Vacunas basadas en nanotecnología

VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 1 VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 2 VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 3 RESUMEN: La nanotecnología incluye la síntesis, diseño, caracterización y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a una escala de 1-100 nanómetros. Se ha aplicado a numerosos campos, entre ellos las ciencias de salud, donde ha dado lugar a nuevas disciplinas como la nanomedicina, aplicándose por ejemplo a la elaboración de nanovacunas. El uso de la nanotecnología aplicado en la elaboración de vacunas está teniendo cada vez mayor influencia. Gracias a la aplicación de esta tecnología se han obtenido muchas ventajas debido a la disminución del tamaño de las partículas y su respectiva administración a través de vías no invasivas, como son la vía tópica donde se incluye la administración de la piel y de las mucosas, o la liberación transdérmica. Las nanovacunas desarrolladas como nanosistemas usan a éstos como agente transportador del propio antígeno, al igual que también sirven para dirigirlo a una diana específica, para potenciar la respuesta inmunológica frente al antígeno e incluso para una liberación lenta del mismo; permitiendo así una mejora en la estabilidad del antígeno y la inmunogenicidad. En este sentido, se han desarrollado muchos tipos de nanosistemas usando diferentes componentes. Los tipos de nanosistemas que se han investigado se clasifican en suaves y duros, los cuales, se diferencian según su naturaleza orgánica o inorgánica respectivamente. Dentro de ellos, se han investigado liposomas, micelas, nanopartículas poliméricas, partículas similares a virus, nanotubos de carbono y nanopartículas de oro. Por otro lado, también destacan otros nanosistemas, independientemente de esta clasificación, como son las nanoemulsiones. Palabras claves: Antígeno, inmunogenecidad, nanopartículas, nanosistemas, nanotecnología, vacuna. VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 4 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 5 1.1. Antígenos ............................................................................................................. 5 1.2. Vacunas ................................................................................................................ 5 1.3. Características y principales protagonistas de la respuesta inmune ........................ 7 1.4. Adyuvantes .......................................................................................................... 8 1.5. Nanotecnología .................................................................................................. 11 2. OBJETIVOS ........................................................................................................................... 13 3. METODOLOGÍA ................................................................................................................... 13 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................................. 14 4.1. Ventajas del uso de nanosistemas en vacunación ................................................ 14 4.2. Relación entre propiedades de las nanovacunas y su formulación ........................ 16 4.2.1. Tamaño de las nanopartículas ........................................................................... 16 4.2.2. Carga superficial ................................................................................................. 17 4.2.3. Morfología de las partículas ............................................................................... 18 4.2.4. Hidrofobicidad .................................................................................................... 19 4.3. Principales nanosistemas utilizados en la fabricación de vacunas ......................... 19 4.3.1. Nanosistemas orgánicos ..................................................................................... 19 4.3.2. Nanosistemas inorgánicos .................................................................................. 27 4.3.3. Otros nanosistemas ............................................................................................ 30 4.4. Nanovacunas en fase de investigación y aprobadas ............................................. 31 4.5. Resumen nanosistemas ....................................................................................... 32 5. