03 april 2020 (Nanowerk-schijnwerper) De voorwaarde gepersonaliseerde geneeskunde beschrijft medische beslissingen die zijn toegesneden op individuele patiënten of specifieke groepen patiënten. Dit type aanpak heeft het potentieel om de werkzaamheid te maximaliseren door elke patiënt optimale zorg te bieden en tegelijkertijd ineffectieve remedies te vermijden. Vaccins, zowel tegen bacteriën als tegen tumoren, zijn een klinische modaliteit die aanzienlijk zou kunnen profiteren van personalisatie. Effectieve vaccinatiestrategieën zouden kunnen helpen bij het aanpakken van veel uitdagende ziektetoestanden, maar de huidige vaccins worden beperkt door factoren zoals een gebrek aan potentie en antigene breedte. Onlangs hebben onderzoekers zich gericht op het gebruik van biomimetische nanotechnologie als middel om deze hindernissen aan te pakken. Een zojuist gepubliceerd voortgangsrapport in Geavanceerde materialen (“Biomimetische nanotechnologie richting gepersonaliseerde vaccins”) bespreekt de recente vooruitgang in de ontwikkeling van biomimetische nanovaccins voor antibacteriële en kankerbestrijdingstoepassingen, met de nadruk op hun potentieel voor gepersonaliseerde geneeskunde. De auteurs, van de afdeling NanoEngineering, Chemical Engineering Program en Moores Cancer Center van de Universiteit van Californië in San Diego, beginnen met een basisoverzicht van de immunologie en bespreken de principes die een effectief vaccinontwerp bepalen. Vervolgens bespreken ze in detail de voordelen van integratie nanotechnologie in de ontwikkeling van vaccins en de huidige stand van zaken op het gebied van nanovaccins. Ten slotte beoordelen ze recente ontwikkelingen op het gebied van nanovaccins voor antibacteriële en antikankertherapie, met speciale aandacht voor biomimetische platforms die toekomstige implicaties hebben voor gepersonaliseerde geneeskunde.
Gepersonaliseerde biomimetische nanovaccins. Voor vaccinatie tegen kanker kan antigeen materiaal rechtstreeks uit de weggenomen tumor van een patiënt worden verzameld, geformuleerd in een biomimetisch nanodeeltje en vervolgens terug in de patiënt worden toegediend om tumorspecifieke immuniteit te bevorderen. Voor antibacteriële vaccinatie kunnen stamspecifieke virulentiefactoren of membranen worden geïmmobiliseerd op substraten van nanodeeltjes, en de resulterende complexen kunnen worden gebruikt om patiënten met een geïdentificeerd risico tegen de bijbehorende ziekteverwekker te vaccineren. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) Nanotechnologie biedt vele voordelen die kunnen worden benut om de potentie van vaccinformuleringen te vergroten. Eén voordeel van op nanodeeltjes gebaseerde formuleringen is het vermogen om antigeen materiaal af te geven met een immunostimulerend adjuvans (zie bijvoorbeeld: “Nanotechnologievaccins bij immunotherapie tegen kanker“). Dit is van groot belang voor een goede immuunstimulatie, omdat de ruimtelijke colokalisatie van de twee componenten ervoor zorgt dat er een snelle immuunrespons tegen het antigeen van belang wordt gegenereerd. Om co-afgifte te bereiken, kan het adjuvans ofwel worden ingekapseld in de kern van het nanodeeltje, gefunctionaliseerd op het oppervlak, of kan het materiaal van het nanodeeltje zelf als stimulus dienen. Een ander voordeel van op nanodeeltjes gebaseerde vaccins is de verbeterde biologische beschikbaarheid van de ladingen. Door antigeen en adjuvans in te kapselen of te conjuvans aan een nanodrager kunnen de materialen effectiever worden beschermd tegen gastheerinteracties tijdens transport. Bovendien kan de afgifte van nanodeeltjes ook systemische toxiciteiten voorkomen die vaak gepaard gaan met de toediening van adjuvantia in hun vrije vorm. Door hun lading af te schermen van de omringende omgeving, kunnen nanodeeltjes dus tegelijkertijd de gastheer beschermen tegen niet-specifieke biologische interacties, die onbedoelde bijwerkingen kunnen veroorzaken. Het unieke groottebereik van nanodeeltjes is een andere factor die een verbeterde levering van vaccincomponenten mogelijk kan maken. De afmetingen op nanoschaal van nanodragers zorgen voor een efficiëntere lymfedrainage naar de lymfoïde organen waar de opname en verwerking van antigeen kan plaatsvinden. Nanodeeltjes kunnen ook zo worden ontworpen dat ze efficiënt in het cytosol van de cel worden afgeleverd – de vloeistof die zich in de cellen bevindt – wat grote gevolgen heeft voor het verbeteren van de prestaties van vaccins. Voor kankervaccintoepassingen kan effectieve cytosolische afgifte zowel antigeen als adjuvans ten goede komen, wat leidt tot gelijktijdige versterking van de antigeenpresentatie en verbetering van de immuunstimulatie. De voordelen van nanovaccins zijn op vergelijkbare wijze gebruikt voor het beheersen van bacteriële infecties. Nanotechnologie kan verschillende unieke voordelen opleveren als het gaat om de ontwikkeling van vaccinformuleringen. Zorgvuldige manipulatie van nanodeeltjesparameters en bewuste ontwerpkeuzes kunnen de potentie aanzienlijk verbeteren in vergelijking met traditionele vaccinafgiftesystemen.
