Laser-assisted intradermal application of mRNA-loaded nanocarriers for minimally invasive ("needle free") vaccination via the skin

Abstract

Vaccination is still the most promising way to combat infectious diseases. Despite tremendous progresses in delivery systems with the first approved mRNA vaccines, the application by intramuscular injection is suboptimal. Representing a natural biological barrier, the skin is equipped with a plethora of immune cells that can be targeted even by minimally invasive techniques. The main aim of this work was to evaluate the potential of transiently disrupting the skin barrier by laser microporation to enable the penetration of mRNA-loaded nanocarriers for skin vaccination. Lipid-polymer hybrid nanoparticles (LPNs) that profit from high transfection rates of lipids and the stability of polymers were selected to complex mRNA. The impact of replacing the cationic lipid DOTMA by the phospholipid DOPE in the lipid layer was investigated concerning hydrodynamic parameters, stability, uptake, mRNA binding and protection and most important transfection efficacy. LPN(70/30) made of 70 mol% DOPE and 30 mol% DOTMA showed most stable transfection rates independent of medium additives and was further modified by pegylation. Findings were complemented by the optimization of the P.L.E.A.S.E.® microporation parameters in mouse models and a newly developed ex vivo human skin model. Despite lower exposure compared to injection, laser-mediated application of 2.5 mol% PEG in LPN(70/30) showed most promising results with live transfected cells in tissue and stimulated immune cells in the supernatant.

Impfen bleibt der effektivste Weg, Infektionskrankheiten zu bekämpfen. Trotz des Durchbruchs mit den ersten zugelassenen mRNA-Impfstoffen ist deren intramuskuläre Injektion suboptimal. Als natürliche Barriere beherbergt die Haut viele Immunzellen, die sogar mittels minimal-invasiven Techniken erreicht werden können. Diese Arbeit zielt darauf ab, das Potenzial einer vorübergehenden Störung der Hautbarriere mittels P.L.E.A.S.E.®-Laser-Mikroporation für die Impfung mit mRNA-beladenen Nanoträgern zu bewerten. Für die Komplexierung von mRNA wurden Lipid-Polymer-Hybrid-Nanopartikel (LPNs) gewählt, die von den hohen Transfektionsraten der Lipide und der Stabilität der Polymere profitieren. Der Effekt des Austauschs des kationischen Lipids DOTMA durch das Phospholipid DOPE in der Lipidschicht wurde hinsichtlich hydrodynamischer Parameter, Stabilität, Aufnahme, mRNA-Bindung und -Schutz sowie der relevantesten Transfektionseffizienz untersucht. LPN(70/30) aus 70 mol% DOPE und 30 mol% DOTMA zeigte unabhängig von Mediumzusätzen die stabilsten Transfektionsraten und wurde durch Pegylierung weiter modifiziert. Ergänzt wurden die Erkenntnisse durch die Optimierung der Laserparameter in der Maus und in einem neu entwickelten Ex-vivo-Modell aus menschlicher Haut. Trotz geringerer Exposition im Vergleich zur Injektion zeigte die laserbasierte Applikation von 2,5 mol% PEG in LPN(70/30) die besten Ergebnisse mit lebenden transfizierten Zellen im Gewebe und stimulierten Immunzellen im Überstand.