CÔNG NGHỆ NANOLIPID: VACCINE COVID-19

02/Oct/2021 Lượt xem: 43

CÔNG NGHỆ SLN – NLP: Bình cũ rượu mới

Công nghệ giá mang nanolipid (LNPs) từ lâu đã được biết đến là các giá mang nano phục vụ cho nhiều liệu pháp điều trị khác nhau với cơ chế đóng gói (encapsulation) và mang thuốc đến đích trị liệu tại một vị trsi trong cơ thể và phóng thích thuốc tại một thời điểm nhất định.

Liposome là một trong những dạng bào chế đầu tiên thuộc nhóm LNP đi từ phòng nghiên cứu đến được áp dụng thực tế trên lâm sàng. Có bản chất giá mang lipid kém, một pha thân dầu và một pha thân nước giúp giúp chúng mang được cả các thuốc thân dầu và thân nước như Doxil được chấp thuận làm giá mang cho doxorubicin trị ung thư buồng trứng và Epaxal làm giá mang protein kháng thể vaccine virus gan.

“Không có ai là hoàn hảo” Liposome tuy ưu việt nhưng vẫn có một vài nhược điểm đáng lưu ý: thời gian lưu thấp, thiếu ổn định trong huyết thanh và khả năng chọn lập kém. Để khắc phục nhược điểm này: (A) tăng tính hướng đích sử dụng ligands hoặc kháng thể (B) tăng khả năng lưu trong huyết tương nhờ lớp bao PEG (C) Kiểm soát phóng thích nhờ thiết kế liposome nhạy với tác động (stimuli responsive liposome) để giúp phóng thích thuốc theo nhiệt độ và pH.

Cationic Lipid Nanoparticles (LNP tích điện dương) làm giá mang acid nucleic

Nhiều dạng LNP đã được nghiên cứu, trong đó phổ biến nhất là lipid nano rắn (SLN) có bản chất là các lipid rắn và giá mang lipid nano cấu trúc hóa (NLC) có bản chất là hỗn hợp lipid rắn và lipid tinh thể lỏng. Ưu điểm 2 dạng này là có kích thước nhỏ (40 – 1000 nm), có khả năng tải tốt và có thể sản xuất quy mô lớn mà không cần sử dụng dung môi hữu cơ như các dạng khác.

Hoạt chất bản chất acid nucleic được ứng dụng trong điều trị các bệnh mang tính di truyền tuy nhiên gặp nhiều nhược điểm như là: bản chất tích điệm âm va thân nước nên không qua được hàng rào tế bào, acid nucleic cũng bị phân hủy bởi nuclease trong cơ thể. Cấu trúc giá mang tích điện dương (cationic lipid) có bản chất như một lipid tự nhiên thông thường tuy nhiên có thêm một đầu tích điện dương khác. Nhóm lipid được ion hóa có thể luân chuyển giữa 2 trạng thái tích điện dương nội tế bào và không tích điện trong huyết tương theo sự thay đổi của pH nên có bản chất ít độc hơn so với các lipid thông thường.

Giải phẫu cấu tạo vaccine

 

Ảnh có chứa văn bảnMô tả được tạo tự động

Hình 1. Cấu tạo vaccine Pfizer và Moderna

LNP mang mARN có cấu tạo chính bao gồm: một lipid có thể cationic hóa, lipid được bao PEG, phospholipid trung tính và cholesterol. Trong đó yêu cầu:

  1. Lipid tích điện dương dương được phải trung tính hoặc có khả năng ion hóa dương nhẹ ở pH sinh lý, và có thể tích điện dương (protonated) ở điều kiện pH thấp (pka xấp xỉ 6.5 là hợp lý). Tùy theo cấu trúc lipid, một số lipid tích điện dương có thể đóng vai trò trợ thủ (adjuvant) giúp kích thích phản ứng miễn dịch.
  2. Chuỗi PEG trên bề mặt LNP đóng vai trò ổn định chống vóng cục, giảm tính gắn không đặc hiệu với protein (osponin) và có thể được đào thải khỏi cơ thể. Tuy nhiên, do bản chất thân nước, PEG có thể ảnh hưởng đến sự gắn và nhập bào của LNP nên cần cân nhắc về hàm lượng mol (nên dưới 2%) và độ dài chuỗi PEG (giới hạn cỡ 2000)
  3. Lipid trung tính đóng vai trò duy trì cấu trúc của LNP nên thường cân nhắc lipid bão hòa có điểm chảy cao để sản xuất LNP ổn định.
  4. Cholesterol đóng vai trò tá dược ổn định và hạn chế sự gắn không đặc hiệu.