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 34 6. BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 36 VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 5 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Antígenos Un antígeno es una sustancia que provoca que el sistema inmunitario produzca anticuerpos contra sí mismo. Es decir, nuestro sistema inmunitario no reconoce la sustancia y actúa desembocando una serie de procesos para combatirla. 1.2. Vacunas Se entiende por vacuna cualquier preparación que va a ser administrada con el fin de producir inmunidad hacia una enfermedad a partir de la estimulación del sistema inmune y la producción de anticuerpos. La clasificación principal de las vacunas se basa en (Department of Health and Human Services (HHS) 2017): - Vacunas vivas atenuadas. - Vacunas inactivadas o muertas. - Vacunas con toxoides. - Vacunas de subunidades, recombinantes, polisacáridas y combinadas. Las vacunas vivas atenuadas se componen de microorganismos debilitados causantes de la enfermedad; como tales ocasionan una infección inaparente o con síntomas mínimos respecto a la infección natural, en base a la cual se desarrolla la inmunidad. Un ejemplo sería la vacuna de la triple vírica que actúa frente al sarampión, la rubéola y las paperas (Coronado, 2017). Sin embargo, las vacunas inactivadas o muertas presentan el o los microorganismos completos pero inactivados por algún método físico o químico. Un ejemplo sería la vacuna de la gripe. Las vacunas con toxoides, como bien su nombre indica, usan para producir esa respuesta inmune la toxina producida por el propio microorganismo. Por tanto, la inmunidad queda orientada de forma específica para la toxina. Destaca dentro de este grupo la vacuna del tétanos. Por último, encontramos vacunas de subunidades, recombinantes, polisacáridas y combinadas, las cuales usan partes específicas del microorganismo, como su proteína, azúcar o cápsula, para estimular la producción de anticuerpos. El único inconveniente que presentan es que tiene una mayor probabilidad de necesitar vacunas de refuerzo para que sea efectiva la protección. Destaca en este tipo de preparaciones la vacuna de la hepatitis B. VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 6 Las vacunas más novedosas que podemos destacar son las de ADN o las de vectores recombinantes, que se contemplan como el futuro de las vacunas. Las vacunas de ADN están compuestas por diversos antígenos (bacterias, virus, parásitos o antígenos de origen tumoral) codificados en plásmidos que pueden inducir una respuesta inmunitaria protectora. En comparación con los demás tipos, presentan una seria de ventajas destacables como el desarrollo de una buena memoria inmunológica, que podría depender de la propia presencia del ADN (González-Romo y Picazo, 2015). También destaca su fácil producción, ya que el ADN es estable y fácil de fabricar, pero todavía es experimental debido a que ninguna vacuna de ADN ha demostrado producir una respuesta inmunológica, requerida para prevenir la infección (Cambronero y Prado-Cohrs, 2017). Las vacunas tipo vectores recombinantes son justamente eso, vectores (un virus o una bacteria) que expresan antígenos exógenos. Para ello, se insertan en el ADN del vector uno o más genes que codifican antígenos, generalmente proteínas. Así, cuando el vector replica en el huésped, no solo expresa sus proteínas propias sino también las de los genes insertados. En la siguiente tabla (Tabla 1) se recoge un resumen de los tipos de vacunas nombradas anteriormente: Vacuna Constitución Ejemplos Vacunas vivas atenuadas Patógeno entero Triple vírica Vacunas inactivadas Patógeno entero Gripe Vacunas recombinantes, polisacáridos, combinadas y de subunidades Parte del patógeno Hepatitis B Vacunas toxoides Toxina Tétanos Vacunas de ADN ADN Estudios de investigación Tabla 1. Tipos de vacunas con sus respectivas constituciones y ejemplos (Diaz-Arévalo y Zeng, 2020). VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 7 1.3. Características y principales protagonistas de la respuesta inmune Nuestro sistema inmunitario está estructurado y organizado en dos grandes componentes: sistema innato y sistema adaptativo. Respecto a la utilización de vacunas, la activación del sistema inmune innato precede a la generación de inmunidad adaptativa. El sistema innato constituye la primera línea de defensas formada por la combinación de barreras físicas (piel y mucosas), células especializadas que circulan