このプロトコルは、非ウイルス性mRNAベクターのエアロゾル化のためのレイリー分解プロセスを軽度に示しています。エアロゾル化mRNAベクターの局所沈着は、アルバータ理想化鼻入口(AINI)モデルによって評価されます。ヒト肺細胞における緑色蛍光タンパク質(GFP)の発現は、エアロゾル化された後mRNAベクターの物理化学的および生物学的機能の維持を表します。
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方法論記事
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このプロトコルは、非ウイルス性mRNAベクターのエアロゾル化のためのレイリー分解プロセスを軽度に示しています。エアロゾル化mRNAベクターの局所沈着は、アルバータ理想化鼻入口(AINI)モデルによって評価されます。ヒト肺細胞における緑色蛍光タンパク質(GFP)の発現は、エアロゾル化された後mRNAベクターの物理化学的および生物学的機能の維持を表します。
mRNA治療薬の鼻腔内投与は、ワクチン接種や呼吸器疾患治療において有望な戦略であり、病原体侵入部位で直接免疫活性化を提供します。しかし、従来のエアロゾル化方法(例:超音波や高圧ネブライザー)は、過剰なせん断力により非ウイルス性mRNAベクターを劣化させ、mRNAの構造的完全性や生物学的活性を失わせます。レイリー分解鼻用アトマイザーを用いてポリエチレンイン(PEI)-mRNAベクターを優しくエアロゾル化し、均一な液滴にしました。グリーン蛍光タンパク質(GFP)をコードするmRNAはカチオン性ポリプレックスに製剤され、エアロゾル化前後の特性を明らかにしました。レイリー破壊プロセスは、最小限のせん断で連続したマイクロジェット液滴を形成し、ナノ粒子の物理化学的性質を保持します。エアロゾル化前後で一貫した粒子サイズ、低い多分散指数、安定したゼータ電位が観察され、レイリー分解によるエアロゾル化によりmRNAポリプレックスの物理化学的特性が良好に保存されていることが確認されました。アルバータ州の理想化された鼻腔入口(AINI)モデルを用いて、PEI-mRNAエアロゾルを投与しました。エアロゾル化されたmRNAは主に鼻甲介領域に沈着しました。鼻咽頭または肺相当部では無視できる分数が見つかりませんでした。さらに、エアロゾル化された後mRNAポリプレックスはA549ヒト肺上皮細胞に成功裏に届けられ、検出可能なGFP発現を生じさせました。このプロトコルは、レイリー分解エアロゾル化を用いた非破壊的な鼻腔内mRNA送達法を示しています。非ウイルス性mRNAベクターの物理化学的特性と生物学的機能を効果的に維持し、水相を適切なサイズの滴に原子化して標的鼻の沈着に適しています。このプロトコルは、mRNAを効果的にエアロゾル化し、鼻腔内での局所沈着を評価する新しいアプローチを明らかにします。
多くの呼吸器病原体の入口である鼻粘膜にワクチンを届けることで、強力な局所免疫を誘発し、感染源を阻止することができます。鼻腔内インフルエンザワクチンの成功と最近の鼻腔内COVID-19ワクチンの承認は、粘膜および全身免疫応答の両方を誘導する鼻腔経路の有効性を強調しています。そのため、mRNAワクチンの鼻腔内投与は呼吸器ウイルス感染予防の戦略として大きな関心を集めています。しかし、大きな技術的課題は、脆弱なmRNAポリプレックスをその安定性を損なうことなく吸入可能なエアロゾルに変換することです。
レイリー破壊エアロゾル化は、異なる物理原理で動作することで穏やかな代替手段を提供します。レイリー破壊装置では、加圧された液体の流れを微小なオリフィスを通して連続的なマイクロジェットを形成します。ジェットはプラトー・レイリー不安定性により自然に均一な大きさの水滴に分解されます。表面張力により、ノズル径の約2倍の特性波長で液体カラムが破片化します。超音波ネブライゼーションとは異なり、このプロセスはほとんど乱流せん断を発生させません。液滴は外部の破壊力ではなく、ジェットの自己不安定性によって自然に形成されます。その結果、ナノ粒子の配合は最小限のストレスを受けます。レイリー分解法を用いることで、脂質ナノ粒子(LNP)mRNAを、噴霧前後でサイズ、表面電荷、封閉効率に有意な変化なくエアロゾル化できることが示されています。この方法では、エアロゾル化後もPEI-mRNAは残り機能的であり、より厳しいネブライゼーション技術で見られる劣化とは対照的です。
レイリー破壊のもう一つの利点は、液滴の大きさを制御できることです。生成される液滴は比較的大きく(約20〜30μmの大きさです)。この滴の大きさは鼻腔への送達に理想的です。空気力学的直径>10μmの粒子は肺に流出するのではなく、鼻や上気道に沈着する傾向があります3。レイリーのアトマイザーは、主にこの閾値より上に液滴を生成することで、自然に鼻腔への沈着をターゲットにします。さらに、アルバータ理想化された鼻入口(AINI)モデルを用いて投与技術を最適化することで、ターゲット化を強化します。AINIは3Dプリントされた鼻腔気道レプリカで、in vivo のスプレー沈着パターンを正確に予測します。このモデルを用いると、鼻孔に45°の角度で噴霧すると、鼻甲介への沈着が大幅に増加することがわかりました。投与角度は堆積パターンに大きな影響を与えます。鼻咽頭や肺のような標的外の部位への沈着は望ましくなく、喉の刺激、味覚、または全身的な副作用を引き起こす可能性があります。このプロトコルでは、これらの条件(45°の噴霧角度と制御された吸気気流)が再現され、mRNAエアロゾル3の甲介沈着を最大化しました。以前のデータでは、最適な条件下で投与されたmRNA質量の半分以上が鼻鼻腔領域に集中でき、<10%が鼻咽頭または3%以上に達することが示されています。この標的的投与は、免疫の誘導部位(血管が豊富で免疫細胞が豊富である)に投与量を集中させることで、同時に廃棄物や副作用を引き起こす可能性のある標的外沈着を最小限に抑えることで、ワクチンの有効性を向上させることが期待されています。
