Nanovacunas: nuevas estrategias en inmunizaciA?n

La implementaciA?n de las vacunas en la medicina moderna ha sido la intervenciA?n mA?s exitosa tanto en tA�rminos de salud pA?blica como con respecto al aumento de la esperanza de vida de la poblaciA?n. Ya desde el siglo XVIII, cuando Edward Jenner observA? que la viruela de vaca era capaz de inmunizar contra la viruela humana, mA?ltiples han sido los avances que se ha realizado en este campo. Respecto a los grandes logros de la vacunaciA?n, es posible mencionar la significativa reducciA?n de algunas enfermedades como lo son paperas, sarampiA?n, polio, tA�tanos, difteria, tos ferina, fiebre amarilla, entre otras, y la gran proeza de la erradicaciA?n de la viruela. Sin embargo al dA�a de hoy, aA?n existen enfermedades que tienen un alto A�ndice de mortalidad a nivel mundial y no poseen para ellas una vacuna efectiva, como lo son tuberculosis, malaria y HIV entre otras. La apariciA?n de nuevos focos de enfermedades infecciosas, algunas de tan alto impacto mediA?tico como lo ha sido el A�bola, han puesto en evidencia que el desarrollo de nuevas y mejoradas vacunas, es un A?rea en el que debemos invertir y emplear nuestros mayores esfuerzos. MA?s aA?n, que a nivel mundial existan 22,6 millones de niA�os que no reciben en forma completa la inmunizaciA?n contra la difteria, tos ferina y tA�tanos (DPT), exige una mayor coordinaciA?n entre el gobierno y la industria para poder remediar en parte esta situaciA?n.

La disminuciA?n de las enfermedades infecciosas a travA�s de la vacunaciA?n, ha sido alcanzada en su mayorA�a por patA?genos vivos atenuados, inactivados o toxinas inactivadas. A�stos son altamente inmunogA�nicos y generan una protecciA?n contra la infecciA?n de larga duraciA?n. Sin embargo, el uso de este tipo de microorganismos puede ir acompaA�ado de reacciones anafilA?cticas, reactividad del patA?geno atenuado, entre otros. Por estos motivos, mA?ltiples esfuerzos se han enfocado en aumentar el perfil de seguridad de las vacunas, para ello se han estudiado otros tipos de antA�genos haciendo uso de ADN recombinante y subunidades purificadas de antA�genos (3).

Si bien estos antA�genos son mucho mA?s seguros, poseen el problema de que son menos inmunogA�nicos, por lo que se hace necesario el uso de adyuvantes y/o sistema de liberaciA?n, para su administraciA?n e intensificaciA?n de la respuesta inmune generada.

Un adyuvante es un compuesto que puede incrementar y/o modular la inmunogenicidad intrA�nseca de un antA�geno. Los A?nicos adyuvantes universalmente aprobados para su uso en humanos son las sales insolubles de aluminio, mA?s conocidas como A?lum. Aunque el efecto adyuvante de estas sales fue descrito en la dA�cada de los 70s, hasta el dA�a de hoy se estudia su mecanismo de acciA?n exacto. El A?lum ha presentado una buena acciA?n por vA�a parenteral sin embargo, posee algunos inconvenientes entre los que destacan: (i) reacciones de hipersensibilidad, hinchazA?n y/o eritemas tras ser administrado, (ii) inestabilidad tras la congelaciA?n, debido a la destrucciA?n de la estructura tipo gel que forma, disminuyendo o dejando inactiva la vacuna, (iii) es un adyuvante con aplicaciA?n restringida a la vA�a parenteral y por A?ltimo, (iv) su perfil de respuesta inmune estA? asociado principalmente a una respuesta humoral, lo cual puede resultar deficiente frente a patA?genos intracelulares. Esta respuesta inmune celular de la cual el A?lum carece, es una de las estrategias utilizadas para nuevas vacunas contra el cA?ncer, virus y de enfermedades autoinmunes (4).

Por ello, los esfuerzos de investigaciA?n se han dirigido a la bA?squeda de nuevos adyuvantes que sean capaces de mejorar aquellos aspectos en los cuales el A?lum no abarca. En la Tabla 1, se muestran los principales adyuvantes que han sido aprobados, las vacunas especA�ficas en las cuales estA?n siendo comercializados y otros que estA?n siendo evaluados en diversos ensayos clA�nicos para otras enfermedades.

