Einfluss verschiedener Chitosanderivate auf die Immunogenität von PLGA-Nanopartikel

Impfstoffstoffe basierend auf rekombinanten Proteinantigenen benötigen oft Immunistimulanzen. Sowohl Nanopartikel als auch Chitosan und seine Derivate können die Immunogenität verstärken.  Aus dem Grund wurden in der präsentierten Studien PLGA-Nanopartikel mit verschiedenen Chitosan Derivaten funktionalisiert und als Wirkverstärker für das Pneumokokkenprotein-Antigen PspA4Pro optimiert.

BEWERTUNG DES EINGLUSSES DER POLYMERWAHL AUF DIE IMMUNOGENITÄT VON MIT CHITOSAN BESCHICHTETEN PLGA-NANOPARTIKEL MIT DER AN DER OBERFLÄCHE ADSORBIERTEN PNEUMOKOKKENPROTEIN-ANTIGEN PSPA4PRO

Kan Kaneko, Eliane N. Miyaji, Viviane M. Gonçalves, Daniela M. Ferreira, Carla Solórzano, Ronan MacLoughlin, Imran Saleem, Evaluation of polymer choice on immunogenicity of chitosan coated PLGA NPs with surface-adsorbed pneumococcal protein antigen PspA4Pro, International Journal of Pharmaceutics, Volume 599, 2021, 120407, ISSN 0378-5173, https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2021.120407

Neuartige Pathogene und die wachsende Zahl mikrobieller Resistenzen sind nach wie vor Haupttreiber für die Entwicklung neuer Impfstoffe. Häufig basieren diese auf rekombinanten Proteinantigenen, die eine hohe Sicherheit und Präzision bieten. Allerdings sind sie oft limitiert durch eine schwache intrinsische Immunogenität, die den Einsatz von Immunostimulanzien notwendig macht.

Nanopartikel (NPs) können die Immunogenität von Impfstoffen durch ein verbessertes Targeting, Aufnahme und Transport der Antigene und Adjuvanten erhöhen. Poly(milch-co-glykolsäure) (PLGA) gilt als besonders biokompatibles Polymer für NPs, dass bereits erfolgreich in zahlreichen Therapeutika eingesetzt wird. Durch elektrostatische Wechselwirkungen können die rekombinanten Antigene recht unkompliziert auf die Oberfläche der NPs platziert werden. Die Immunogenität der Impfstoffe kann zudem durch das Einkapseln der Antigen-NPs mit Chitosan (CS) verbessert werden. CS hat eine erhöhte Immunogenität durch die positiven Ladungen der Aminogruppen. Außerdem ist es in der Lage eine Immunantwort durch den TLR-Weg als auch den cGAS-Sting-Weg auszulösen. Zusätzlich kann CS durch deine mucoadhäsiven Eigenschaften die Präsentation und Residenzzeit von Antigenen auf Schleimhäuten verbessern, was ebenfalls einen positiven Effekt auf die Immunogenität de NPs besitzt.

Um die optimale Immunantwort von Impfstoffen durch CS-PLGA-NPs zu erhalten wurden in der präsentierten Studie verschiedene PLGA Polymere und Chitosanderivate zu CS-PLGA-NPs synthetisiert, charakterisiert und mit dem Pneumokokkenprotein-Antigen PspA4Pro gekoppelt. Zudem wurde die Immunogenität der NPs an einem dendritischen JAWSII-Zellmodell untersucht. Neben PLGA-Polymeren mit verschiedenen Milch- und Glycolsäure-Ratios (50:50, 75:25), terminalen Endgruppen (Säure, Ester) und Molekulargewichten (7-17 kDa, 24-38 kDa, 4-15 kDa) wurden folgende Chitosanderivate der Heppe Medical Chitosan GmbH getestet:

Chitosan Derivat	Molekulargewicht (Mw)	Deacetylierungsgrad (DA)	Viskosität
Chitosan HCl	30-400 kDa	88,7 %	3,5 mPas
Carboxylmethylchitosan (CMC)	30-500 kDa	94,1 %	12 mPas
Oligomer	≤ 5 kDa	78 %	2 mPas
Glutamat	30–200 kDa	88,6 %	22 mPas

Zusätzlich dazu wurde noch Chitosan mit einem geringen Molekulargewicht (LMW, 50-190 kDa, DA: 75-85 %), Trimethylchitosan (TMC, 50-190 kDa, DA: NA) und Chitosanglycol (400 kDa) untersucht.

ERGEBNISSE

• Für das Einkapseln von CS wurde REF-PLGA (Milch- und Glycolsäure-Ratio 50:50, terminale Säuregruppe, MW: 7-17 kDa) verwendet
• 55-70 % CS-Absorption auf der PLGA-NP Oberfläche für CS HCl, TMC, CMC und Glycol CS, für LMC, Oligomer und CS Glutamat lag sie nur unter 45 %
• Große Variation des Zeta-Potentials von CS-PLGA-NPs von -30 mV (Glycol CS) und +30 mV (CMC)
• Große Unterschiede in Absorptionseffizienz von PspA4Pro abhängig vom CS: unter 10 % für CMC und Oligomer, über 90 % für CS HCl, Glutamat und Glycol CS
• Verschiedene Expressionen von CD40 und CD86 in JAWSII-Zellen: größte Steigerung bei CS HCl im Vergleich zu reinen PLGA-NPs, wenig Unterschiede bei CMC und Oligomer → vermutlich eine geringere intrinsische Immunogenität
• Abhängig von CS Ausgangskonzentration (0,2 – 2 mg/mL) kam es zu keiner Veränderung der Partikelgröße für CS HCl, TMC und zu einer Vergrößerung von bis zu 120 nm für LMC, Glycol CS, vergleichbare Beobachtungen im Bezug auf den PDI
• CS HCl zeigte die höchste Absorptionseffizienz, sowie den höchsten CS Gehalt bei jeder verwendeten Konzentration
• CD40/86 Expression gemischt abhängig von der eingesetzten CS Konzentration, nur LMC proportional von Konzentration abhängig, bei CS HCl kommt es zu einer Plateaubildung

Zusammenfassung: In der Studie wurde festgestellt, dass PLGA-NPs mit negativ geladenen Chitosanen und Chitosanderivaten eine generell schlechtere Immunogenität besaßen als die mit einer positiven Ladung. Große Variationen zwischen den Chitosanen und den Chitosanderivaten gab es sowohl bei der CS-Absorption auf der PLGA-NP Oberfläche, der Absorptionseffizienz von PspA4Pro und der Expression von CD40 und CD86 in JAWSII-Zellen. Insgesamt zeigte sich, dass CS HCl am immunogensten ist, und zudem eine hohe Adsorptionseffizienz sowie eine hohe PspA-Adsorption besitzt.

Link zum Artikel: Evaluation of polymer choice on immunogenicity of chitosan coated PLGA NPs with surface-adsorbed pneumococcal protein antigen PspA4Pro - ScienceDirect