Hình 2. Cấu trúc đề xuất LNP vận chuyển mARN trong đó: (A) mARN được bao quanh bởi các lớp micelle lipid đảo bên trong phân tử nano (B) mARN nằm xen giữa lớp đôi lipid

CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA VACCINE

Vai trò của LNP

LNP vận chuyển mARN theo 2 cơ chế: LNP nhỏ hơn 150 nm di chuyển qua hệ bạch huyết còn các LNP lớn được thực bảo bởi các tế bào miễn dịch sau đó được vận chuyển đến các hạch bạch huyết. LNP có hai vai trò chính trong việc phân phối mARN; làm trung gian cho việc hấp thu mARN vào tế bào chủ được nhắm mục tiêu và thúc đẩy việc giải phóng mARN từ endosome vào tế bào chất, do đó cải thiện tính khả dụng sinh học của mARN đối với ribosome nơi sản xuất mARN protein.

Ngoài ra, LNP đóng gói mARN trong lõi, do đó bảo vệ mARN khỏi bị phân huỷ bởi các RNase ngoại bào.

Hiệu quả của nội tại phụ thuộc phần lớn vào việc lựa chọn lipid, mức độ PEGyl hóa, hạt kích thước và điện tích bề mặt của các hạt nano. Sau khi endocytosis, LNP được nhập bào (endosome). Các chất béo cation có thể ion hóa đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự thoát mRNA trong nội bào. Trong môi trường axit của endosome (pH <~ 6,5) các lipid có thể ion hóa trở nên proton hóa. Các lipid tích điện dương đó tạo thành các cặp ion với các phospholipid tích điện âm trong màng nội thể, phá vỡ lớp kép cấu trúc và thoát theo cơ chế thoát nội bào (endosomal escape. Ngoài ra, bao gồm cholesterol trong Cấu trúc LNP có thể góp phần vào sự hợp nhất của các LNP với endosome và thúc đẩy sự giải phóng mRNA vào tế bào chất.

Hình 3. Cơ chế hoạt động vaccine

Trong khi đó, mARN trần luôn chịu sự phân hủy của các enzym nội bào (trong huyết thanh bởi ARNase và sau khi nhập bào bị phân hủy bởi liposome).

QUY TRÌNH SẢN XUẤT VÀ BẢO QUẢN

Covid mARN được sản xuất qua 3 bước chính: tinh khiết hóa ADN virus, phiên mã và tập hợp mARN vaccines. mARN sau đó được đưa vào hệ LNP theo phương pháp tiêm ethanol kết tủa nano (ethanol injection nanoprecipitation).

Cụ thể, tất cả các thành phần lipid dầu đều trộn với ethanol và mRNA được trộn với nước. Các hỗn hợp lipid và mRNA được trộn trong dung dịch đệm acid (pH 4 – 5) thông qua một bộ máy bơm có kiểm soát tốc độ dòng chảy ở mỗi pha. Do độ pH thấp trong hỗn hợp, các chất béo tích cực tích điện và dễ dàng tiếp xúc với các sợi mRNA tích điện âm qua điện sức hút. Các lipid dễ dàng đóng gói mRNA vào các túi với khả năng đóng gói cao hiệu quả. Hỗn hợp vắc xin mới tạo thành sau đó được trung hòa về pH sinh lý giá trị, được lọc để loại bỏ ethanol và các tạp chất khác, và cuối cùng được khử trùng và đông lạnh để được vận chuyển trên toàn cầu.

Tất cả mRNA về bản chất dễ bị phân hủy thông qua một số các phản ứng, ví dụ như thủy phân liên kết N-glycosidic (làm lắng đọng) hoặc liên phosphodiester, quá trình oxy hóa nucleobase hoặc đường nên cần có điều kiện bảo quản đặc biệt.

KẾT LUẬN

Vaccine Covid-19 xuất hiện nhằm giải quyết vấn đề nan giải nhất nhưng cũng đánh dấu bước nhảy vọt đáng chú yé trong quá trình phát triển hệ LNP nói riêng và công nghệ nano nói chung trong việc sản xuất thuốc hướng đích trị liệu ở cấp độ gen và tế bào.

 

Nguồn tham khảo:

  1. Gao, Y., Yang, K., Shelling, A. N., & Wu, Z. (2021). Nanotechnology-Enabled COVID-19 mRNA Vaccines. Encyclopedia1(3), 773-780.
  2. Tenchov, R., Bird, R., Curtze, A. E., & Zhou, Q. (2021). Lipid Nanoparticles—From Liposomes to mRNA Vaccine Delivery, a Landscape of Research Diversity and Advancement. ACS nano.