Nanoadjuvan Kitosan dan PLGA: Terobosan Vaksin Ternak Masa Depan yang Mampu Melipatgandakan Kekebalan Hewan!

Strategi Pengembangan Nanoadjuvan Berbasis Polimer untuk Peningkatan Respons Imun pada Vaksin Veteriner

 

ABSTRAK

 

Penyakit infeksius pada hewan ternak ruminansia dan unggas terus menjadi ancaman besar bagi ketahanan pangan, kesehatan hewan, dan ekonomi global. Berbagai penyakit strategis seperti Penyakit Mulut dan Kuku (PMK), Newcastle Disease (ND), dan Avian Influenza (AI) menyebabkan kerugian ekonomi yang signifikan akibat penurunan produktivitas, peningkatan mortalitas, serta hambatan perdagangan internasional. Penggunaan vaksin konvensional sering kali dibatasi oleh rendahnya stabilitas antigen, kebutuhan vaksinasi ulang yang berulang, serta kemampuan yang terbatas dalam menginduksi respons imun seluler yang kuat. Nanoadjuvan hadir sebagai solusi inovatif untuk meningkatkan imunogenisitas vaksin melalui perlindungan antigen dari degradasi biologis, peningkatan pengambilan antigen oleh sel penyaji antigen (Antigen Presenting Cells/APC), serta sistem pelepasan antigen secara terkendali (controlled release).

 

Artikel ini mengulas metode pembuatan nanoadjuvan berbasis polimer alam dan biopolimer yang banyak digunakan dalam bidang veteriner, khususnya kitosan dan poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), serta aplikasinya pada vaksin hewan ruminansia dan unggas. Metode sintesis utama yang dibahas meliputi gelasi ionik (ionic gelation) dan emulsi–evaporasi pelarut (double emulsion solvent evaporation). Hasil berbagai penelitian menunjukkan bahwa nanoadjuvan mampu menghasilkan ukuran partikel yang ideal untuk internalisasi seluler, meningkatkan efisiensi enkapsulasi antigen, memperpanjang retensi antigen di lokasi injeksi, serta memicu respons imun humoral dan seluler yang lebih kuat dibandingkan adjuvan konvensional. Pada unggas, nanoadjuvan kitosan meningkatkan produksi imunoglobulin Y (IgY) dan imunoglobulin A (IgA) mukosal, sedangkan pada ruminansia, nanoadjuvan PLGA mampu mempertahankan pelepasan antigen selama lebih dari 30 hari sehingga meningkatkan titer antibodi IgG dan respons limfosit T. Standardisasi ukuran partikel (100–500 nm), indeks polidispersitas rendah (<0,3), serta muatan permukaan positif menjadi faktor penting dalam keberhasilan formulasi vaksin berbasis nanoteknologi. Pengembangan nanoadjuvan berpotensi menjadi platform generasi baru untuk meningkatkan efektivitas vaksin veteriner yang aman, efisien, dan berkelanjutan.

 

Kata kunci: nanoadjuvan, kitosan, PLGA, vaksin veteriner, ruminansia, unggas, imunogenisitas.

 

1. PENDAHULUAN

 

Sektor peternakan ruminansia dan unggas merupakan salah satu pilar utama dalam penyediaan protein hewani bagi populasi dunia yang terus meningkat. Organisasi Pangan dan Pertanian Dunia (FAO) memperkirakan bahwa kebutuhan protein hewani akan meningkat secara signifikan dalam beberapa dekade mendatang seiring pertumbuhan populasi dan peningkatan pendapatan masyarakat. Namun, peningkatan intensitas produksi ternak juga diikuti oleh meningkatnya risiko penyebaran penyakit infeksius yang dapat menimbulkan dampak ekonomi, sosial, dan kesehatan masyarakat yang luas.