本方法論文では、レイリー分解によるmRNAのエアロゾル化実験手順を詳細に説明し、AINIモデルにおける局所沈着の評価と、培養されたmRNAの vitroでの生物学的活性の評価を行っています。GFPをコードするリポーターmRNAは、ヒト細胞におけるトランスフェクションの結果を可視化するために用いられます。HEK293Tセルはエアロゾル化した複合体の機能性を試験するために選ばれます。 vitroでエアロゾル化されたmRNAの細胞取り込みを促進するために、mRNAはPEIと分岐し、PEI-mRNAポリプレックスを形成してから細胞に付加します。PEIは陽イオン性ポリマートランスフェクション剤であり、mRNAの送達効率を向上させることができます。ここでは、遺伝子送達の最適化に基づきN:P(窒素:リン酸)モル比24:1が用いられています。PEIは本研究における細胞培養検証段階のみに使用され、実際の鼻へのエアロゾル投与には含まれていません(生体内では LNP-mRNAのみに頼りますが、細胞培養では遺伝子発現の検出を最大化するのに役立ちます)。
本プロトコルは、mRNAのエアロゾル化による安定性の問題に対処する鼻腔内mRNAワクチン投与の新しいアプローチを強調しています。レイリー破壊法は最近、核酸送達に3、4、5、9のいくつかの研究で適用されており、本研究はこの技術を実装するための詳細な方法論的指針を提供します。このステップバイステップの手順に従うことで、研究者はmRNAナノキャリアの穏やかなエアロゾル化を再現し、その沈着およびトランスフェクション特性を評価できます。以下のプロトコルセクションは順次構成されています:(1) PEI-mRNAの製剤;(2) エアロゾル化前後のナノ粒子特性評価(サイズおよびゼータ電位);(3) レイリー分解アトマイザーの操作およびAINI鼻付け手順。RNaseフリーの状態や適切なデバイスアラインメントの維持など、成功の重要な考慮点が記載されています。結果と議論には、代表的な結果、従来の手法に対するこの方法の利点、潜在的な応用例(例:インフルエンザやCOVID-19の鼻ワクチン10,11,12)、および限界やトラブルシューティングのヒントが含まれています。この包括的な手法は、再現可能な鼻腔内mRNA送達実験を可能にし、針を使わない粘膜RNAワクチンの開発を加速させることを目指しています。
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注:PEI-mRNAトランスフェクション前に、Dulbecco's Modified Eagle Medium(DMEM)に10%胎児用牛血清(FBS)および2%ペニシリン-ストレプトマイシンを補足した完全培地でHEK293TおよびA549細胞株を培養しました。合流に達すると約48時間ごとに両方の細胞株を通過させます。種子細胞は密度40,000個/cm²で、培養時間は約48時間です。培養培地を除去し、トランスフェクション直前にリン酸緩衝生理食塩水(PBS)で細胞を洗浄し、残留血清を除去し、トランスフェクション条件を標準化します。使用前にすべての細胞培養フラスコ、24ウェルプレート、PBS、ピペット、ピペットチップをオートクレーブしてください。
1. PEI-mRNA製剤
2. ナノ粒子の特徴評価(サイズおよびゼータ電位)
注意:サイズやゼータ電位を測定する前に、ソフトウェアで測定パラメータを設定し、 メソッド として保存してください。 この方法 の設定は機器を動作させるために必要であり、パラメータは測定環境、使用するキュベット、試料の特性に依存します。
3. レイリー破壊エアロゾル化と鼻の沈着
4. 細胞イメージング
注意:トランスフェクション後はトランスフェクション培地を取り出し、新しい完全培地に置き換えて曝露を終了させます。レポーターの発現と細胞回復を可能にするために48時間の培養細胞を行います。~80%の合流率で細胞を4%ホルムアルデヒドで8分間固定し、その後4',6-ジアミジノ-2-フェニリンドール(DAPI;300 nM)で核を5分間染色し、その後2回のPBS洗浄を行ってからイメージングを行います。
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方法論に焦点を当てた原稿として、詳細な結果は主な目的ではありません。しかし、プロトコルの各部分の期待される結果を示す代表的な結果が提示されています。以下の図は手法の妥当性を支持する例データ(例:グラフや画像)を示していますが、実証以上の新たな定量的分析は含まれていません。
液滴の大きさと沈着パターン:
レイリーの破壊アトマイザーは、図1に示すように、エアロゾル化前後の測定にわずかな差があるものの、mRNAポリプレックスの物理化学的特性を保持しました。この装置は均一な滴の細かい噴霧を生み出し、主に鼻のモデルの意図した領域に沈着しました。成功したmRNAポリプレックスは、一般的に直径が100〜150nmの範囲5で、PDIは低い(<0.3)4であり、比較的均一な集団を示しています。図1<...
