La somministrazione dei vaccini alla mucosa nasale (il portale d'ingresso di molti patogeni respiratori) può provocare una forte immunità locale e bloccare le infezioni alla loro origine. Il successo dei vaccini antinfluenzali intranasali e la recente approvazione dei vaccini COVID-19 intranasali sottolineano l'efficacia della via nasale nell'indurre sia risposte immunitarie mucose chesistemiche. La somministrazione intranasale dei vaccini a mRNA sta quindi suscitando grande interesse come strategia per prevenire infezioni virali respiratorie. Una delle principali sfide tecniche, tuttavia, è convertire i fragili poliplex di mRNA in aerosol inalabile senza comprometterne la stabilità.
L'aerosolizzazione per rottura di Rayleigh offre un'alternativa gentile operando su un principio fisico diverso. In un dispositivo di rottura Rayleigh, un flusso liquido pressurizzato viene spinto attraverso un orifizio in scala microscopica per formare un micro-getto continuo. Il getto si rompe naturalmente in gocce di dimensioni uniformi a causa dell'instabilitàPlateau-Rayleigh 2. La tensione superficiale fa sì che la colonna del liquido si frammenti a una lunghezza d'onda caratteristica circa il doppio del diametro dell'ugello. A differenza della nebulizzazione ultrasonica, questo processo introduce praticamente nessuna scia di taglio turbolenta; Le gocce si formano naturalmente dall'autoinstabilità del getto, non dalle forze di frantumazione esterne. Di conseguenza, le formulazioni di nanoparticelle subiscono uno stress minimo. È stato dimostrato che l'uso della rottura di Rayleigh può aerosolizzare gli mRNA di nanoparticelle lipidiche (LNP) senza cambiamenti significativi nella loro dimensione, carica superficiale o efficienza di incapsulamento prima rispetto a dopola spruzzatura 3,4,5. In questo metodo, il PEI-mRNA rimane intatto e funzionale dopo l'aerosolizzazione, a differenza del deterioramento osservato con tecniche di nebulizzazione più dure.
Un altro vantaggio della frammentazione di Rayleigh è il controllo sulla dimensione delle gocce. Le gocce generate sono relativamente grandi (dell'ordine di 20-30 μm). Questa dimensione delle goccioline è ideale per la somministrazione nasale: particelle di diametro aerodinamico di >10 μm tendono a depositarsi nel naso e nelle vie aeree superiori piuttosto che a spostarsi neipolmoni 3. Producendo goccioline per lo più sopra questa soglia, l'atomizzatore di Rayleigh mira naturalmente alla deposizione nella cavità nasale. Il targeting viene ulteriormente potenziato utilizzando il modello Alberta Idealized Nasal Inlet (AINI) per ottimizzare le tecniche di somministrazione. L'AINI è una replica delle vie aeree nasale stampata in 3D che prevede con precisione i modelli di deposizione spray in vivo 6. Utilizzando questo modello, è stato riscontrato che spruzzare con un angolo di 45° nella narice aumenta notevolmente la deposizione aiturbinati 7. L'aspetto amministrativo influisce significativamente sul modellodi deposizione 7. La deposizione in aree non target come la rigonfiore o i polmoni è indesiderabile, poiché può causare irritazione alla gola, cattivo gusto o effetti collateralisistemici. In questo protocollo, queste condizioni venivano replicate (angolo di spruzzo di 45° e flusso d'aria di inalazione controllato) per massimizzare il deposito da turbinati dell'aerosolmRNA 3. I dati precedenti mostrano che più della metà della massa di mRNA rilasciata può essere focalizzata nella regione dei turbinati in condizioni ottimali, mentre il <10% raggiunge il nasofaringe o oltreil 3. Questa somministrazione mirata dovrebbe migliorare l'efficacia del vaccino concentrando la dose nei siti induttivi dell'immunità (che sono ben vascolarizzati e ricchi di cellule immunitari) e minimizzando contemporaneamente la deposizione fuori target che potrebbe portare a spreco o effetti avversi.
In questo articolo sui metodi, la procedura sperimentale per aerosolizzare l'mRNA tramite la rottura di Rayleigh è descritta in dettaglio, valutando le deposizioni regionali nel modello AINI e valutando l'attività biologica dell'mRNA depositato in vitro. Un mRNA reporter che codifica la GFP viene utilizzato per visualizzare i risultati della trasfezione nelle cellule umane. HEK293T cellule vengono scelte per testare la funzionalità dei complessi aerosolizzati. Per aumentare l'assorbimento cellulare dell'mRNA aerosolizzato in vitro, l'mRNA viene ramificato con PEI per formare poliplex PEI-mRNA prima di essere aggiunto alle cellule. Il PEI è un agente di trasfezione polimerica cationica che può migliorare l'efficienza della somministrazione dell'mRNA, e qui è stato utilizzato un rapporto molare N:P (azoto: fosfato) di 24:1 basato su ottimizzazioni precedenti per la somministrazione genica. La PEI viene utilizzata solo per la fase di validazione della coltura cellulare in questo studio e non fa parte della somministrazione dell'aerosol a un vero naso (in vivo si farebbe affidamento solo sull'LNP-mRNA, ma in coltura cellulare questo aiuta a massimizzare l'espressione genica per la rilevazione).
Questo protocollo mette in evidenza un nuovo approccio per la somministrazione intranasale del vaccino mRNA che affronta il problema della stabilità dell'aerosolizzazione dell'mRNA. La frammentazione di Rayleigh è stata applicata solo di recente alla somministrazione di acidi nucleici inalcuni studi 3,4,5,9, e questo lavoro fornisce una guida metodologica dettagliata per implementare questa tecnica. Seguendo questa procedura passo dopo passo, i ricercatori possono riprodurre la delicata aerosolizzazione dei nanoportatori di mRNA e valutarne le caratteristiche di deposizione e trasfezione. La sezione Protocollo qui sotto è organizzata in parti sequenziali: (1) formulazione PEI-mRNA; (2) Caratterizzazione delle nanoparticelle (dimensione e potenziale zeta) prima e dopo l'aerosolizzazione; (3) Funzionamento dell'atomizzatore di rottura di Rayleigh e procedura di deposizione nasale AINI. Vengono annotate considerazioni chiave per il successo, come il mantenimento di condizioni prive di RNase e il corretto allineamento del dispositivo. I risultati e la discussione includono risultati rappresentativi, vantaggi del metodo rispetto agli approcci convenzionali, potenziali applicazioni (ad esempio, vaccini nasali per influenza oCOVID-19 10,11,12), oltre a limitazioni e consigli per la risoluzione dei problemi. Questa metodologia completa mira a consentire esperimenti riproducibili di somministrazione di mRNA intranasale e ad accelerare lo sviluppo di vaccini a RNA mucoso senza aghi.