Bedarf an einem 3D-Drucker mit einer Druckauflösung, die in der Lage ist, die ersten Urformen zu erzeugen, durch einen Fee-for-Service-Ansatz untergraben werden kann, ist der Zugang zu einem piezoelektrischen Dosierroboter begrenzt. Die Anschaffung eines piezoelektrischen Dosierroboters erfordert eine erhebliche Anfangsinvestition, die je nach Marke, Durchsatz und Fähigkeiten oft zwischen 80.000 und 200.000 US-Dollar liegt. Obwohl mehrere andere Füllungsmethoden mögliche Alternativen darstellen, wurden diese Methoden nicht mit dem RABV-Antigen12 validiert.
Zukünftige Anwendungen
Ein erheblicher Teil des verkapselten RABV-Antigens blieb während des Versiegelungsprozesses stabil. Theoretisch könnten durch den Einbau dieses Antigens in Partikel, die aus verschiedenen PLGA-Typen bestehen, die den Verabreichungszeitplan der postexpositionellen Prophylaxebehandlung nachahmen, alle Dosen in einer einzigen Injektion verabreicht werden. Durch den Wegfall wiederholter Krankenhausbesuche zur Verabreichung zusätzlicher Dosen wird die Compliance der Patienten verbessert, was zu besseren Behandlungsergebnissen führt. Nachdem die Fähigkeit gezeigt wurde, die ELISA-Reaktivität des hochkomplexen inaktivierten Tollwutvirus aufrechtzuerhalten, ist es wahrscheinlich, dass andere Antigene, einschließlich Subunit-Impfstoffe, mit dieser Verkapselungsmethode kompatibel sind. Die Verwendung anderer prophylaktischer Antigene mit PULSED-Mikropartikeln könnte Millionen von Leben in LMICs retten, indem die Impfraten von unzureichend geimpften Bevölkerungsgruppen erhöht werden. Um dies zu erreichen, müssen die Impfstoffe jedoch nicht nur durch die Verkapselung, sondern auch durch die Freisetzung stabil bleiben, was eine Herausforderung darstellen kann, da die Nutzlast aufgrund von Körperwärme und PLGA-Abbauprodukten erhöhten Temperaturen und einer potenziell sauren Mikroumgebung ausgesetzt ist18. Zukünftige Arbeiten werden Strategien zur Stabilisierung des Antigens durch Freisetzung verfolgen, was das Potenzial für eine Impfplattform mit einer einzigen Injektion eröffnen würde, die breit anwendbar ist, um viele Infektionskrankheiten zu verhindern.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken Chiron Behring und Bharat Biotech International für die Bereitstellung des RABV-Antigens an Particles for Humanity. Wir möchten uns auch bei Charles Rupprecht, VMD, MS, PhD., für seine unschätzbare Anleitung und seine technischen Beiträge bedanken. Die Autoren bedanken sich bei der Großzügigkeit von Dr. Rebecca Richards-Kortum für die Erlaubnis zur Verwendung ihres Pikoliter-Dosiergeräts SciFLEXARRAYER S3 und für die Anleitung von Dr. Chelsey Smith zur Verwendung des Geräts. Wir danken auch der Chan Medical School der University of Massachusetts für die Erstellung von Mikroskopiebildern des Tollwutantigens. Abschließend danken wir Don Chickering und Erin Euliano für die Prüfung des Dokuments vor der Einreichung. Diese Arbeit wurde durch ein Stipendium (INV-004360) der Bill and Melinda Gates Foundation unterstützt.
0.22 µm PES filter | Cole-Parmer+B4B2:B63 | 04396-26 | |
0.25 mm Shims | McMaster Carr | 98090A935 | |
0.75 inch Binder Clips | Staples | 480114 | |
10 mL Syringe | Becton, Dickinson and Company | 309604 | |
10 mL Sterile Polystyrene Disposable Serological Pipets with Magnifier Stripe | Fisherbrand | 13-678-11E | |
101.6 mm C-Clamp | Amazon | PT-SD-CP01A | Black handle will eventually fall off. Use pliers to adjust once this happens. |
19 G needle | EXCELINT | 26438 | |
25 mL Sterile Polystyrene Disposable Serological Pipets with Magnifier Stripe | Fisherbrand | 13-678-11 | |
3-(Trimethoxysilyl) Propyl Methacrylate | Millipore Sigma | M6514-25ML | |
5 mL Sterile Polystyrene Disposable Serological Pipets with Magnifier Stripe | Eppendorf | 22431081 | |
50 mL Centrifuge Tubes | Corning | 352098 | |
50 mL Sterile Polystyrene Disposable Serological Pipets with Magnifier Stripe | Fisherbrand | 13-678-11F | |
Acetone | Fisher | AC268310010 | |
Aluminum Block | McMaster Carr | 9057K175 | |
Aluminum Foil | VWR | 89079-069 | |
Amicon Ultra 0.5 mL Centrifugal Filters, 100 kDa | Millipore Sigma | C82301 | |
Anti-Rabies Virus Antibody, Serum Free Antibody, clone 1112-1, 100 | Fisherbrand | 13-678-11D | |
Anti-Rabies Virus Mouse Monoclonal Antibody, Clone D1-25, biotinylated | Fisherbrand | 14-388-100 | |
