Nanocarriers for simultaneous delivery of structurally different polynucleotides encoding antigens and adjuvants

Abstract

The rapid approval of mRNA-based vaccines for human use following the Covid-19 pandemic established their public health value. Yet, room for improvement to reduce number of required booster doses still exists. This study aimed to investigate the development of a nanocarrier to co-deliver NA-encoded antigens and adjuvants and achieve their time-resolved expression, such that adjuvant expression follows target cell (APC) priming with antigen expression. Hence, a core-shell system was constructed based on a plasmid DNA (pDNA)-gelatin coacervate core, thermally stabilized into a nanogel, coated with protamine (P-TS-CoAc), and surface loaded with mRNA. The system showed unique co-transfectional ability for two such NAs encoding fluorescent reporter proteins when compared to several established controls in dendritic murine cell line (DC2.4). The system also showed time-resolved expression of the two NAs, with a rapid and transient expression of mRNA on the shell and a delayed, prolonged-expression of pDNA in the core. NA-encoded adjuvant candidates were selected to assess P-TS-CoAc’s capacity to transfect them into DC2.4, namely, CCL4 and CCR7, involved in mobilizing immune cells towards inflammation sites or draining lymph nodes, respectively. CCL4 encoding NAs induced CCL4 release from DC2.4 following electroporation, yet, not upon DC2.4 treatment with P-TS-CoAc loaded with CCL4 encoding-NAs. Further studies could still be conducted to improve system performance.

Die rasche Zulassung von mRNA-basierten Impfstoffen für den menschlichen Gebrauch nach der Covid-19-Pandemie hat ihren Wert für die öffentliche Gesundheit bewiesen. Dennoch gibt es Raum für Verbesserungen, um die Anzahl der erforderlichen Auffrischungsdosen zu verringern. Ziel dieser Studie war es, einen Nanoträger zu entwickeln, der Nukleotid (NT)-kodierte Antigene und Adjuvantien gemeinsam abgibt und deren zeitversetzte Expression ermöglicht, so dass die Adjuvantexpression dem Priming der Zielzellen (APC) mit der Antigenexpression folgt. Daher wurde ein Kern-Schale-System konstruiert, das auf einem Plasmid-DNA (pDNA)- Gelatine-Koazervat-Kern basiert, der thermisch zu einem Nanogel stabilisiert, mit Protamin (P-TS-CoAc) beschichtet und an der Oberfläche mit mRNA beladen wurde. Das System zeigte eine einzigartige Co-Transfektion für beide NT, die für fluoreszierende Reporterproteine kodieren, im Vergleich zu mehreren etablierten Kontrollen in einer dendritischen Mäusezelllinie (DC2.4). Ebenso zeigte das System eine zeitversetzte Expression der beiden NT, mit einer schnellen,vorübergehenden Expression der mRNA und einer verzögerten, längeren Expression der pDNA. Es wurden NT-kodierte Adjuvans-Kandidaten ausgewählt, um die Transfektionsfähigkeit von P-TS-CoAc in DC2.4 zu prüfen. Diese waren CCL4 und CCR7, die an der Mobilisierung von Immunzellen zu Entzündungsherden bzw. drainierenden Lymphknoten beteiligt sind. CCL4-kodierende NT induzierten die Freisetzung von CCL4 aus DC2.4 nach Elektroporation, jedoch nicht nach Behandlung von DC2.4 mit entsprechend beladenen PTS- CoAc. Weitere Studien könnten durchgeführt werden, um die Leistung des Systems zu verbessern.