Non-invasive vaccination by nanoparticle-based messenger RNA (mRNA) delivery via the transfollicular route

Abstract

In search for alternative strategies to replace the traditionally used syringe and needle for vaccine administrations and to overcome related disadvantages, the non-invasive approach using nanoparticles (NPs) via the transfollicular route appeared as a promising method to improve patient compliance. As a cargo for NPs, mRNA gained remarkable attention, carrying genetic information of different antigens, proteins or peptides. Hence, the thesis presents a detailed characterization of the mechanistic behind NP-penetration into hair follicles and NP-cellular internalization. Furthermore, advanced delivery systems for mRNA delivery using pharmaceutical safe excipients were designed and mRNA complexed NPs were explored for their potential to efficiently transfect immune cells. In vitro transfection studies in dendritic cells revealed a high transgene expression rate of approx. 80% for novel developed lipid-polymer nanoparticles (LPNs) when compared to an established polymeric system made of PLGA with a chitosan surface coating (CS-PLGA NPs). Based on such encouraging in vitro results, mRNA encoding the influenza antigen hemagglutinin was loaded onto the LPNs and further characterized for their potential to induce effective immunity in in vivo adoptive transfer experiments using HA-transgenic mouse. However, the lack of the expected immune response in this model indicated several challenges related to transfollicular mRNA-vaccination and consequently demand optimization strategies for this administration site to pursue such non-invasive antigen delivery in the future.

Alternative Strategien zum Ersatz von Spritzen und Nadeln bei Vakzinierungen würden die damit verbundenen Nachteile beseitigen und somit die Patienten- Compliance verbessern. Der nicht-invasive Ansatz unter Zuhilfenahme von Nanopartikeln (NPs) über die transfollikuläre Route hat sich als eine vielversprechende Methode dafür gezeigt. Der Benutzung von mRNAs als Cargo für Nanopartikel kam eine beachtliche Aufmerksamkeit zu, da eine solche Technologie erlaubt unterschiedliche genetische Informationen von Antigenen, Proteinen und Peptiden zu transportieren. Diese Arbeit zeigt die Entwicklung optimierter mRNA-Trägersysteme, basierend auf pharmazeutisch sicher einzustufender Hilfsstoffe und beschreibt das Potenzial der mRNA beladenen NPs Immunzellen zu transfizieren. In vitro Transfektionsstudien in dendritischen Zellen zeigten eine hohe Transgen-Expressionsrate von ~80% für ein neuentwickeltes Lipid-Polymer-Hybrid NP-System (LPNs) verglichen mit einem etablierten NP-System bestehend aus PLGA und einer Chitosan Beschichtung (CS-PLGA NPs). Ausgehend von diesen ermutigenden in vitro Ergebnissen wurden die LPNs mit einer mRNA beladen, die für das Influenza-Antigen Hämagglutinin kodiert und anschließend auf ihre Effektivität hin, eine Immunantwort in einem adaptiven Transferexperiment im Mäusemodell zu stimulieren, analysiert. Im Tiermodel konnte keine zufriedenstellende Immunantwort durch die transfollikuläre mRNA-basierte Vakzinierung hervorgerufen werden, was einer weiteren Optimierung dieser Administrationsroute bedarf um einen nicht-invasiven Antigen-Transport zu erlauben.