Chitosan als Antigenplattform für Pneumokokken Impfstoffe

Chitosan zeigt großes Potential als Teil von Wirkstofffreisetzungssystemen oral verabreichter Arzneimittelformulierungen. Eine weitere interessante Verwendungsmöglichkeit ist der Einsatz von Chitosan als Antigenplattform für Impfstoffe. Wir stellen Ihnen einen Artikel vor in dem Pneumokokken-Membranproteinbeladene Chitosannanokapseln hergestellt und hinsichtlich ihrer Wirksamkeit für einen nasal verabreichten Impfstoff untersucht wurden.

CHITOSANBASIERTES NANOSYSTEM ALS PNEUMOKOKKEN IMPFSTOFFPLATTFORM

A chitosan‑based nanosystem as pneumococcal vaccine delivery platform. Sandra Robla, Maruthi Prasanna, Rubén Varela‑Calviño, Cyrille Grandjean, Noemi Csaba. Drug Delivery and Translational Research, 11, 581–597, 2021, https://doi.org/10.1007/s13346-021-00928-3.

Streptococcus pneumoniae befällt die oberen Atemwege und kann dabei eine Pneumonie, Meningitis oder Sepsis hervorrufen. Besonders Säuglinge, Senioren und immungeschwächte Personen sind dabei einem hohen Risiko durch Pneumokokken ausgesetzt.
Angriffsfläche für Impfstoffe bieten die auf der Zellmembran sitzenden Oberflächenproteine und Kapselpolysaccharide von S. pneumoniae. Durch verschiedene Kapselpolysaccharide kann man zwischen mehr als 96 Serotypen von S. pneumoniae unterscheiden. Die Proteine auf der Zelloberfläche dagegen sind weniger variabel als die Kapselpolysaccharide.
Bisherige Impfstoffe basieren auf den Kapselpolysacchariden und führen nur zu einer Immunisierung gegen bestimmte Serotypen. Alternativ könnten Impfstoffe auf den weniger variablen Membranproteinen basieren, wie dem pneumococcal surface adhesin A (PsaA). Intranasale Immunisierungen können nicht mucosale und systemische Immunantworten auslösen. Durch seine gute Mucoadhäsion, Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit verspricht Chitosan ein hohes Potential als Impfstoffplattform.

In der vorgestellten Studie wurden dafür Nanokapseln aus Öl und oberflächenaktiven Substanzen hergestellt und mit Chitosan ummantelt. Dieses kann durch elektrostatische Wechselwirkungen an der Oberfläche haften. Neben einer kovalenten Verknüpfung von Chitosan mit dem Antigen PsaA auf der Nanokapseloberfläche, wurde das Antigen in einen zweiten Typ der Nanokapseln nicht kovalent gebunden. Als Referenz wurde Chitosan Nanokapseln ohne PsaA hergestellt.

Die Nanokapseln wurden auf ihre physikochemischen Eigenschaften und die Effizienz der Assoziation bei der Herstellung untersucht. Anschließend wurde die Morphologie der Partikel elektronenmikroskopisch analysiert und die Stabilität der Nanokapseln in vitro mit simulierter Nasenflüssigkeit untersucht. Zudem wurde ebenfalls die Freisetzung des Antigens von den Nanokapseln und die Toxizität in vitro analysiert. Abschließend wurden die Interaktionen mit Immunzellen untersucht.

ERGEBNISSE

• Hergestellte Nanokapseln waren monodispers und zwischen 245 - 266 nm groß
• Assoziation von mehr PsaA-Antigenen durch kovalente Bindung an Chitosananokapseln
• Nanokapseln waren stabil in simulierter Nasenflüssigkeit
• keine Veränderung der physikochemischen Eigenschaften der Nanokapseln nach Lyophilisierung mit anschließender Rekonstitution
• Antigen-Freisetzung in zwei Phasen, zuerst schnelle Freisetzung der Hälfte der geladenen Antigene, danach verzögerte und langsame Freisetzung der übrigen Ladung
• Antigen-Freisetzung erfolgte durch kovalente Bindung an Chitosannanokapseln über längeren Zeitraum als ohne kovalente Bindung
• Keine Toxizität bei einer Konzentration von bis zu 150 μg/ml
• Erfolgreiche Aktivierung und Reifung von dendritischen Zellen durch Chitosannanokapseln mit kovalent gebundenem PsaA-Antigen
• Erfolgreiche Aktivierung und Differenzierung von Lymphozyten nach Präsentation durch dendritische Zellen
• Auslösung der Ausschüttung von TNFα und erfolgreiche Aktivierung von CD4 und CD8 T-Lymphozyten

Fazit: Die Verwendung von Chitosannanokapseln ist vielversprechend um eine gezielte Aktivierung der Immunzellen der Nase zu erreichen. Grund dafür ist eine erhöhte Verweilzeit im Nasensekret durch eine hohe Mucoadhäsion. Durch die kovalentene Bindung des PsaAs an die Chitosannanokapsel konnte eine hohe Beladung mit dem Antigen erreicht werden. Es wurde zudem gezeigt, dass die beladenen Nanokapseln mit Immunzellen interagieren und eine stärkere Reaktion auslösen als die Membranproteine allein. Auch die hohe Stabilität und Erhaltung der Eigenschaften der Nanokapseln bei der Gefriertrocknung ist vielversprechend für die Verwendung als Vakzin. Zuletzt kann durch die Verwendung des Membranproteins PsaA ein Serotypen unabhängiges Vakzin erzeugt werden, da das Protein im Gegensatz zu den Polysaccariden nicht stark zwischen den Serotypen variiert. Quelle: https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs13346-021-00928-3