Los componentes utilizados en la elaboraciA?n de estos nuevos adyuvantes, hacen que sean vehA�culos seguros de administrar y a la vez, su ensamblaje y tamaA�o tambiA�n es un parA?metro importante en el cual se debe profundizar. Por ejemplo, la primera emulsiA?n aprobada para su uso en humanos como adyuvante en vacunas (MF 59A�), es una dispersiA?n de un aceite natural (escualeno) estabilizado con 2 tipos de surfactante y presenta un tamaA�o nanomA�trico cercano a los 160 nm (5).

BA?squeda de nuevos adyuvantes

La nanomedicina es un A?rea de la nanotecnologA�a que abarca diferentes aplicaciones de la biotecnologA�a medicina, quA�mica, tecnologA�a farmacA�utica, entre otras en la prevenciA?n, tratamiento, monitorizaciA?n y diagnA?stico de enfermedades utilizando materiales y estructuras de escala nanomA�trica (1-1000 nm). Si bien, es en cA?ncer donde se han utilizado los mayores recursos y se pueden observar los mayores avances, otras A?reas como la inmunizaciA?n estA?n siendo un campo de la nanomedicina que estA? en pleno auge.

Ya desde la dA�cada de los 70s el profesor Peter Speiser, utilizA? nanopartA�culas de poliacrilamida para la liberaciA?n controlada de vacunas (6). Este hallazgo abriA? un nuevo campo de investigaciA?n, donde diferentes tipos de estructuras y con diversos tipos de materiales comenzaron a diseA�arse y desarrollarse, con una asociaciA?n eficaz de antA�genos, para su aplicaciA?n en vacunas.

En tA�rminos generales, la nanomedicina en inmunizaciA?n se ha enfocado en el diseA�o y elaboraciA?n de sistemas de liberaciA?n y vehiculizaciA?n de antA�genos. Se pretende que estas estructuras de tamaA�o nanomA�trico puedan mejorar la inmunogenicidad del antA�geno asociado, controlar y dirigir su liberaciA?n facilitando o aumentando su reconocimiento e internalizaciA?n frente a las cA�lulas presentadoras de antA�genos (APC); ya que este paso determinarA? el desarrollo de una respuesta inmune protectora. AdemA?s de protegerlo de su pronta degradaciA?n, permitir una administraciA?n libre de agujas, favorecer la obtenciA?n de una formulaciA?n termoestable, ayudando con ello a una mejora consistente en la cobertura inmunolA?gica. Otra ventaja del uso de sistemas de liberaciA?n de antA�genos es la posibilidad de co-encapsular mA?ltiples epA�topes de antA�genos en un solo vehA�culo, abriendo la posibilidad de vacunas multivalentes (7).

Diferentes sistemas nanoparticulados han sido estudiado para su aplicaciA?n en vacunas, entre ellos se pueden encontrar vectores virales, virosomas, liposomas, complejos inmunoestimulantes, nanopartA�culas de calcio, nanopartA�culas orgA?nicas e inorgA?nicas no biodegradables (ej: oro, lA?tex, sA�lica, poliA�ster, etc) y nanopartA�culas polimA�ricas biodegradables, entre otras. Dentro de las nanoestructuras que han sido investigadas y estudiadas en la vehiculizaciA?n de antA�genos y que han producido mayor interA�s se encuentran:

Liposomas: VesA�culas de doble capa compuestas principalmente por fosfolA�pidos y colesterol (Figura 1), su estudio en vacunas ha sido ampliamente difundido, llegando incluso al mercado y estudios fase clA�nica III. El antA�geno por lo general se encuentra suspendido al interior de la doble capa lipA�dica.

Nanoemulsiones: Sistemas coloidales lA�quidos, cinA�ticamente estables debido a la estabilizaciA?n estA�rica que producen los surfactantes presente en la formulaciA?n (Figura 1). Estos sistemas son los mA?s avanzados en el A?rea de inmunizaciA?n, teniendo al menos tres sistemas presentes en el mercado (Tabla 1).

NanopartA�culas: Sistemas coloidales sA?lidos que presentan un tamaA�o de partA�cula variable entre 10 -1000 nm (Figura 1). En el A?mbito de la medicina han sido utilizadas y estudiadas para diagnA?stico, imagen, terapia y vehiculizaciA?n de fA?rmacos y antA�genos. El antA�geno generalmente esta disuelto, entrapado, encapsulado o unido a la matriz de la nanoestructura.