por la sangre y el sistema linfático (células fagocíticas, células dendríticas, células asesinas o Natural Killer (NK, por sus siglas en inglés), y moléculas efectoras no celulares (complemento y lisozima)) contra los patógenos (Rosales-mendoza y González-ortega, 2019). Por otro lado, el sistema adaptativo está compuesto por linfocitos, tanto los circulantes como los que se acumulan en los órganos linfoides secundarios. Existen dos tipos de linfocitos implicados en la respuesta adaptativa, las células B (producidas en la médula ósea e hígado fetal) y las células T (precursores de la médula ósea que migran al timo donde maduran), las cuales se subdividen, según su función se clasifican en células colaboradoras (linfocitos T CD4+) o en células efectoras (linfocitos B y linfocitos T CD 8+). Los linfocitos B se encargan de la producción de anticuerpos ya que son responsables de la inmunidad humoral y actúan frente a patógenos extracelulares. Estos pueden reconocer a los antígenos sin la necesidad de que sean presentados por las células presentadoras de antígenos (CPA) a diferencia de los linfocitos T que si tienen esta necesidad. Los linfocitos T son responsables de la inmunidad celular frente a patógenos intracelulares, además, regulan la respuesta de las células B. Las células T se caracterizan por la expresión de un marcador de superficie, clasificándose en CD4+ y CD8+. Las CD4+ reconocen antígenos en el complejo de histocompatibilidad de clase II (CMH clase II), las cuales, son principalmente células colaboradoras que se conocen como linfocitos T colaboradores (Th). Se pueden dividir en varios subgrupos según el perfil de citoquinas que secretan (Cambronero, 2017): - Células Th1 segregan interferón gamma (INF-ɣ). - Células Th2 son productoras de citocinas (IL-4, IL-5, IL-13). - Otros tipos adicionales de subgrupos de Th, como Th17 (segregan IL-17, IL-9, IL-22 e IL- 23), Th folicular (segregan IL-21) y linfocitos T reguladores. Respecto la eficacia de las vacunas, ésta va a depender de su capacidad para inducir células T y B de memoria, a través de las vías inmunes Th1 y Th2, respectivamente. VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 8 Pero no solo existe el enfoque profiláctico para la utilización de vacunas, no podemos olvidar el posible uso terapéutico de las vacunas. Las vacunas profilácticas se usan en la prevención de enfermedades infecciosas virales, bacterianas o parasitarias. Mientras que las vacunas terapéuticas, desarrolladas hasta ahora, se administran para activar la respuesta inmune contra las células tumorales residuales existentes, principalmente en combinación con cirugía o quimioterapia, con la intención de prevenir o prolongar la vida del paciente. Hoy día, un ejemplo de vacuna terapéutica para el cáncer de próstata es Provenge® (Dendreon), la cual ha sido aprobada por la Food and Drug Administration (FDA) (Giese, 2014). 1.4. Adyuvantes Hoy día se conoce como adyuvante a cualquier sustancia, molécula o preparado químico que, incorporado al antígeno o administrado simultáneamente con él, es capaz de incrementar la potencia, calidad y duración de la respuesta inmune específica causando, al mismo tiempo, una mínima toxicidad (Pedroza-Roldan et al., 2018). Los adyuvantes en vacunas estimulan las células presentadoras de antígenos y se dirigen al sistema inmune innato, produciendo una fuerte respuesta inmune. Se pueden clasificar en tres grupos, como (Negahdaripour et al., 2017); 1- Sistemas de administración de compuestos no inmunoestimulantes, que se dirigen y presentan la vacuna al sistema inmune, 2- inmunoestimuladores, es decir, estimulan directamente al sistema inmune innato, y 3- combinación de las dos clases anteriores mencionadas, presentando mayor eficacia. Por tanto, cada vacuna lleva incorporado su coadyuvante idóneo. Sin embargo, no existe un gran número de adyuvantes que se empleen debido a que frecuentemente ejercen elevada toxicidad. Los adyuvantes deben cumplir una función específica cuando se incorporan con el antígeno, ejerciendo un mecanismo de acción u otro. Basándonos en la clasificación funcional de Schijns, encontramos (Batista-Duharte et al., 2014) (Figura 1): 1. Estimuladores de la señal 1, son los presentadores de antígenos. Se basan en que la estimulación linfocítica depende de la presentación antigénica en ganglios linfáticos regionales, por medio de las células presentadores de antígenos (CPA), fundamentalmente