Tunable nanoparticles for the local delivery of protein drugs for improved vaccination

Abstract

The oral route of vaccination is besides nasal, vaginal or rectal route, one of the most interesting mucosal vaccination routes. Usually a vaccine as live but attenuated, inactivated or even dead pathogen is administered subcutaneously or intramuscularly via injection, to develop immunity to a pathogen. Alternatively, also purified proteins can be used for vaccination. The aim of oral or mucosal vaccination is to achieve a cheap and save mass immunization, with avoidance of needle based systems, no need of clinical environment and lower production cost. Disadvantages that have to be overcome are potential degradation of the vaccine and probably inefficient uptake through the intestinal wall, resulting in low immune responses. The present work evaluates the protection of a protein based vaccine by nanoparticles and delivery through the gastrointestinal tract as a perspective for oral vaccination. The results presented in this thesis show a successful encapsulation and therefore protection of the model protein ovalbumin with the basic polymer poly(D,L-lactide-co-glycolide acid) (PLGA) and further developed PLGA derivatives. These derivatives were found to increase the protein encapsulation up to 50% and release of the protein from nanoparticles from 50 to 100% compared to pure PLGA particles. Furthermore, the polymers introduce passive and active drug targeting properties to PLGA. In in vitro and also in vivo mice studies an improved efficiency of vaccination could be proven. This was shown by a significant increased T cell activation, with higher interleukin 2 production. Furthermore, a new and reproducible method for a size-adjustable production of nanoparticles was investigated to study a size-dependent uptake of NPs during vaccination. This technology is a semi-automated system for an operator independent, scalable and size adjustable NP synthesis. By varying certain process parameters the system is able to produce nanoparticles in a size range of 150 to 600 nm with a narrow size distribution.

Die orale Vakzinierungsroute ist neben der nasalen, vaginalen oder rektalen Route, eine der interessantesten, mukosalen Vakzinierungsrouten. In der Regel wird ein Vakzin lebend, aber abgeschwächt, inaktiviert oder abgetötet subkutan oder intramuskulär verabreicht, um eine Immunität gegen einen Krankheitserreger zu entwickeln. Alternativ können auch gereinigte Proteine für eine Vakzinierung verwendet werden. Das Ziel der oralen, beziehungsweise mukosalen Vakzinierung, ist das Erreichen einer kostengünstigen und sicheren Massenvakzinierung, unter Vermeidung von Nadel basierten Systemen und ohne Notwendigkeit einer klinischen Umgebung. Nachteile, die überwunden werden müssen, sind der potenzielle Abbau des Vakzins und ineffiziente Aufnahme durch die Darmwand, mit daraus resultierenden niedrigen Immunantworten. Die vorliegende Arbeit bewertet den Schutz eines Vakzins durch Nanopartikel (NP) und Transport durch den Gastrointestinaltrakt als Perspektive für die orale Vakzinierung. Die Ergebnisse zeigen eine erfolgreiche Verkapselung und damit Schutz des Modellproteins Ovalbumin mit dem Polymer Polylactid-co-Glycolid (PLGA) und weiteren PLGA-Derivaten. Für diese Derivate wurde eine erhöhte Proteinverkapselung von bis zu 50% und eine erhöhte Freisetzungs-rate aus den NP von bis zu 50 bis 100% im Vergleich zu reinen PLGA-Teilchen gefunden. Weiterhin werden mit diesen Polymeren passive und aktive Drug-Targeting-Eigenschaften in das Polymer PLGA eingeführt. In vitro, als auch in vivo-Studien an Mäusen konnten eine verbesserte Effizienz der Vakzinierung nachweisen. Dies wurde durch eine signifikant höhere T-Zell-Aktivierung, mit einer gesteigerten Interleukin 2-Produktion gezeigt. Außerdem wurde ein neues und reproduzierbares Verfahren für die Herstellung von NP unterschiedlicher Größe untersucht, um eine größenabhängige Aufnahme von NP während der Vakzinierung zu untersuchen. Diese Technologie ist ein halbautomatisches System für eine Bediener-unabhängige, skalierbare und NP-Synthese mit einstellbarer Größe. Durch das Variieren bestimmter Verfahrensparameter konnte gezeigt werden, dass das System in der Lage ist, NP in einem Größenbereich von 150 bis 600 nm mit einer engen Größenverteilung herzustellen.