Carboxymethyl Cellulose | Tokyo Chemical Industries | C0045 | |
ClipTip 300, Filter, Racked | Fisherbrand | 13-678-11 | |
Costar 0.65 mL Low Binding Snap Cap Microcentrifuge Tube | Corning | 3206 | |
Costar 1.7 mL Low Binding Snap Cap Microcentrifuge Tube | Corning | 3207 | |
Describe | Nanoscribe | Software used to define the printing parameters for Nanoscribe 3D printer is step 1.2. Software provided with the printer. |
|
Desiccator | Fisher Scientific | 10529901 | Or equivalent |
Double-Sided Tape | Staples | 649280 | |
DPBS (10x), No Calcium, No Magnesium | Gibco | 14200075 | |
Ethanol | VWR | 89370-084 | |
F1-ClipTip Multichannel Pipettes, 30 to 300 µL | Fisherbrand | 13-678-11E | |
Fisherbrand SureOne Aerosol Barrier Pipette Tips, 0.1 – 10 µL | Fisherbrand | 13-678-11F | |
Fisherbrand SureOne Aerosol Barrier Pipette Tips, 100 – 1000 µL | Fisherbrand | 03-448-17 | |
Fisherbrand SureOne Aerosol Barrier Pipette Tips, 2 – 20 µL | Fisherbrand | FB14955202 | |
Fisherbrand SureOne Aerosol Barrier Pipette Tips, 20 – 200 µL | Fisherbrand | 13-374-10 | |
Fisherbrand Elite Pipette Kit | Fisherbrand | 05-408-137 | |
Fisherbrand Pipet Controller | Fisherbrand | FB14955202 | |
Glass Petri Dish, 90 mm | VWR | 470313-346 | |
Glass Slides | Globe Scientific | 1380-10 | |
Helicon Focus 8 | HeliconSoft | Software used to focus stack images | |
IP-Q Resin | Nanoscribe | Printer resin is compatable with the 10x lens and is used for printing large microstructures on the Nanoscribe Photonic Professional GT2 | |
Lascar EL-USB-TC-LCD Thermocouple | Amazon | 5053485896236 | Or equivalent |
Microscope Slide Box | Millipore Sigma | Z374385-1EA | Or equivalent |
Nanoscribe Photonic Professional GT2 with 10X Objective | Nanoscribe | ||
NanoWrite | Nanoscribe | Software used to interface with nanoscrive 3D printer. Software provided with printer. |
|
Nunc MaxiSorp Flat-Bottom 96-well Plate | Invitrogen | 44-2404-21 | |
OPD Substrate Tablets (o-Phenylenediamine Dihydrochloride) | Fisherbrand | 02-707-432 | |
Parafilm M Wrapping Film, 4 in. | Fisherbrand | 13-374-10 | |
PDC 60 with Type 3 Coating | Scienion | P-2020 | |
PDMS Particle Molds | Rice University | n/a | N/A- Particles are 400 μm in diameter with a wall thickness of 100 μm, and a height of 500 μm, resulting in an inner diameter of 200 μm. The arrays are 14 x 22 particles spaced 600 μm apart from each other. 4- and 5-point stars are used as fiducials, positioned 600 μm to the right and left of the top right and top left particles on the array. |
Petri Dish | Fisher Scientific | 08-757-100D | |
Pierce Stable Peroxide Substrate Buffer (10x) | Fisherbrand | 02-707-430 | |
Plastic Cups | Fisher Scientific | S04170 | |
PLGA Film, 502H | Sigma | 502H: 719897-1G | |
Propylene Glycol Monomethyl Ether Acetate | Millipore Sigma | 484431 | |
Rabies Antigen | Chiron Behring and Bharat Biotech International | Material was acquired by entering into a materials transfer agreement with the company. | |
Razor Blades | VWR | 55411-050 | |
Scalpel | VWR | 21899-530 and 76457-512 | |
SciFLEXARRAYER S3 with PCD 60 | Scienion | Or equivalent | |
Sealing Tape for 96-Well Plates | Thermo Scientific | 15036 | |
Silicon Wafer | University Wafer | 1025 | |
Spring Clamps | IRWIN | VGP58100 | |
Stainless Steel Block | McMaster Carr | 9083K12 | |
Streptavidin−Peroxidase Polymer, Ultrasensitive | Fisherbrand | 02-707-404 | |
Sylgard 184 | DOW | 2646340 | |
Teflon Sheet | McMaster Carr | 9266K12 | Used to make PLGA films. Must be cut into appropriately sized pieces. |
Teflon Sheet, 0.8 mm-thick | McMaster Carr | 9266K81 | |
Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorooctyl) Silane | Sigma | 448931-10G | |
Tweezers | Pixnor | ESD-16 | |
UltraPure Distilled Water | Fisher Scientific | 10977015 | |
UV Oven, CL-1000S UV Crosslinker | UVP | 95-0174-01 | Or equivalent |
Vacuum Desiccator | Bel-Art | F420100000 | Note you will need two of these. One will be used exclusively to pre-treat samples with trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane to prevent contamination. |
Vacuum Oven Capable of Reaching 120 °C | VWR | 97027-664 | Or equivalent |
Vacuum, CRVpro4 | Welch | 3041-01 | Or equivalent |
Wooden Tongue Depressors | Electron Microscopy Sciences | 72320 |