células dendríticas. Son los adyuvantes con efecto depósito y que garantizan una lenta y prolongada liberación del antígeno. VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 9 2. Estimuladores de la señal 2, son los coestimuladores. Esta señal de activación requiere la liberación de citoquinas o de moléculas coestimuladores en las CPA para potenciar la estimulación de la respuesta inmune específica. Para ello, necesita la activación previa de las CPA, la cual, se puede llevar a cabo por dos vías no excluyentes que son: a) Señal 0, estos adyuvantes son partes integrantes de las bacterias reconocidas por las CPA, que cuando son detectadas provocan la estimulación del funcionamiento del sistema inmune. b) A través de las señales de peligro, las cuales son moléculas endógenas, que se liberan cuando hay necrosis celular. Es decir, cuando provocan daño en las células liberan parte de estas que al ser detectadas por el sistema inmune producen su activación. 3. Estimuladores de la señal 3, son los polarizadores a Th1/Th2. Las células de inmunidad innata activadas son capaces de activar a los linfocitos T auxiliares inactivados (Th 0) polarizando la respuesta inmune hacia un patrón Th1 o Th2, determinado por el perfil de citoquinas que liberen otros factores. Esta polarización depende de varios factores como son el tipo de antígeno, la vía de inoculación y el adyuvante empleado. Figura 1. Esquema de los mecanismos de acción que pueden llevar a cabo los adyuvantes (Batista-Duharte et al., 2014). En resumen, estos mecanismos de acción del adyuvante son, la formación de depósitos de antígenos, la inducción de inflamación local y el aumento de la captación de antígeno por las CPA (Soema et al., 2015). VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 16 4.2. Relación entre propiedades de las nanovacunas y su formulación La administración de vacunas basadas en nanopartículas surgió con el objetivo de impulsar respuestas inmunitarias tanto primarias como secundarias en el cuerpo. Las respuestas inmunes primarias son aquellas que protegen al cuerpo de los posibles daños que pueden ocurrir en la primera exposición al patógeno o antígeno, y las respuestas secundarias, se desencadenan dependiendo de la memoria inmunológica generada de la primera exposición y protegen al cuerpo de futuros encuentros con el mismo epítopo (Bhardwaj et al., 2020). Las nanopartículas pueden circular por el cuerpo sin causar riesgo de embolia debido a su pequeño tamaño y son capaces de penetrar en las células y sus diferentes compartimentos, además de que pueden ser elaboradas a partir de materiales biodegradables (Gheibi Hayat and Darroudi, 2019). La potenciación de la inmunogenicidad es atribuible al tamaño de partícula a nanoescala, que facilita la absorción por las células fagocíticas, el tejido linfoide asociado al intestino y el tejido linfoide asociado a la mucosa, lo que lleva a un reconocimiento y presentación de antígeno eficiente cuando los nanosistemas llegan a estos tejidos (Kim et al., 2014) A continuación, vamos a detallar factores que influyen en las propiedades de las nanovacunas y en su biodistribución: 4.2.1. Tamaño de las nanopartículas El tamaño de una partícula presente en el organismo se relaciona directamente con su capacidad de transitar a los ganglios linfáticos, sus múltiples vías de absorción y su potencial influencia en los tipos de resultados inmunes (Daniel Harris et al., 2017). Se ha demostrado que las partículas más pequeñas inducen respuestas inmunes Th2 mientras que las partículas más grandes promueven el interferón ɣ (IFN-ɣ) y respuestas típicas Th1 (Bungener et al., 2017). Por tanto, el tamaño de partículas es una característica clave en la regulación de las funciones de las nanovacunas (Liu et al., 2019a). Este parámetro influye en la absorción, distribución, excreción y metabolismo. Por tanto, es importante definir el tamaño de las partículas del nanosistema que vamos a emplear para desarrollar la vacuna. Para ello, se usa como herramienta de medida del tamaño de partícula el cálculo del radio hidrodinámico. VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 17 El radio hidrodinámico se calcula reordenando la ecuación de Stokes-Einstein (Khatib, 2015), D= kT/6πηR donde: D, es el coeficiente de difusión, K, es la constante de Boltzmann, T, es la temperatura, ŋ, es la viscosidad del medio, y R, es el radio hidrodinámico de las especies en difusión. Según su tamaño medio, los nanosistemas podrán ser captados por los vasos linfáticos o por las CPA (Irvine and Read, 2020):  Partículas pequeñas (< 20 nm) drenarán a los capilares sanguíneos y posteriormente se eliminarán.  