Overzicht van vaccin-nanotechnologie. Nanodeeltjes bieden verschillende voordelen die kunnen helpen bij het ontwerpen van effectievere vaccinformuleringen, waaronder het vermogen om de bioactiviteit van ingekapselde ladingen te beschermen, antigeen en adjuvans te colocaliseren voor uniforme afgifte aan immuuncellen, en zich te richten op specifieke celsubsets door de introductie van functionele oppervlakteliganden. . Hun kleine formaat maakt ook efficiënt lymfatisch transport mogelijk, wat processen zoals antigeenpresentatie kan vergemakkelijken en tot krachtigere immuunactivatie kan leiden. (Herdrukt met toestemming door Wiley-VCH Verlag) Het ontwerp van vaccins met behulp van nanotechnologie biedt verschillende belangrijke voordelen die kunnen worden gebruikt om te helpen verbeteren wat momenteel beschikbaar is in de kliniek. Om het nut van platforms op nanoschaal verder te vergroten, hebben onderzoekers recentelijk naar de natuur gekeken voor inspiratie. Dit is waar biomimetica in beeld komt, dwz de imitatie van de modellen, systemen en elementen van de natuur met het doel technologie te ontwerpen. Eén manier waarop biomimetisch ontwerp de bruikbaarheid van nanodeeltjestechnologie kan vergroten, is door gerichte levering mogelijk te maken door het gebruik van natuurlijke liganden. Naast doelgerichte interacties kan biomimetische functionaliteit van nanodeeltjes ook worden gebruikt om de activiteit van biologische doelwitten te moduleren. Dit kan met name nuttig zijn voor biologische ontgifting, waarbij therapieën zijn ontworpen om de activiteit van toxische moleculen die een bedreiging vormen voor de menselijke gezondheid te neutraliseren. Nanodeeltjes gefunctionaliseerd met natuurlijk celmembraan zijn nuttig gebleken voor een aantal biomedische toepassingen. Door de oppervlakken van nanodeeltjes te camoufleren met een membraan van rode bloedcellen is bijvoorbeeld aangetoond dat het immuunsysteem de resulterende nanodeeltjes als eigen in plaats van als vreemd zal herkennen.
Met bloedplaatjesmembraan gecoate nanodeeltjes. Bloedplaatjesmembraan wordt verkregen uit hele bloedplaatjes door een herhaald vries-dooiproces. De gezuiverde membranen kunnen vervolgens worden gefuseerd met een kern van nanodeeltjes, waardoor een natuurlijke doelgerichte affiniteit voor pathogenen en beschadigde bloedvaten mogelijk wordt. (Herdrukt met toestemming van Springer Nature) Over het geheel genomen zijn biomimetische nanodeeltjesplatforms, inclusief die welke zijn vervaardigd met behulp van celmembraancoatingtechnologie, ongelooflijk veelzijdig en hebben ze een onbeperkt aantal potentiële toepassingen. Meer recentelijk worden ze steeds vaker gebruikt bij het ontwerpen van effectievere vaccinformuleringen, en de ontwikkeling langs deze lijnen zal in de volgende paragrafen meer in detail worden besproken.
De opkomst van 'superbug'-pathogenen die resistent zijn tegen de meeste, zo niet alle antibiotica, heeft geleid tot toegenomen onderzoeksinspanningen voor het ontwikkelen van innovatieve strategieën die eerder op preventie dan op behandeling zijn gericht.
Dit is een gebied waarop biomimetische nanotechnologie aanzienlijke voordelen kan bieden, en er is steeds meer aandacht besteed aan het gebruik van extracellulaire blaasjes en nanotoxoïden als antibacteriële vaccins. Beide biomimetische systemen zijn vatbaar voor personalisatie, waarbij formuleringen gemakkelijk kunnen worden aangepast om een willekeurig aantal individuele bacteriestammen aan te pakken of op aanvraag kunnen worden vervaardigd voor specifieke patiëntenpopulaties.
Antikankertherapie is een ander gebied waarop er veel vraag is naar gepersonaliseerde geneeskunde. De pathogenese van kanker is uiterst complex en de ziekte is inherent moeilijk te behandelen, aangezien kwaadaardige cellen voortkomen uit gemuteerde versies van de eigen gezonde cellen. Omdat er veel ziekteverwekkende factoren bij betrokken zijn, varieert kanker sterk van patiënt tot patiënt.
Onlangs hebben onderzoekers verschillende biomimetische platforms ontwikkeld, waaronder van cellen afgeleide nanovesicles, virusachtige deeltjes, kunstmatige antigeenpresenterende cellen en met celmembraan gecoate nanodeeltjes, voor gebruik als vaccins tegen kanker. Veel hiervan hebben het potentieel om zich te ontwikkelen tot gepersonaliseerde therapieën die uiteindelijk kunnen helpen de heterogeniteit van tumoren te overwinnen.
De auteurs concluderen dat vaccinatie een steeds aantrekkelijkere optie is geworden voor ziektemanagement, gezien het gebruiksgemak, de brede toepasbaarheid en het vermogen om bescherming op lange termijn te genereren. Biomimetische nanovaccins kunnen inherent multi-antigeen en immuunstimulerend zijn, zoals het geval is met buitenmembraanblaasjes (OMV) en met OMV gecoate nanodeeltjes.
Een nieuw opkomende aanpak maakt gebruik van met celmembraan gecoate nanodeeltjes voor het neutraliseren en afgeven van bacteriële toxines voor antivirulentievaccinatie. Door te vaccineren tegen de instrumenten die ziekteverwekkers gebruiken om te overleven, kan deze strategie kolonisatie effectief voorkomen en tegelijkertijd de directe selectieve druk beperken die antibioticaresistentie veroorzaakt.
By Michael Berger - Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright © Nanowerk