NanocA?psulas: Nanosistemas tipo reservorio, tA�picamente compuestos por un nA?cleo oleoso rodeado de una cubierta polimA�rica. La inclusiA?n de aceites en la formulaciA?n permite el uso de algunos de ellos con propiedades inmunoestimulantes probadas como lo son el escualeno y el I� tocoferol. El antA�geno puede estar encapsulado en el nA?cleo oleoso o adsorbido en la cubierta polimA�rica (Figura 1).

figura 1

tabla1

tabla2

Los diversos sistemas de liberaciA?n de antA�genos de tamaA�o nanomA�trico pueden ser internalizados por las APC de diversas maneras: a travA�s de receptores (de forma selectiva), fagocitosis, macropinocitosis y endocitosis (ya sea mediado por clatrina, caveolina o independiente de ambos). El que un nanosistema se internalice de una u otra manera dependerA? principalmente de su tamaA�o, forma, propiedades y ligandos que tenga en su superficie.

En los A?ltimos aA�os, el estudio de los receptores presentes en las APCs y las diferentes vA�as de reconocimiento e internalizaciA?n de sistemas y patA?genos ha revolucionado la forma de diseA�ar vacunas. Diferentes receptores que reconocen seA�ales de peligro (PRRs, del inglA�s a�?pattern-recognition receptorsa�?), han sido identificados en donde destacan: TLR (del inglA�s: Toll Like Receptor), tanto de superficie como endosomal, NLR (del inglA�s: Nucleotide-binding oligomerization domain Receptors), CLR (del inglA�s C-type lectin receptor) RLH (del inglA�s RIG-like helicases) y Scavenger.

De todos estos, los que han tenido mayor impacto han sido los TLR. Diferentes molA�culas han sido reconocidas como agonistas de estos receptores con interA�s tanto para el diseA�o de vacunas (principalmente como adyuvante), como para diferentes enfermedades infecciosas, cA?ncer, alergias y enfermedades autoinmune entre otras.

Estos nuevos hallazgos han tenido su influencia tambiA�n en el diseA�o de nanosistemas para liberaciA?n de antA�genos. Se han utilizado diferentes materiales, que sean capaces de imitar seA�ales de peligro para el sistema inmune, muchos de ellos agonistas de los receptores anteriormente mencionados y que sean capaces de modular la respuesta inmune.

En este contexto, los biomateriales se presentan como buenos candidatos como adyuvantes ya que pueden liberar el antA�geno selectivamente a las cA�lulas dendrA�ticas, facilitando su presentaciA?n y por medio de ello, las APC son capaces de activarse, madurar y desencadenar una respuesta inmune eficiente. Entre los biomateriales, los polA�meros han sido ampliamente estudiados para la elaboraciA?n de nanosistemas en el A?rea de inmunizaciA?n. Las nanopartA�culas polimA�ricas han tenido una gran relevancia con el precedente de las micropartA�culas de PLGA (A?cido poli-lA?ctico-glicA?lico). Este material biodegradable (aprobado por la FDA en 1969 para su uso clA�nico) en la dA�cada de los 80s fue recomendado por la organizaciA?n mundial de la salud (OMS) para su uso en vacunas monodosis y asA� mejorar la cobertura de inmunizaciA?n (8). Es asA� como a partir de esta evidencia, este material en conjunto con el A?cido poli-lA?ctico (PLA), han sido dos de los polA�meros mA?s estudiado para su uso en sistemas de liberaciA?n de vacunas.

La liberaciA?n controlada y sostenida del antA�geno desde la plataforma nanomA�trica que lo vehiculiza, es una capacidad intrA�nseca del polA�mero y de la forma (arquitectura) en la que estA? ensamblado. Este hallazgo ha permitido el estudio de la administraciA?n de vacunas reduciendo el nA?mero de administraciones (intentando siempre de llegar a ser una A?nica administraciA?n) y logrando protecciA?n frente a la enfermedad. Con esto se pueden reducir los costos asociados a la vacunaciA?n y aumentar la cobertura de inmunizaciA?n.

Otro de los polA�meros ampliamente estudiado en el A?mbito de vehiculizaciA?n de antA�genos y tambiA�n de fA?rmacos es el quitosano. Este material, obtenido tras la desacetilaciA?n de la quitina, ha demostrado que por su alta capacidad de formar estructuras nanomA�tricas y fA?cil manejo, es un material ideal para la vehiculizaciA?n de macromolA�culas (9). Por otra parte, nanoestructuras de quitosano, han sido capaces de asociar eficientemente macromolA�culas y antA�genos y poder vehiculizarlos por vA�as mucosas (10).