 

Pada ternak ruminansia, penyakit seperti Penyakit Mulut dan Kuku (PMK), Lumpy Skin Disease (LSD), Peste des Petits Ruminants (PPR), dan Brucellosis masih menjadi tantangan utama dalam sistem produksi peternakan. Sementara itu, pada unggas, penyakit Newcastle Disease (ND), Avian Influenza (AI), Infectious Bronchitis (IB), dan Gumboro Disease terus menyebabkan kerugian besar akibat tingginya angka morbiditas dan mortalitas.

 

Vaksinasi merupakan strategi pencegahan yang paling efektif dan ekonomis untuk mengendalikan penyakit tersebut. Namun, efektivitas vaksin konvensional sering kali masih menghadapi berbagai keterbatasan. Vaksin inaktif maupun vaksin subunit umumnya memiliki imunogenisitas yang rendah sehingga memerlukan penggunaan adjuvan untuk meningkatkan respons imun. Adjuvan konvensional seperti aluminium hidroksida (alum), emulsi minyak mineral, dan saponin telah digunakan secara luas, tetapi memiliki beberapa kelemahan, antara lain kemampuan terbatas dalam menginduksi respons imun seluler, risiko reaksi inflamasi lokal, serta kebutuhan dosis booster yang berulang.

 

Perkembangan nanoteknologi telah membuka peluang baru dalam pengembangan sistem penghantaran vaksin. Nanoadjuvan merupakan sistem penghantaran berukuran nano (10–1000 nm) yang berfungsi sebagai pembawa antigen sekaligus penguat respons imun. Ukuran partikelnya yang kecil memungkinkan penetrasi jaringan yang lebih baik, peningkatan penyerapan oleh APC, serta perlindungan antigen terhadap degradasi enzimatik sebelum mencapai target imunologis.

 

Di antara berbagai material yang digunakan, kitosan dan poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) menjadi dua polimer yang paling banyak diteliti dalam pengembangan vaksin veteriner. Kitosan memiliki sifat mukoadhesif dan imunostimulator alami, sedangkan PLGA menawarkan kemampuan pelepasan antigen secara bertahap serta stabilitas formulasi yang tinggi. Oleh karena itu, artikel ini bertujuan mengulas secara komprehensif metode pembuatan nanoadjuvan berbasis kitosan dan PLGA, karakteristik fisikokimianya, serta potensinya dalam meningkatkan efikasi vaksin pada hewan ternak ruminansia dan unggas.

 

2. METODOLOGI

 

2.1 Metode Gelasi Ionik untuk Nanoadjuvan Kitosan

Metode gelasi ionik merupakan teknik yang paling umum digunakan untuk menghasilkan nanopartikel kitosan karena sederhana, tidak memerlukan pelarut organik beracun, dan mampu mempertahankan integritas antigen biologis.

Prinsip metode ini didasarkan pada interaksi elektrostatik antara gugus amina bermuatan positif (-NH₃⁺) pada kitosan dan gugus fosfat bermuatan negatif pada natrium tripolifosfat (TPP).

Persiapan Larutan

Kitosan dengan derajat deasetilasi ≥85% dilarutkan dalam larutan asam asetat 1% (v/v) hingga mencapai konsentrasi 0,2–0,5% (b/v). pH larutan kemudian disesuaikan menjadi 4,5–5,5 menggunakan larutan NaOH 0,1 M.

Inkorporasi Antigen

Antigen vaksin, seperti protein rekombinan virus PMK atau ND, dicampurkan secara perlahan ke dalam larutan kitosan sambil diaduk pada suhu ruang untuk memperoleh distribusi homogen.

Pembentukan Nanopartikel

Larutan TPP 0,1–0,3% (b/v) ditambahkan tetes demi tetes ke dalam larutan kitosan menggunakan syringe pump. Proses dilakukan pada kecepatan pengadukan 800–1200 rpm menggunakan magnetic stirrer selama 30–60 menit pada suhu ruang (25°C).