Partículas entre 20 y 100 nm drenarán hacia los ganglios linfáticos donde se absorberán por las CPA.  Partículas más grandes (> 100 nm) probablemente permanezcan en los sitios de inyección hasta que sean capturadas y transportadas a los ganglios linfáticos por las CPA. 4.2.2. Carga superficial El potencial zeta es un parámetro que nos informa sobre la carga superficial de las nanopartículas, de ahí que pueda indicar si un material cargado es encapsulado en el centro de la nanopartícula o en la superficie (Gómez-Gaete, 2014). Por otro lado, se ha averiguado que debido a que la membrana celular intestinal está cargada negativamente, las nanopartículas cargadas positivamente interaccionan con el epitelio intestinal con mayor fuerza, en comparación con las nanopartículas cargadas negativamente o neutras (Alai et al. 2015). Sin embargo, se ha demostrado que la carga negativa de las nanopartículas aumenta su eliminación en la sangre en comparación a las nanopartículas con carga positiva o neutras (Nandhakumar et al., 2017). Así, la carga catiónica es un factor importante para retener el nanosistema en el sitio de administración. Liu y colaboradores explicaron que los liposomas catiónicos se agregan y producen en el lugar de administración un efecto de depósito tanto de ellos mismos como de los antígenos durante un período prolongado de tiempo (Liu et al., 2019b). A mayor valor absoluto del potencial zeta, mayor es la cantidad de carga en la superficie de la partícula y la posibilidad de que se originen interacciones repulsivas pudiendo ocasionar VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 18 nanosuspensiones más estables, debido a que se evita la formación de aglomerados. De ahí, que el potencial zeta sea también, por tanto, un índice de estabilidad de las partículas en suspensión (Mayoral et al., 2014). Varios estudios han demostrado que las partículas con un potencial zeta por encima de ± 30 mV son estables en suspensión (Vogel et al., 2017). Esa carga superficial de los nanosistemas juega además un papel importante en la excreción de los nanosistemas del cuerpo, ya que si no se excretan o no se degradan se acumularán en órganos y tejidos pudiendo ocasionar efectos adversos. El aclaramiento renal a través de los riñones es responsable de la eliminación de nanopartículas menores de 8 nm, influyendo la carga superficial en su facilidad de excreción siguiendo un orden de carga negativa > carga neutra > carga positiva. Esto es debido a la carga negativa que presentan las membranas. Sin embargo, el aclaramiento biliar a través del hígado permite la excreción de nanopartículas mayores de 200 nm, influyendo la carga superficial de modo que cuando se encuentra aumentada presentan una mayor distribución en hígado (Zhao et al., 2014). 4.2.3. Morfología de las partículas Se ha demostrado en varios estudios que la forma de las nanopartículas es un factor que afecta a la penetración celular. Además, es un factor importante en el comportamiento in vivo y la función biológica, ya que influye especialmente en la internalización de las nanopartículas en las células. Por ejemplo, una comparación en la biodistribución de nanopartículas de oro pegiladas, unas en forma de barra y sus otras esféricas mostró que los nanopartículas de oro en forma de barra fueron captadas en menor medida por el hígado y los macrófagos, mostrando tiempos de circulación más largos y una mayor acumulación en el tejido tumoral en comparación con las nanopartículas esféricas (Baetke et al., 2015). Otros estudios han demostrado que las nanopartículas esféricas son capaces de producir una respuesta inmune más fuerte que las nanopartículas con forma de varilla o disco (Pati et al., 2018). Por otro lado, las diferentes presentaciones morfológicas también mejoran la vehiculización del fármaco en la zona de interés. Así mismo, partículas esféricas presentan mejor penetración en el tejido, mientras que los nanotubos o las fibras presentan mejor retención (Li et al., 2019). Un estudio demostró la distribución dependiente de las formas de las nanopartículas donde las nanopartículas de barra corta se encontraban predominantemente en el hígado mientras que las barras largas se encontraban en el bazo. Produciéndose así una excreción más rápida en las varillas cortas que las largas (Zhao et al., 2014). VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 19 En conclusión, durante la producción de los nanosistemas usados en vacunas, debe tenerse en cuenta que las partículas esféricas presentan mejor internalización celular en comparación con partículas no esféricas (Gheibi Hayat and Darroudi, 2019). 