Penggunaan Nanopartikel Lipid untuk Vaksin mRNA

 

 Abstrak Grafis

 

Nanopartikel Lipid dalam Pengembangan Vaksin mRNA untuk COVID-19

 

RINGKASAN

Penyakit coronavirus (COVID-19) pertama kali dilaporkan pada Desember 2019 di Provinsi Hubei, Tiongkok. Hingga 9 Desember 2021, sindrom pernapasan akut parah akibat coronavirus-2 (SARS-CoV-2) telah menginfeksi 266.018.810 orang di seluruh dunia dengan 5.265.092 kematian. Wabah pandemi COVID-19 telah menyebabkan krisis kesehatan masyarakat yang parah di seluruh dunia. Asam nukleat telah berkembang sebagai kandidat potensial untuk mengobati berbagai penyakit.

 

Nanopartikel lipid (Lipid Nanoparticles atau LNP) memiliki potensi besar untuk mengantarkan asam nukleat, termasuk mRNA. Dua vaksin berbasis mRNA, yaitu BNT162b2 (Pfizer-BioNTech) dan mRNA-1273 (Moderna), telah diberikan izin penggunaan darurat (Emergency Use Authorization atau EUA) oleh Badan Pengawas Obat dan Makanan Amerika Serikat (US-FDA) untuk mencegah COVID-19 yang disebabkan oleh SARS-CoV-2. Kedua vaksin tersebut dikembangkan menggunakan teknologi LNP.

Artikel ini berfokus pada diskusi potensi aplikasi LNP dalam pengembangan dan pengantaran vaksin mRNA untuk COVID-19.

1.  Nanopartikel Lipid

 

Dr. Alec D. Bangham, seorang ahli hematologi asal Inggris, adalah orang pertama yang mendeskripsikan liposom pada tahun 1961 di Babraham Institute, Cambridge. Pada awal tahun 1970-an, G. Gregoriadis mengusulkan bahwa liposom dapat digunakan sebagai pembawa untuk penghantaran obat. Liposom adalah vesikel mikroskopis yang terdiri atas membran fosfolipid bilayer yang serupa dengan membran sel. Liposom dapat digunakan untuk mengantarkan berbagai zat, termasuk obat yang bersifat hidrofilik maupun hidrofobik, zat diagnostik, protein, DNA, dan RNA. Liposom melindungi obat yang dikandungnya dari enzim metabolik dan lingkungan biologis.

 

Liposom konvensional mudah dikeluarkan dari darah. Oleh karena itu, liposom yang distabilisasi secara sterik (stealth liposomes) diperkenalkan untuk menghindari eliminasi cepat dari darah serta memberikan karakteristik farmakokinetik yang lebih menguntungkan setelah pemberian. Hal ini dilakukan dengan melapisi permukaan liposom menggunakan zat hidrofilik, biasanya turunan polietilen glikol (PEG). Selain itu, komposisi bilayer lipid dapat dimodifikasi sehingga memungkinkan pembentukan kompleks dengan gen dan transportasi obat ke dalam sitosol melalui jalur endosom/ lisosom.

 

Formulasi berbasis liposom pertama kali diperkenalkan di pasaran pada awal 1990-an. Istilah lipid nanoparticle (LNP) mulai digunakan pada awal 1990-an. LNP berbeda dari liposom dalam hal struktur internalnya, di mana LNP membentuk struktur misel di dalam intinya, yang dapat dimodifikasi dengan mengubah parameter formulasi untuk mendapatkan karakteristik yang diinginkan.

 

Nanopartikel telah banyak diteliti untuk penghantaran berbagai jenis obat dan asam nukleat. Dibandingkan dengan nanokarier lainnya, LNP menawarkan beberapa keunggulan, seperti stabilitas yang lebih tinggi, biaya produksi yang lebih rendah, serta kemampuan untuk diproduksi secara massal menggunakan teknik seperti mikrofluidik. LNP juga menunjukkan toksisitas seluler dan imunogenisitas yang lebih rendah dibandingkan liposom. Selain itu, LNP memiliki efisiensi enkapsulasi asam nukleat yang tinggi dengan peningkatan efisiensi transfeksi.

 

Sebuah penelitian oleh Ndeupen et al. pada tikus menunjukkan bahwa LNP yang digunakan dalam vaksin mRNA yang dimodifikasi nukleosida dapat memicu respons inflamasi. LNP menyebabkan peradangan setelah injeksi intradermal dan intramuskular, yang ditandai dengan infiltrasi neutrofil, aktivasi berbagai jalur inflamasi, serta produksi sitokin dan kemokin inflamasi.

 

Kompleksasi asam nukleat dengan lipid bermuatan positif menstabilkan asam nukleat dan melindunginya dari degradasi oleh nuklease, sehingga memungkinkan pengantarannya ke dalam sel. LNP dapat digunakan untuk mengantarkan berbagai jenis obat dan asam nukleat, seperti DNA, mRNA, dan siRNA. Badan Pengawas Obat dan Makanan Amerika Serikat (US-FDA) telah menyetujui Patisiran (Onpattro®), yang mengandung siRNA yang ditargetkan pada transtiretin dalam formulasi LNP, untuk mengobati polineuropati akibat amiloidosis transtiretin herediter.

