Доставка вакцин в слизистую слизисую носа (входной портал для многих респираторных патогенов) может вызвать сильный локальный иммунитет и блокировать инфекции в их источнике. Успех интраназальных вакцин против гриппа и недавнее одобрение интраназальных вакцин против COVID-19 подчёркивают эффективность носового пути для вызова как слизистых, так и системных иммунныхответов 1. Интраназальная доставка мРНК-вакцин вызывает большой интерес как стратегия профилактики респираторных вирусных инфекций. Однако одной из главных технических задач является преобразование хрупких мРНК-полиплексов в ингаляемый аэрозоль без ущерба для их стабильности.
Аэрозоль при разрушении Рэлея предлагает мягкую альтернативу, основанную на другом физическом принципе. В устройстве для разрушения Рэлея давление поток жидкости проталкивается через микромасштабное отверстие, образуя непрерывный микроструй. Струя естественным образом разбивается на капли равномерного размера из-за нестабильностиПлато-Рэлея 2. Поверхностное натяжение вызывает фрагментацию жидкой колонки на характерной длине волны примерно вдвое больше диаметра сопла. В отличие от ультразвуковой небулайнизации, этот процесс практически не приводит к турбулентному сдвигу; капли естественным образом образуются из-за самонеустойчивости струи, а не из-за внешних разрушительных сил. В результате наночастицы испытывают минимальное напряжение. Было показано, что с помощью расщепления Рэлея мРНК липидных наночастиц (LNP) аэрозоль не меняется существенным их размером, зарядом поверхности или эффективностью инкапсуляции до сравнения с распылением 3,4,5. В этом методе ПЭИ-мРНК остаётся целой и функциональной после аэрозолизации, в отличие от ухудшения, наблюдаемого при более жёстких методах небулизации.
Ещё одним преимуществом разрыва Rayleigh является контроль над размером капель. Образующиеся капли относительно крупные (порядка 20–30 мкм). Такой размер капли идеально подходит для носовой доставки: частицы диаметром >10 мкм в аэродинамическом диаметре склонны откладываться в носу и верхние дыхательные пути, а не дрейфовать влёгкие 3. Производя капли преимущественно выше этого порога, атомайзер Рэлея естественным образом нацеливается на отложение в носовую полость. Таргетирование дополнительно улучшается с использованием модели Alberta Idealized Nasal Inlet (AINI) для оптимизации методов введения. AINI — это 3D-печатная копия носовых дыхательных путей, которая точно предсказывает схемы накопления in vivo 6. Используя эту модель, было установлено, что распыление под углом 45° в ноздрю значительно увеличивает осаждение носовыхраковин 7. Угол введения существенно влияет на паттерносаждения 7. Отложение в нецеленаправленных областях, таких как носоглотка или лёгкие, нежелательно, так как может вызвать раздражение горла, неприятный вкус или системные побочныеэффекты 8. В этом протоколе эти условия были воспроизведены (угол распыления 45° и контролируемый поток воздуха при вдыхании) для максимизации накопления мРНК-аэрозоля3 в раковину. Предыдущие данные показывают, что более половины доставленной массы мРНК может быть сфокусирована в области носовой раковины при оптимальных условиях, тогда как <10% достигает носоглотки илиболее 3. Ожидается, что такая целевая доставка повысит эффективность вакцины за счёт концентрации дозы в индуктивных участках иммунитета (которые хорошо васкуляризированы и богаты иммунными клетками), а также минимизируя нецелевое отложение, которое может привести к отходам или побочных эффектам.
В этой статье методов подробно описана экспериментальная процедура аэрозольной мРНК посредством расщепления Рэлея, оценивая региональные осаждения в модели AINI и оценивая биологическую активность отложенной мРНК in vitro. Репортерная мРНК, кодирующая GFP, используется для визуализации результатов трансфекции в человеческих клетках. HEK293T ячейки выбираются для проверки функциональности аэрозольных комплексов. Для усиления клеточного поглощения аэрозольной мРНК in vitro мРНК ветвяется с PEI для образования полиплексов PEI-mRNA перед их добавлением в клетки. PEI — это катионный полимерный трансфекционный агент, способный повысить эффективность доставки мРНК, и здесь использовалось молярное соотношение N:P (азот: фосфат) 24:1 на основе предыдущей оптимизации доставки генов. PEI используется только для этапа валидации клеточной культуры в этом исследовании и не является частью доставки аэрозолей в настоящий нос (in vivo можно полагаться только на LNP-мРНК, но в клеточной культуре это помогает максимизировать экспрессию генов для обнаружения).
Этот протокол выделяет новый подход к доставке интраназальной мРНК-вакцины, который решает проблему стабильности аэрозольной мРНК. Расщепление Рэлея недавно было применено к доставке нуклеиновых кислот в нескольких исследованиях3, 4, 5, 9, и эта работа предоставляет подробный методологический ориентир для реализации этой методики. Следуя этой пошаговой процедуре, исследователи могут воспроизвести мягкую аэрозолизацию мРНК-наноносителей и оценить их характеристики отложения и трансфекции. Раздел «Протокол» ниже организован по последовательным частям: (1) формулировка PEI-mRNA; (2) характеристика наночастиц (размер и дзета-потенциал) до и после аэрозолизации; (3) Операция расщепляющего атомайзера Rayleigh и процедуры назального осаджения AINI. Отмечаются ключевые факторы успеха, такие как поддержание условий без РНазы и правильное выравнивание устройства. Результаты и обсуждение включают репрезентативные результаты, преимущества метода по сравнению с традиционными методами, возможные применения (например, назальные вакцины против гриппа илиCOVID-19 10,11,12), а также ограничения и советы по устранению неполадок. Эта комплексная методология направлена на возможность воспроизводимых внутриносовых экспериментов с доставкой мРНК и ускорение разработки вакцин на основе слизистой РНК без игл.