4.2.4. Hidrofobicidad La hidrofobicidad juega un papel importante en la interacción con las proteínas solubles y células inmunes a través del reconocimiento de restos hidrofóbicos. Por tanto, influye en el destino in vivo de las nanopartículas (Pati et al., 2018). En diversos estudios se han demostrado que las nanopartículas poliméricas hidrofóbicas son inductoras potentes de las citoquinas y moléculas coestimuladoras, en comparación con las nanopartículas poliméricas hidrófilas (Pati et al., 2018). Por tanto, la inducción de citoquinas conlleva a la activación de macrófagos produciendo un aumento de la capacidad fagocitaria y por consiguiente en las respuestas inmunitarias. Por tanto, la composición de los nanosistemas es uno de los principales factores de influencia en la biodisponibilidad de las nanopartículas; así por ejemplo, se sabe que la asociación de polímeros hidrofílicos con los nanosistemas va a aumentar su vida útil en el cuerpo. Sobre todo, el uso de polímeros como el polietilenglicol (PEG) destacó debido a que se ha demostrado que aumenta la biodisponibilidad y estabilidad del nanosistema en el cuerpo (Gheibi Hayat and Darroudi, 2019). 4.3. Principales nanosistemas utilizados en la fabricación de vacunas Muchos estudios han demostrado que los nanosistemas actúan como sistema de liberación de vacunas mejorando la inmunogenicidad de los nuevos antígenos recombinantes y además permitiendo la administración a través de vías no invasivas como las mucosas o la administración transdérmica, ayudando además a mejorar la cobertura inmunológica (González-Romo and Picazo, 2015) A continuación, se despliega una descripción de los principales nanosistemas que se han estudiado como vehículos de vacunas, clasificados como ya se ha citado anteriormente: 4.3.1. Nanosistemas orgánicos 4.3.1.1. Liposomas Los liposomas son estructuras vesiculares microscópicas de tamaño variable, constituidas por una o más bicapas de fosfolípidos biodegradables y no tóxicos, encerrados en un interior acuoso (Delgado Rubio et al. 2016). VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 20 Según su tamaño se clasifican en ‘small unilamellar vesicles’ (SUVs), siendo estas entre 20 y 50 nm de diámetro, o ‘largue multilamellar vesicles (MLVs), oscilando entre 1 y 2,5 µm (Vitas et al., 2017). Se puede visualizar esta diferencia en la siguiente imagen (Figura 5): Figura 5. Diferencias de liposomas según su tamaño. A: SUVs y B: MLVs (Vitas et al., 2017). Estas vesículas son capaces de atrapar el antígeno, citoquina o gen, para introducirlos en el cuerpo, sin que se produzcan respuestas inmune de rechazo (Pedroza-Roldan et al. 2018). Las capas de lípidos que presentan estos liposomas encapsulan los antígenos y actúan como sistemas liberadores en ciertas células, e incorporan glicoproteínas de la envoltura viral para formar virosomas. Los virosomas se caracterizan por ser un cruce entre liposomas y partículas similares a virus (VLP), son estructuras con proteínas de la cápside viral en la superficie liposómica que les permite una fusión efectiva con la membrana de la célula diana (Bhardwaj et al., 2020). Por otro lado, los liposomas se caracterizan por su composición en fosfolípidos que aumenta la capacidad de las CPA para fagocitar las partículas, aumentando el procesamiento y la presentación del antígeno. Al igual que pueden transportar adyuvantes externos o tenerlos incorporados en sus membranas provocando respuestas inmunes más fuertes (Karch and Burkhard, 2016). Además, la carga superficial liposómica desempeña un papel importante en la respuesta inmune de la vacuna, es decir, liposomas cargados positivamente inducen respuestas más fuertes que los liposomas cargados negativamente, ya que interacciona de forma más eficiente con los macrófagos y células presentadoras de antígenos (Wen et al., 2019). En este sentido, se ha estudiado que los fosfolípidos pueden producir cambios en el contenido aniónico de la membrana, y así contribuir a la carga superficial del liposoma alterándola (Nisini et al., 2018). Por tanto, se puede