Administrar vacinas na mucosa nasal (o portal de entrada de muitos patógenos respiratórios) pode provocar uma forte imunidade local e bloquear infecções em sua origem. O sucesso das vacinas intranasais contra a gripe e a recente aprovação das vacinas intranasais contra a COVID-19 ressaltam a eficácia da via nasal para induzir respostas imunes tanto mucosas quantosistêmicas. A administração intranasal de vacinas de mRNA está, portanto, atraindo grande interesse como estratégia para prevenir infecções virais respiratórias. Um grande desafio técnico, no entanto, é converter frágeis poliplexos de mRNA em aerossol inalássível sem comprometer sua estabilidade.
A aerossolização por fragmentação de Rayleigh oferece uma alternativa suave ao operar com um princípio físico diferente. Em um dispositivo de quebra Rayleigh, um fluxo de líquido pressurizado é forçado através de um orifício em microescala para formar um microjato contínuo. O jato naturalmente se fragmenta em gotículas de tamanho uniforme devido à instabilidadePlateau-Rayleigh 2. A tensão superficial faz com que a coluna de líquido se fragmente em um comprimento de onda característico cerca do dobro do diâmetro do bico. Ao contrário da nebulização ultrasônica, esse processo praticamente não introduz cisalhamento turbulento; As gotículas são formadas naturalmente pela autoinstabilidade do jato, não por forças externas de estilhaça. Como resultado, as formulações de nanopartículas sofrem estresse mínimo. Foi demonstrado que o uso da quebra de Rayleigh pode aerossolizar mRNAs de nanopartículas lipídicas (LNP) sem mudança significativa em seu tamanho, carga superficial ou eficiência de encapsulamento antes do pós-pulverização 3,4,5. Nesse método, o PEI-mRNA permanece intacto e funcional após a aerossolização, em contraste com a deterioração observada em técnicas de nebulização mais agressivas.
Outra vantagem da quebra de Rayleigh é o controle sobre o tamanho das gotículas. As gotículas geradas são relativamente grandes (na ordem de 20-30 μm). Esse tamanho de gotícula é ideal para entrega nasal: partículas com diâmetro aerodinâmico de >10 μm tendem a se depositar no nariz e nas vias aéreas superiores em vez de se espalharem para ospulmões 3. Ao produzir gotículas principalmente acima desse limiar, o atomizador de Rayleigh naturalmente direciona a deposição na cavidade nasal. A direcionamento é ainda mais aprimorada pelo uso do modelo Alberta Idealized Nasal Inlet (AINI) para otimizar técnicas de administração. O AINI é uma réplica das vias aéreas nasais impressa em 3D que prevê com precisão os padrões de deposição de spray in vivo 6. Usando esse modelo, foi constatado que pulverizar em um ângulo de 45° na narina aumenta consideravelmente a deposição para oscornetos 7. O ângulo administrativo afeta significativamente o padrãode deposição 7. A deposição em áreas não alvo como a nasofaringe ou pulmões é indesejável, pois pode causar irritação na garganta, gosto ruim ou efeitos colateraissistêmicos. Nesse protocolo, essas condições foram replicadas (um ângulo de pulverização de 45° e fluxo de ar de inalação controlado) para maximizar a deposição dos cornetos do aerossolde mRNA 3. Dados anteriores mostram que mais da metade da massa de mRNA entregue pode ser focada na região dos cornetos sob condições ideais, enquanto <10% alcança a nasofaringe ou alémde 3. Espera-se que essa administração direcionada melhore a eficácia da vacina ao concentrar a dose nos locais indutivos de imunidade (que são bem vascularizados e ricos em células imunes) e, ao mesmo tempo, minimizar a deposição fora do alvo que pode levar a desperdício ou efeitos adversos.
Neste artigo de métodos, o procedimento experimental para aerossolização de mRNA via fragmentação de Rayleigh é descrito em detalhes, avaliando deposições regionais no modelo AINI e avaliando a atividade biológica do mRNA depositado in vitro. Um mRNA repórter codificando GFP é usado para visualizar os resultados da transfecção em células humanas. HEK293T células são escolhidas para testar a funcionalidade dos complexos aerossolizados. Para aumentar a absorção celular do mRNA aerossolizado in vitro, o mRNA é ramificado com PEI para formar poliplexos PEI-mRNA antes de adicioná-los às células. O PEI é um agente transfector de polímeros catiônicos que pode melhorar a eficiência da entrega de mRNA, e uma razão molar N:P (nitrogênio: fosfato) de 24:1 foi usada aqui com base em otimizações anteriores para a entrega de genes. O PEI é usado apenas para a etapa de validação da cultura celular neste estudo e não faz parte da entrega de aerossóis a um nariz real (in vivo , depende-se apenas do LNP-mRNA, mas em cultura celular isso ajuda a maximizar a expressão gênica para detecção).
Esse protocolo destaca uma nova abordagem para a administração intranasal da vacina de mRNA que aborda a questão da estabilidade da aerossolização de mRNA. A fragmentação de Rayleigh só foi aplicada recentemente à entrega de ácidos nucleicos em algunsestudos 3,4,5,9, e este trabalho fornece um guia metodológico detalhado para implementar essa técnica. Seguindo esse procedimento passo a passo, os pesquisadores podem reproduzir a aerossolização suave de nanoportadores de mRNA e avaliar suas características de deposição e transfecção. A seção de Protocolo abaixo está organizada em partes sequenciais: (1) formulação de PEI-mRNA; (2) Caracterização de nanopartículas (tamanho e potencial zeta) antes e depois da aerossolização; (3) Operação do atomizador de fragmentação de Rayleigh e procedimento de deposição nasal AINI. São anotadas considerações chave para o sucesso, como manter condições livres de RNase e alinhamento adequado do dispositivo. Os Resultados e Discussão incluem resultados representativos, vantagens do método em relação às abordagens convencionais, possíveis aplicações (por exemplo, vacinas nasais para influenza ouCOVID-19 10,11,12), bem como limitações e dicas de solução de problemas. Essa metodologia abrangente visa possibilitar experimentos reprodutíveis de entrega intranasal de mRNA e acelerar o desenvolvimento de vacinas de RNA mucoso sem agulhas.