Memahami Nanoteknologi Vaksin COVID-19

Nanopartikel lipid adalah komponen penting dari vaksin Pfizer / BioNTech dan Moderna mRNA COVID-19 baru, yang memainkan peran kunci dalam melindungi dan mengangkut mRNA secara efektif ke tempat yang tepat di dalam sel. Mereka adalah liposom generasi berikutnya yang menggunakan nanoteknologi dan sangat cocok untuk pengiriman berbagai terapi yang stabil dan efisien.

 

Meskipun vaksin mRNA telah menerima banyak perhatian global karena merupakan jenis vaksin baru, nanopartikel lipid telah memegang posisi yang diakui dalam arus utama sistem penghantaran obat (DDS) sejak penemuan liposom pada 1960-an. Mari kita lihat lebih dekat apa itu liposom, evolusi dan potensinya untuk digunakan di industri lain.

 

Liposom - prekursor nanopartikel lipid

Liposom adalah vesikula bilayer lipid tertutup yang secara spontan terbentuk di dalam air (lihat gbr. 1A) - pada dasarnya adalah kapsul lemak. Liposom tersebut ditemukan pada 1960-an dan potensinya sebagai sistem penghantaran obat yang efektif hampir segera dikenali. Selama beberapa dekade terakhir, para ilmuwan telah mengerjakan desain liposom untuk mengontrol di mana mereka bertindak, berapa lama mereka bersirkulasi di dalam tubuh, dan di mana serta kapan isinya dilepaskan.

 

Liposom telah terbukti menjadi platform pembawa nano yang sangat serbaguna karena dapat mengangkut obat hidrofilik di dalam interior berair tertutup, atau obat hidrofobik di dalam wilayah rantai hidrokarbon dari lapisan ganda lipid (lihat gambar 1B).

 

Liposom sangat penting dalam terapi, memajukan pengobatan, dan telah digunakan dalam berbagai uji klinis untuk antikanker, anti-inflamasi, antibiotik, antijamur, dan pemberian obat anestesi serta untuk pengiriman terapi gen. Faktanya, liposom adalah platform pengiriman nanomedicine pertama yang berhasil berpindah dari konsep ke aplikasi klinis. Ada sejumlah sediaan farmasi yang disetujui, misalnya, Doxil untuk pengiriman penghambat kimiawi doxorubicin untuk mengobati kanker ovarium dan Epaxal untuk pengiriman antigen protein sebagai vaksin hepatitis, dan banyak lagi yang akan segera tersedia. Memahami bagaimana mereka dikembangkan akan membantu kami membuka potensi penggunaan di masa depan.

Gambar 1. Representasi skematis dari: (A) liposom; (B) liposom yang membungkus obat hidrofobik dan hidrofilik; (C) imunoliposom difungsikan dengan ligan penargetan; (D) liposom distabilkan secara steril ("siluman") yang difungsikan dengan polimer inert seperti PEG.

 

Evolusi sebagai sistem pengiriman obat yang ditargetkan

Terlepas dari manfaatnya, liposom memiliki beberapa kelemahan: mereka memiliki waktu sirkulasi yang singkat dalam aliran darah, tidak stabil dalam tubuh manusia, dan kurang penargetan selektif. Ada beberapa perkembangan utama dalam konstruksi mereka untuk mengatasi tantangan ini:

 

1. Untuk meningkatkan penargetan jaringan, permukaan liposom telah dimodifikasi dengan ligan atau antibodi yang memungkinkan liposom untuk mengenali dan mengikat reseptor spesifik pada sel (Gambar 1C). Ini disebut sebagai imunoliposom.

 

2. Untuk meningkatkan umur panjangnya dalam aliran darah, permukaannya telah dilapisi dengan polimer inert biokompatibel seperti PEG (Gambar 1D), yang tidak terdeteksi.

 

3. Untuk memberikan pelepasan terkontrol dari obat yang dienkapsulasi, para ilmuwan telah merancang liposom yang responsif terhadap rangsangan yang sensitif terhadap suhu dan tingkat pH. Permeabilitas membran ditingkatkan selama transisi fase lipid yang dipicu rangsangan dalam formulasi.

 

Nanopartikel lipid memiliki arsitektur lipid internal yang lebih kompleks dan keberadaan cairan internal yang minimal daripada liposom tradisional. Stabilitas fisik ditingkatkan lebih lanjut telah dicapai dengan pengembangan nanopartikel lipid padat (SLN) dan pembawa lipid berstruktur nano (NLC), mengatasi salah satu keterbatasan utama formulasi berbasis emulsi. Kubosom adalah perbaikan terbaru yang merupakan nanopartikel sangat stabil yang dibentuk dari lipid dalam fase kubik dan distabilkan oleh korona luar berbasis polimer.