Con la experiencia previa de partA�culas en quitosano cargadas con el toxoide tetA?nico, recientemente se ha publicado el desarrollo de sistemas a base de quitosano estructurado en forma de nanopartA�culas (11) o nanocA?psulas (12), en las que se ha demostrado su efectividad para transportar el antA�geno recombinante de superficie de la Hepatitis B (rHBsAg) por vA�a nasal o a travA�s de una sola dosis por vA�a parenteral, logrando inmunidad frente a esta enfermedad.

Otros biomateriales que han comenzado a ser ampliamente estudiado en el campo de la vehiculizaciA?n de fA?rmacos y antA�genos son los polipA�ptidos y poliaminoA?cidos. Si bien su uso es menos extendido que los polA�meros anteriormente mencionados como el PLGA o quitosano, estudios recientes han demostrado su potencial como material para formar diferentes micro- y nanosistemas.

Uno de los poliaminoA?cidos utilizados en el desarrollo de nanopartA�culas para la liberaciA?n de antA�geno es el A?cido poli-glutA?mico. Este biomaterial ha demostrado que es capaz de producir una mayor liberaciA?n de la proteA�na vehiculizada hacia las APC, ayudando a activar la maduraciA?n de las cA�lulas dendrA�ticas. Otro de los poliaminoA?cidos ampliamente estudiado en el desarrollo de nanosistemas es la polilisina. Este material, por su carga positiva a pH neutro, ha sido empleado especialmente como agente complejante en la vehiculizaciA?n de material genA�tico. En el A?rea de inmunizaciA?n se ha demostrado que nanopartA�culas recubiertas de este material actuarA�an como adyuvante en vacunas ADN.

Un grupo especial de pA�ptidos, que es necesario mencionar son los CPP (del inglA�s: Cell-penetrating peptides). De manera general, son pA�ptidos de no mA?s de 30 aminoA?cidos, anfipA?ticos y poseen una carga neta positiva. Tiene la propiedad de penetrar las membranas celulares y translocar diferentes molA�culas dentro de las cA�lulas. Por esta propiedad en las APC, es posible considerarlo en inmunizaciA?n y en el diseA�o de nuevas vacunas como una alternativa a los adyuvantes convencionales, asociado a su sA�ntesis quA�mica bien establecida y sencilla manipulaciA?n. Dentro de los CPPs, uno que se ha sido ampliamente estudiado en cuanto a su actividad adyuvante es la poliarginina (pARG). Una nueva vacuna (IC41) ha sido evaluada en diversos estudios clA�nicos, en donde la pARG junto con 5 pA�ptidos sintA�ticos, son la base de una vacuna terapA�utica contra la hepatitis C. Como es posible apreciar, diversos son los materiales que hoy se estA?n estudiando para el diseA�o de vacunas de tamaA�o nanomA�trico.

Por otra parte, el desafA�o de obtener vacunas que sean mA?s fA?ciles y econA?micas de administrar, deberA�a ser uno de los objetivos a cumplir en la bA?squeda de nuevas estrategias de inmunizaciA?n. En este sentido, el tamaA�o nanomA�trico de los sistemas de transporte de antA�geno se verA�a favorecido por una administraciA?n a travA�s de mucosas, ya que el antA�geno vehiculizado en estos sistemas de liberaciA?n serA�a capaces de cruzar esta barrera biolA?gica, llegar hasta una APC y desencadenar la respuesta inmune. Con este avance, podrA�amos contar con vacunas libres de jeringuillas, que sean capaces de administrarse por el mismo paciente, disminuyendo los costes de la inmunizaciA?n y generando una respuesta propia de las mucosas, que podrA�a resultar A?til en contra de patA?genos que tengan esta vA�a de entrada hacia el organismo.

Las vA�as de administraciA?n de vacunas transmucosas mA?s estudiadas han sido la nasal y la oral. Ambas vA�as de administraciA?n, poseen tejido linfoide asociado a su estructura, lo que asegurarA�a una eficiente respuesta inmune. De hecho esto se ve reflejado a que existen en el mercado una formulaciA?n con la vacuna oral de polio o una formulaciA?n nasal contra la influenza, entre otras.