Terbentuknya nanopartikel ditandai dengan perubahan larutan menjadi suspensi opalesen akibat terbentuknya jaringan polielektrolit antara kitosan dan TPP.

 

2.2 Metode Emulsi–Evaporasi Pelarut untuk Nanoadjuvan PLGA

 

PLGA merupakan polimer hidrofobik yang umumnya diformulasikan menggunakan teknik emulsi ganda atau water-in-oil-in-water (W/O/W).

Emulsi Primer (W/O)

Antigen yang dilarutkan dalam fase air internal (W₁) didispersikan ke dalam larutan PLGA yang dilarutkan dalam diklorometana (DCM) sebagai fase organik (O). Emulsifikasi dilakukan menggunakan probe sonicator pada amplitudo 30–40% selama 30–60 detik.

Emulsi Sekunder (W/O/W)

Emulsi primer kemudian ditambahkan ke dalam larutan polivinil alkohol (PVA) 1–2% (b/v) sebagai fase air eksternal (W₂). Campuran disonikasi kembali selama 1–2 menit untuk membentuk emulsi ganda yang stabil.

Evaporasi Pelarut

Suspensi emulsi diaduk secara kontinu selama 12–18 jam untuk menguapkan DCM. Nanopartikel PLGA yang terbentuk dipisahkan menggunakan sentrifugasi berkecepatan 15.000–20.000 × g selama 20–30 menit, dicuci dengan akuades steril, kemudian dikeringbekukan (freeze-dried) menggunakan krioprotektan seperti trehalosa atau manitol.

 

2.3 Karakterisasi Fisikokimia

 

Ukuran dan Distribusi Partikel

Ukuran partikel dan indeks polidispersitas (Polydispersity Index/PDI) diukur menggunakan Dynamic Light Scattering (DLS).

Potensial Zeta

Muatan permukaan nanopartikel dianalisis menggunakan teknik electrophoretic light scattering. Potensial zeta yang tinggi secara absolut (> ±20 mV) menunjukkan stabilitas suspensi yang baik.

Efisiensi Enkapsulasi (EE%)

Efisiensi enkapsulasi dihitung menggunakan persamaan:

Morfologi Partikel

Morfologi nanopartikel diamati menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) atau Transmission Electron Microscopy (TEM).

Profil Pelepasan Antigen

Pelepasan antigen dianalisis secara in vitro menggunakan media phosphate-buffered saline (PBS) pH 7,4 pada suhu 37°C selama 1–60 hari.

 

3. HASIL DAN DISKUSI

 

3.1 Karakteristik Fisikokimia Nanoadjuvan

Nanopartikel kitosan yang dihasilkan melalui metode gelasi ionik memiliki ukuran rata-rata 150–300 nm dengan indeks polidispersitas (PDI) 0,15–0,30, menunjukkan distribusi ukuran yang relatif homogen.

Potensial zeta berada pada rentang +20 hingga +45 mV, yang memberikan stabilitas koloid yang baik sekaligus meningkatkan interaksi dengan membran sel APC yang bermuatan negatif.

Sebaliknya, nanopartikel PLGA yang diperoleh melalui metode emulsi ganda memiliki ukuran partikel 200–500 nm dengan potensial zeta berkisar antara −5 hingga −25 mV. Meskipun bermuatan negatif, nanopartikel PLGA menunjukkan stabilitas struktural yang tinggi serta kemampuan pelepasan antigen secara bertahap.

Efisiensi enkapsulasi antigen pada nanopartikel PLGA umumnya mencapai 70–90%, lebih tinggi dibandingkan nanopartikel kitosan yang berkisar 50–80%. Tingginya efisiensi enkapsulasi ini sangat penting untuk mengurangi kehilangan antigen selama proses formulasi.

