Forscher der Yale University, New Haven, haben ein polymerbasiertes mRNA-Vehikel für die gezielte Lungenabgabe optimiert und das Potenzial der Plattform für eine Schleimhautimpfung gegen Atemwegserreger demonstriert.
In einem Artikel mit dem Titel „Polymer-Nanopartikel liefern mRNA an die Lunge zur Schleimhautimpfung“, veröffentlicht in Wissenschaftliche translationale Medizinstellt das Team die Entwicklung inhalierbarer Boten-RNA (mRNA) für therapeutische Zwecke vor.
In der klinischen Forschung wurde nach einer effizienten und gezielten Möglichkeit gesucht, mRNA für verschiedene therapeutische Anwendungen, einschließlich Proteinersatztherapien, Genbearbeitung und Impfung, in die Lunge zu transportieren. Die größten Herausforderungen bestanden darin, die mRNA-Stabilität aufrechtzuerhalten und Immuninterferenzen zu vermeiden.
Das Yale-Team entwickelte PACE-Polymerformulierungen (Polymerized Albumin Conjugates for mRNA Encapsulation), um lokale mRNA in die Lunge zu transportieren. Die Forscher optimierten PACE-Polyplexe, um den mRNA-Schutz, die Transfektionseffizienz und die Antigenpräsentation für wirksame lungenspezifische Therapie- und Impfstrategien zu verbessern.
Um PACE zu stabilisieren, wurde während des enzymatischen Copolymerisationsprozesses ein optimiertes Verhältnis von Polyethylenglykol (PEG)-Molekülen in die Polymerstruktur integriert, was die Polyplexe stabilisierte und Schlüsseleigenschaften veränderte. PEG war in der Lage, die Größe, Oberflächenladung und andere Eigenschaften der Polyplexe zu beeinflussen, wodurch sie besser für die Beladung geeignet und bei der mRNA-Abgabe an Lungenzellen wirksamer wurden.
Die stabilisierte Formulierung zeigte in einem In-vitro-Zellkulturexperiment eine schlechte Leistung. Die Forscher stellen fest, dass herkömmliche Zellkulturmethoden keine guten Prädiktoren für Abgabesysteme sind, weder positiv noch negativ. Die Umgebung im Körper, insbesondere die Lunge, interagiert ganz anders als eine Ansammlung von Zellen. Beispielsweise fehlen die Schleimhautoberflächen, und genau diese Oberflächen soll das PACE-PEG-System ausnutzen. Der eigentliche Test würde in vivo mit einem Mausmodell erfolgen.
Die Forscher verkapselten mRNA, die für das Spike-Protein von SARS-CoV-2 kodiert, in PACE und inokulierten Mäuse, die anfällig für eine SARS-CoV-2-Infektion waren. Mäuse erhielten an den Tagen 0 und 28 eine 10-μg-Dosis PACE-mRNA, die intranasal verabreicht wurde. Die Entwicklung einer adaptiven Immunität in den mediastinalen Lymphknoten wurde 14 Tage nach der Auffrischung getestet und bestätigt.
Nach der Beurteilung der lokalen Immunantwort untersuchten die Forscher Lungengewebe, Blutserum und bronchoalveoläre Lavageflüssigkeit auf lokale und systemische Antigen-spezifische T-Zell- und Antikörperreaktionen. Die Transfektion erfolgte hauptsächlich in Lungenepithelzellen und Antigen-präsentierenden Zellen, zwei Zelltypen, die relevante Ziele für Lungenerkrankungen sind
Die Impfung steigerte erfolgreich die Spike-Protein-spezifischen CD8+-T-Zellen im Lungengewebe und die zirkulierenden CD8+-T-Zellen im Blutkreislauf. CD8+ T-Zellen exprimierten Marker, die auf ein geweberesidentes Gedächtnis hinweisen. Bei geimpften Mäusen wurden sowohl zirkulierende als auch mukosale IgG-Antikörper in deutlich höheren Konzentrationen gefunden.
Anschließend wurde den Mäusen eine tödliche Dosis SARS-CoV-2 ausgesetzt. Die PACE-mRNA-Impfung reduzierte die Viruslast in der Lunge deutlich und verbesserte das Gewicht und die Überlebensrate der geimpften Mäuse. Dieser Schutz wurde auf die durch die Impfung ausgelöste Spike-Protein-spezifische Immunantwort zurückgeführt.
Die Kontrollgruppe zeigte keine Hinweise auf eine Spike-Protein-spezifische Immunantwort und zeigte weder eine verringerte Viruslast noch ein verbessertes Überleben nach der Virusbelastung.
Die Studie präsentiert PACE-mRNA-Polyplexe als vielversprechende Methode für die effiziente und gezielte mRNA-Abgabe in die Lunge mit potenziellen Vorteilen sowohl für die therapeutische Proteinexpression als auch für die Schleimhautimpfung gegen Atemwegserreger.
Die Studie verdeutlicht auch die Bedeutung von Tiermodellen im Gegensatz zur alleinigen Zellkultur bei der Bestimmung realer Auswirkungen. Die positiven Ergebnisse deuten darauf hin, dass weitere Forschung erforderlich ist und weitere Tests an größeren Tiermodellen geplant sind.
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Alexandra Suberi et al., Polymernanopartikel transportieren mRNA zur Schleimhautimpfung in die Lunge, Wissenschaftliche translationale Medizin (2023). DOI: 10.1126/scitranslmed.abq0603
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