Finalmente, la estabilidad del antA�geno a temperatura ambiente y evitar asA� la cadena de frA�o, es una de los grandes desafA�os que presenta el desarrollo de vacunas al dA�a de hoy. El uso de sistemas nanomA�tricos, permite estabilizar el antA�geno, logrando en algunos casos, su estabilidad acuosa en un amplio rango de temperatura. AdemA?s de ser formulaciones que pueden ser liofilizadas, obteniendo un producto seco, estable a temperatura ambiente y alcanzando con ello el beneficio de tener una formulaciA?n de vacuna termoestable (13).

ConclusiA?n

Con el progresivo desarrollo del conocimiento de inmunologA�a y los factores involucrados en una respuesta inmune eficiente, la posibilidad de estructurar diversos materiales a escala nanomA�trica como sistemas transportadores de antA�genos, abre una novedosa e interesante estrategia para poder diseA�ar nuevas y mejoradas vacunas que sean capaces de estar a la altura de los desafA�os que presenta hoy la salud mundial. Instituciones como la UNICEF, GAVI Alliance o la fundaciA?n Bill & Melinda Gates, se han preocupado de que este tema estA� en el centro de discusiA?n e investigaciA?n y es de esperar que una mayor coordinaciA?n entre los equipos de investigaciA?n, gobiernos e industria farmacA�utica, nos permitan tener en un futuro cercano mejores vacunas, con una mayor cobertura mundial, que sean capaces de aumentar mA?s la esperanza y calidad de vida en todo el mundo, con especial atenciA?n a los paA�ses en vA�as de desarrollo.

Agradecimientos: Xunta de Galicia, Grupos de Referencia Competitiva (GRC2014/043 – FEDER) y Ministerio de Ciencia e InnovaciA?n (SAF2011-30337-C02-01).

REFERENCIAS

1.A�A�A�A�A�A�A�A� Plotkin, S.A. et al. The development of vaccines: how the past led to the future. Nat Rev Micro. 2011, 9 (12), p: 889-893.

2.A�A�A�A�A�A�A�A� Scully, T. The age of vaccines. Nature. 2014, 507 (7490), p: S2-S3.

3.A�A�A�A�A�A�A�A� De Temmerman, M.L. et al. Particulate vaccines: on the quest for optimal delivery and immune response. Drug Discov. Today. 2011, 16 (13-14), p: 569-582.

4.A�A�A�A�A�A�A�A� Seder, R.A. et al. T-cell quality in memory and protection: implications for vaccine design. Nat. Rev. Immunol. 2008, 8 (4), p: 247-258.

5.A�A�A�A�A�A�A�A� Correia-Pinto, J.F. et al. Vaccine delivery carriers: Insights and future perspectives. Int. J. Pharm. 2013, 440 (1), p: 27-38.

6.A�A�A�A�A�A�A�A� Preis, I. et al. A single-step immunization by sustained antigen release. J. Immunol. Methods. 1979, 28 (1-2), p: 193-197.

7.A�A�A�A�A�A�A�A� Gregory, A.E. et al. Vaccine delivery using nanoparticles. Frontiers in cellular and infection microbiology. 2013, 3, p: 13-13.

8.A�A�A�A�A�A�A�A� GonzA?lez-Aramundiz, J.V. et al. Nanovaccine: nanocarriers for antigen delivery. Biologie Aujourd’hui. 2012, 206 (4), p: 249-261.

9.A�A�A�A�A�A�A�A� Garcia-Fuentes, M. et al. Chitosan-based drug nanocarriers: Where do we stand? J. Control. Release. 2012, 161 (2), p: 496-504.

10.A�A�A�A�A�A� Vila, A. et al. Design of biodegradable particles for protein delivery. J. Control. Release. 2002, 78 (1a��3), p: 15-24.

11.A�A�A�A�A�A� Prego, C. et al. Chitosan-based nanoparticles for improving immunization against hepatitis B infection. Vaccine. 2010, 28 (14), p: 2607-2614.

12.A�A�A�A�A�A� Vicente, S. et al. A Polymer/Oil Based Nanovaccine as a Single-Dose Immunization Approach. PLoS ONE. 2013, 8 (4), p: e62500.

13.A�A�A�A�A�A� Chen, D. et al. Opportunities and challenges of developing thermostable vaccines. Expert Rev. Vaccines. 2009, 8 (5), p: 547-557.