 

3.2 Mekanisme Imunostimulasi Nanoadjuvan

Nanoadjuvan meningkatkan respons imun melalui beberapa mekanisme utama:

1. Melindungi antigen dari degradasi enzimatik.
2. Meningkatkan pengambilan antigen oleh makrofag dan sel dendritik.
3. Memfasilitasi presentasi antigen melalui jalur MHC-I dan MHC-II.
4. Merangsang produksi sitokin proinflamasi seperti IL-2, IFN-γ, dan TNF-α.
5. Menginduksi diferensiasi sel T helper tipe 1 (Th1) dan tipe 2 (Th2).

Ukuran nanopartikel yang menyerupai ukuran patogen alami memungkinkan pengenalan yang lebih efisien oleh sistem imun bawaan sehingga meningkatkan kualitas respons imun adaptif.

 

3.3 Imunogenisitas pada Hewan Ruminansia

Pada sapi, kerbau, kambing, dan domba, penggunaan nanoadjuvan PLGA menunjukkan peningkatan signifikan pada titer antibodi IgG spesifik antigen dibandingkan vaksin konvensional.

Pelepasan antigen secara perlahan selama lebih dari 30–45 hari menghasilkan stimulasi berkelanjutan terhadap sel dendritik dan limfosit B. Selain meningkatkan produksi antibodi, nanopartikel PLGA juga meningkatkan proliferasi limfosit T CD4⁺ dan CD8⁺ yang berperan dalam pembentukan memori imunologis jangka panjang.

Beberapa penelitian menunjukkan bahwa vaksin DNA PMK yang dienkapsulasi dalam nanopartikel PLGA menghasilkan respons antibodi netralisasi yang lebih tinggi dibandingkan vaksin DNA tanpa pembawa nanopartikel.

 

3.4 Imunogenisitas pada Unggas

Pada unggas, terutama ayam pedaging dan ayam petelur, kitosan menunjukkan keunggulan karena sifat mukoadhesifnya yang tinggi. Kitosan mampu berikatan dengan mukus dan memperpanjang waktu kontak antigen dengan jaringan limfoid mukosa.

Selain itu, kitosan dapat membuka sementara struktur tight junction pada epitel saluran pernapasan sehingga meningkatkan penetrasi antigen ke jaringan limfoid terkait mukosa (MALT).

Penelitian menunjukkan bahwa vaksin ND berbasis nanopartikel kitosan mampu meningkatkan:

• Titer antibodi IgY serum.
• Produksi IgA sekretori mukosa.
• Ekspresi IFN-γ dan IL-4.
• Aktivitas sel limfosit T.

Kombinasi respons imun sistemik dan mukosal tersebut memberikan perlindungan yang lebih komprehensif terhadap infeksi lapangan dibandingkan vaksin konvensional.

 

3.5 Tantangan dan Prospek Pengembangan

Meskipun menjanjikan, implementasi nanoadjuvan dalam industri vaksin veteriner masih menghadapi beberapa tantangan, antara lain:

1. Variabilitas ukuran partikel antar-batch produksi.
2. Biaya produksi yang relatif lebih tinggi dibanding adjuvan konvensional.
3. Kebutuhan standardisasi metode karakterisasi.
4. Regulasi keamanan nanopartikel dalam produk veteriner.
5. Skalabilitas produksi industri.

Perkembangan teknologi mikrofluida, spray drying, dan kecerdasan buatan untuk optimasi formulasi diperkirakan akan mempercepat komersialisasi vaksin berbasis nanoadjuvan pada masa mendatang.

 

4. KESIMPULAN

 

Teknologi nanoadjuvan berbasis kitosan dan PLGA menawarkan pendekatan inovatif untuk meningkatkan efektivitas vaksin veteriner pada hewan ruminansia dan unggas. Metode gelasi ionik menghasilkan nanopartikel kitosan berukuran kecil, bermuatan positif, dan memiliki sifat mukoadhesif yang sangat sesuai untuk vaksinasi mukosal pada unggas. Sebaliknya, metode emulsi ganda PLGA menghasilkan sistem penghantaran antigen dengan efisiensi enkapsulasi tinggi dan pelepasan terkendali yang ideal untuk vaksinasi sistemik pada ruminansia.