 

Nanopartikel Lipid Kationik sebagai pembawa asam nukleat

Banyak dari molekul obat saat ini adalah molekul kecil dan biologis. Namun, semakin banyak ilmuwan yang beralih dari biofarmasi tradisional ke terapi yang lebih kompleks dan terspesialisasi termasuk oligonukleotida (molekul berbasis RNA, mRNA, siRNA, dan DNA) yang dapat melawan penyakit pada tingkat genetik.

 

Obat-obatan berbasis asam nukleat adalah kategori baru biologi yang sangat menarik yang telah muncul dan tantangan utama dalam pengadopsiannya adalah memastikan penyampaiannya yang efisien. Ini karena sifat fisiokimia asam nukleat, seperti muatan negatif dan hidrofilisitas, mencegah difusi pasif melintasi membran plasma. Mereka juga rentan terhadap degradasi nuklease. Misalnya, mRNA bebas, cepat rusak di dalam tubuh, sehingga mengurangi keefektifannya.

 

Untuk mencegah hal ini, dan meningkatkan stabilitas, diperlukan teknologi canggih, dan di sinilah nanopartikel lipid berperan. Saat ini, sistem vektor non-virus yang paling banyak digunakan mencakup lipid sintetik bermuatan positif (kationik). Ini membentuk kompleks stabil yang dikenal sebagai lipoplex dengan asam nukleat bermuatan negatif (anionik). Dihiasi oleh lipid bermuatan positif (lihat gambar 2), asam nukleat lebih stabil dan tahan terhadap degradasi nuklease.

Gambar. 2. Struktur pembawa vaksin nanopartikel lipid yang disarankan: mRNA diatur dalam misel lipid terbalik di dalam nanopartikel (A); mRNA diinterkalasi antara lapisan ganda lipid (B1).

 

Reaksi alergi terhadap vaksin mRNA COVID-19

Terlepas dari keuntungan yang jelas untuk pemberian obat, nanopartikel lipid memiliki efek samping yang tidak diinginkan; mereka berpotensi memicu reaksi alergi, terutama bagi mereka yang menderita alergi parah. Namun, reaksi jarang terjadi dan para peneliti memperkirakan tingkat 1,1 kasus anafilaksis untuk setiap juta dosis pertama vaksin Pfizer / BioNTech COVID-19.

 

Komposisi nanopartikel lipid sangat mirip untuk dua vaksin (Pfizer / BioNTech dan Moderna): lipid kationik yang dapat terionisasi, lipid PEGilasi, kolesterol, dan fosfolipid distearoylphosphatidylcholine (DSPC) sebagai lipid pembantu. Para ilmuwan percaya bahwa reaksi ini terkait dengan komponen PEG-lipid dari vaksin karena risiko sensitisasi tampaknya lebih tinggi dengan formulasi yang terdiri dari PEG dengan berat molekul lebih tinggi seperti PEG3350 - PEG5000. Perlu dicatat bahwa vaksin mRNA hanya mengandung MW PEG2000.

 

Tabel 1. Konstituen kendaraan nanopartikel lipid dari vaksin mRNA

Gambar. 3. Struktur lipid dari LNP pengiriman mRNA

 

Aplikasi masa depan untuk Nanopartikel Lipid

Sementara nanopartikel lipid mendorong batasan untuk pengiriman obat, mereka juga bisa memiliki potensi besar dalam industri kosmetik, kosmetik dan nutrisi sebagai pembawa alternatif untuk emulsi.

 

Ada banyak aplikasi yang menjanjikan, misalnya, ideal untuk aplikasi kosmetik pada kulit, memberikan pelepasan zat aktif yang terkontrol dan penetrasi yang ditingkatkan untuk meningkatkan hidrasi kulit. Selain itu, stabilitas fisik dan kompatibilitasnya yang sangat baik dengan bahan lain berarti dapat ditambahkan ke formulasi yang ada dengan mudah. Menggunakan sistem ini berarti pengemulsi tidak diperlukan, memungkinkan para ilmuwan untuk membuat produk berkualitas lebih tinggi.

 

Sumber Referensi

Rumiana Tenchov. 2021. Understanding the nanotechnology in COVID-19 vaccines.  Information Science, CAS. https://www.cas.org/resource/blog/understanding-nanotechnology-covid-19-vaccines. Diakses tanggal 5 Mei 2021.

¹Kulkarni, J. A., Thomson, S. B., Zaifman, J., Leung, J., Wagner, P. K., et al. (2020) Spontaneous, solvent-free entrapment of siRNA within lipid nanoparticles. Nanoscale 12, 23959-23966.