 

2.  Vaksin mRNA Berbasis Nanopartikel Lipid untuk COVID-19

 

Penghantaran vaksin mRNA yang efektif merupakan tantangan tersendiri. Muatan positif dan sifat hidrofilik asam nukleat menghambat penyebarannya melintasi membran sel. Selain itu, degradasi oleh nuklease endogen serta penyerapan oleh sel fagosit semakin menghambat penghantaran yang efektif. Oleh karena itu, sistem penghantaran yang efisien, seperti nanokarier, diperlukan untuk penghantaran asam nukleat pada tingkat seluler.

 

Berbagai pembawa telah diteliti untuk penghantaran mRNA, termasuk polimer, lipid, dan turunan protein. LNP telah dipelajari secara sistematis dan berhasil digunakan dalam penghantaran siRNA dan mRNA. Saat ini, banyak LNP yang mengandung mRNA sedang dalam tahap uji klinis untuk pengobatan kanker, infeksi virus, dan penyakit genetik. LNP yang terdiri atas lipid kationik sintetis banyak digunakan sebagai pembawa asam nukleat non-virus.

 

Dalam endosom, pH lebih rendah dibandingkan dengan lingkungan ekstraseluler. Oleh karena itu, setelah endositosis, lipid ionizable dalam LNP menjadi terprotonasi dan bermuatan positif, yang dapat menyebabkan destabilisasi membran dan membantu pelepasan endosomal LNP, sehingga memungkinkan pengantaran material yang terenkapsulasi ke dalam sitosol. Di dalam sitosol, mRNA akan diterjemahkan menjadi protein antigenik yang merangsang produksi antibodi oleh sistem kekebalan tubuh.

 

Penghantaran asam nukleat menggunakan LNP melibatkan adsorpsi LNP pada membran plasma sel dan kemudian diambil ke dalam sel melalui endositosis, diikuti dengan pelepasan asam nukleat di dalam sel. Adsorpsi LNP dan fusi dengan membran plasma didorong oleh interaksi elektrostatis antara muatan negatif membran sel dan muatan positif LNP. Setelah LNP memasuki sel, pelepasan asam nukleat dari pembawa kationik terjadi ketika muatan LNP dinetralkan oleh lipid anionik di dalam sel. Hal ini mengganggu struktur nanopartikel dan menghasilkan bentuk nonlamelar yang memungkinkan pelepasan asam nukleat.

 

LNP-mRNA biasanya dibuat dengan metode pencampuran cepat, umumnya menggunakan microfluidic mixers. Salah satu metode yang sering digunakan adalah pengenceran etanol, di mana larutan etanol ditambahkan ke dalam media berair yang menghasilkan pembentukan nanodroplet. Metode ini menunjukkan efisiensi enkapsulasi asam nukleat yang signifikan, di mana molekul mRNA yang terenkapsulasi terlindungi dari degradasi oleh enzim nuklease.

 

LNP terdiri atas lipid struktural, seperti fosfolipid dan kolesterol, serta lipid PEG. Fungsi lipid-lipid ini adalah untuk menstabilkan partikel, mengontrol ukurannya, dan memberikan kompatibilitas dengan darah. Namun, penting untuk memodifikasi sifat kimia dan mengoptimalkan konsentrasi lipid-lipid ini guna memastikan penghantaran mRNA yang efektif.

 

Modifikasi struktural dari turunan kolesterol meningkatkan penyerapan seluler dan distribusi LNP hingga 25 kali lipat. Sementara itu, lipid PEG memengaruhi ukuran partikel, mencegah agregasi dan destabilisasi, serta mengurangi adsorpsi opsonin pada permukaan LNP, sehingga menghindari opsonisasi dan eliminasi oleh sistem retikuloendotelial (RES), serta memperpanjang waktu paruh dalam sirkulasi darah. Lapisan PEG juga dapat membantu navigasi LNP melalui media kental seperti mukus paru. Struktur kimia lipid PEG, termasuk bagian hidrofilik dan hidrofobiknya, memengaruhi ukuran partikel, penetrasi melintasi membran lipid, serta respons imun. Oleh karena itu, struktur dan konsentrasi lipid PEG perlu dioptimalkan untuk mempertahankan efek stealth dari LNP.

 

Dua vaksin berbasis mRNA, yaitu Pfizer-BioNTech (BNT162b2) dan Moderna (mRNA-1273), telah diberikan izin penggunaan darurat (Emergency Use Authorization atau EUA) oleh US-FDA untuk pencegahan COVID-19 yang disebabkan oleh SARS-CoV-2.

Struktur nanopartikel lipid dan nanopartikel lipid berbasis mRNA.

 

SUMBER

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9238147/