 

Karakteristik fisikokimia yang optimal meliputi ukuran partikel 100–500 nm, indeks polidispersitas <0,3, potensial zeta >|20| mV, serta efisiensi enkapsulasi >70%. Parameter tersebut berkontribusi terhadap peningkatan respons imun humoral maupun seluler.

 

Berdasarkan berbagai hasil penelitian, nanoadjuvan berbasis polimer berpotensi menjadi platform generasi baru dalam pengembangan vaksin veteriner yang lebih efektif, aman, stabil, dan berkelanjutan untuk mendukung ketahanan pangan global.

 

Metode gelasi ionik berbasis kitosan dan metode emulsi ganda berbasis PLGA mampu menghasilkan nanoadjuvan dengan ukuran optimal 100–500 nm yang terbukti meningkatkan respons imun humoral dan seluler secara signifikan pada hewan ruminansia maupun unggas. Pengembangan lebih lanjut menuju produksi skala industri dan standardisasi mutu diharapkan dapat mempercepat pemanfaatan teknologi ini dalam program vaksinasi veteriner modern.

 

DAFTAR REFERENSI

 

Awaad, M. H., Amer, A. F., El-Hamid, M. I. A., Ibrahim, H. H., Ibrahim, A., & Alzahrani, A. M. (2019). Evaluation of chitosan nanoparticles as a carrier for Newcastle disease virus vaccine in chickens. Veterinary World, 12(11), 1722–1728.

 

De Geest, B. G., Willart, M. A., Lambrecht, B. N., & Pollard, C. (2017). Polymeric nanoparticles as vaccine adjuvants. Advanced Drug Delivery Reviews, 114, 21–32.

 

Gupta, N. K., Tomar, P., Sharma, V., & Dixit, V. K. (2020). Technological advancements in ruminant vaccination using polymeric nanocarriers. Journal of Controlled Release, 321, 450–467.

 

Sari, N. P., & Budiman, A. (2021). Aplikasi teknologi nano pada sistem penghantaran vaksin veteriner di Indonesia: Sebuah ulasan. Jurnal Ilmu Peternakan dan Veteriner, 26(2), 89–99.

 

Zhao, K., Zhang, Y., Zhang, X., Shi, C., Wang, X., Wang, X., Jin, Z., Cui, B., Li, Y., & He, Q. (2018). Preparation and efficacy of PLGA nanoparticles loaded with Foot-and-Mouth Disease virus DNA vaccine. Vaccine, 36(5), 677–684.

 

Danhier, F., Ansorena, E., Silva, J. M., Coco, R., Le Breton, A., & Préat, V. (2012). PLGA-based nanoparticles: An overview of biomedical applications. Journal of Controlled Release, 161(2), 505–522.

 

Smith, D. M., Simon, J. K., & Baker, J. R. (2013). Applications of nanotechnology for immunology. Nature Reviews Immunology, 13(8), 592–605.

 

Gregory, A. E., Titball, R., & Williamson, D. (2013). Vaccine delivery using nanoparticles. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 3, 13.

 

Perrie, Y., Mohammed, A. R., Kirby, D. J., McNeil, S. E., & Bramwell, V. W. (2008). Vaccine adjuvant systems: Enhancing the efficacy of sub-unit protein antigens. International Journal of Pharmaceutics, 364(2), 272–280.

 

Borges, O., Cordeiro-da-Silva, A., Romeijn, S. G., Amidi, M., de Sousa, A., Borchard, G., & Junginger, H. E. (2006). Uptake studies in rat Peyer's patches using biodegradable nanoparticles. Journal of Controlled Release, 114(3), 348–358.

 

#Nanoadjuvan
#VaksinVeteriner
#KitosanPLGA
#KesehatanTernak
#InovasiPeternakan