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このプロトコルでは、製剤をエアロゾル化する前にmRNAにPEIを分岐させ、細胞の取り込みを促進します。これはin vitro検証中のLNP-mRNA送達の代理として機能します10,15。PEI-mRNAは、重要な生物学的および機能的特性を含むLNP製剤のほとんどの機能を保存します10。PEIの正に帯電したアミン基は、静電相互作用を通じて負に帯電したmRNAと結合し、200 nm未満のナノスケールアセンブリを形成します。PEI-mRNA凝縮液は細胞をトランスフェクトし、in vitroで翻訳できるほど安定しています。PEI-mRNAは高い細胞取り込みを示し、発現プロファイル10がよく観察されているため、細胞内のGFP発現を検出するための堅牢なin vitroレポーターシステムとして機能し、エアロゾル化後のPE...
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著者たちは何も明かすことはありません。
著者らはキングス・カレッジ・ロンドンからの資金援助とキングス・カレッジ・ロンドンからの学生機会基金からの資金援助を認めました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 50 mL遠心分離機チューブ | シグマ・オルドリッチ社 | CLS430829-500EA | |
| 50–1000 & mu;Lピペットチップ | シグマ・オルドリッチ社 | Z740031-1000EA | |
| A549細胞株 | アメリカン・タイプ・カルチャー・コレクション | ATCC CRM-CCL-185 | |
| エアフローメーター | 該当なし | 該当なし | 一般的な空気流量計が使用されることがあります。 |
| アルバータ理想化された鼻入口(AINI)モデル | TSIインコーポレイテッド(コプリー・サイエンティフィック経由、英国) | 0001-01-8540 | |
| オートクレーブ表示テープ | シグマ・オルドリッチ社 | Z744090 | |
| ダピ | シグマ・オルドリッチ社 | D1306 | |
| DMEM(ダルベッコ改良型イーグル・ミディアム) | Gibco、サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 11966025 | |
| エチルアルコール、純粋 | シグマ・オルドリッチ社 | 32221-M | メルク経由で購入 |
| 胎児用牛血清(FBS) | Gibco、サーモフィッシャー・サイエンティフィック | A5256701 | |
| ホルムアルデヒド | シグマ・オルドリッチ社 | F8775 | |
| HEK293T細胞株 | アメリカン・タイプ・カルチャー・コレクション | ATCC CRL-3216 | |
| ヘレウスHERAsafe HS 12バイオセーフティキャビネット | ヘレウス | 該当なし | |
| 次世代インパクター | MSP(MSP)はTSIの一部門です | 0170-01-1000 | この製品はコプリーカタログのパート番号5201にも掲載されています。 |
| ニコン DS-Qi2 モノクロ顕微鏡カメラ | ニコン | 該当なし | |
| Nunc細胞培養処理マルチディッシュ | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 142475 | |
| Nunc EasYFlask細胞培養処理フラスコ | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 156340 | |
| パラフィルム | シグマ・オルドリッチ社 | P7793-1EA | |
| ペニシリン・ストレプトマイシン(10,000 U/mL) | Gibco、サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 15140148 | |
| リン酸塩緩衝生理食塩水(PBS)錠剤 | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 18912014 | |
| ポリエチレンミン塩酸塩 | シグマ・オルドリッチ社 | 764965-1G | SLS経由で購入 |
| レイリー・ジェット鼻用アトマイザー | Resyca BV エンスヘデ | ソフト鼻スプレーアダプター | |
| RNAseフリーウォーター | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | J60610。EQC | |
| キュベットのサイズ調整 | マルバーン・パナリティカル | ZEN0040 | |
| 折りたたまれた毛細血管細胞 | マルバーン・パナリティカル | DTS1070 | |
| ゼタサイザー・プロ | マルバーン・パナリティカル | ゼタサイザー・プロ | |
| Zetasizer Ultra-Pro ZS Xplorer ソフトウェア | マルバーン・パナリティカル | 該当なし |
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