trabajar con una formulación de liposomas modificados VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 21 químicamente en superficie con grupos funcionales, como amina (catiónico) y carboxilo (aniónicos) (Wen et al., 2019). En la siguiente imagen (Figura 6) se puede observar la estructura que pueden construir los fosfolípidos, es decir, micelas o liposomas. Figura 6. Estructuras que forman los fosfolípidos (https://naukas.com/2014/09/24/liposomasla-medicina-del-futuro/). Bungener y colaboradores han demostrado el excelente potencial que presentan los liposomas para la entrega de terapias y/o vacunas debido a las siguientes propiedades (Bungener et al., 2017) en base a:  Son biocompatibles, biodegradables y bajos / no tóxicos.  Son capaces de incorporar componentes hidrofílicos o hidrofóbicos, y es posible el suministro doble de antígeno.  Pueden mejorar la solubilidad de los antígenos hidrófobos.  Proporcionan una liberación controlada a largo plazo de antígenos encapsulados.  Mejoran la estabilidad de los antígenos contra la degradación física y biológica (descomposición enzimática de antígenos peptídicos / proteicos).  Se pueden modificar químicamente para unir ligando de orientación a su superficie.  Pueden aumentar el tiempo de circulación sistémica de las vacunas.  Pueden reducir los efectos secundarios inespecíficos de la terapéutica encapsulada, mejorando así su índice terapéutico. VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 22  Pueden presentar múltiples copias de epítopos.  La naturaleza de los liposomas ayuda en la presentación cruzada de antígenos que generan respuestas de células T citotóxicas (CTL) específicas de antígeno, lo cual es particularmente importante en el desarrollo de vacunas contra virus y cánceres. Principalmente destacan dos características para la utilización de liposomas en la elaboración de vacunas (Bungener et al., 2017): Primero, la encapsulación de antígenos en los liposomas, los convierte en solubles y así pueden ser capturados por las CPA. Así, esta presentación puede ser captada a través de las principales moléculas del complejo de histocompatibilidad para activar a los linfocitos T CD4 + y CD8 + para activar el sistema inmunitario adaptativo. Además, tras la activación, las CPA producen las citoquinas necesarias para activar el sistema inmunitario innato y adaptativo. En segundo lugar, pueden proporcionar un efecto de depósito y así conseguir una retención a largo plazo y liberación sostenida de antígenos en el sitio de administración. No obstante, ocasionaría no solo respuestas Th2, sino que también una respuesta inmune dependiente de Th1. Esto proporciona protección contra patógenos intracelulares donde la inmunidad dependiente de anticuerpos es inadecuada. En resumen, una ventaja destacable que presenta la formulación de vacuna en liposomas es que una vez que han sido absorbidas por las células intestinales, se absorben y se transportan por el sistema linfático. De este modo, produce una minimización del efecto del metabolismo de primer paso ocasionando un aumento de concentración de la vacuna en sangre sistémica, y con ello, aumenta la biodisponibilidad y la vehiculización en el lugar de acción (Ghosh et al., 2019). 4.3.1.2. Micelas Las micelas son estructuras formadas por copolímeros anfifílicos que se autoensamblan en agregados nanométricos por encima de la concentración micelar crítica (Alai et al., 2015). En comparación con los liposomas y VLP que presentan núcleos hidrófilos, como se indica en la Figura 7, las micelas poseen un núcleo hidrofóbico (Smith et al., 2015), y una superficie hidrofílica llamada ‘corona’ (Facciolà et al., 2019). VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 23 Figura 7. Estructura de las micelas (Yan et al., 2020). Las micelas pueden presentar diferentes formas, composición y tamaños que afectan al potencial de activación inmune. Se caracterizan por tener un tamaño de partícula de 10-100 nm (Saeedi et al., 2019), lo que facilita el suministro de antígenos a las células presentadoras de antígenos, especialmente las células dendríticas. Los antígenos se pueden conjugar con micelas de dos maneras diferentes. Se unen covalentemente a la superficie micelar, es decir, a la corona hidrofílica; o se conjugan con la variedad de colas de alquilo para formar micelas de péptidos anfifílicos (Bhardwaj et al., 2020). Estos péptidos anfifílicos son una clase de biomaterial, compuestos por péptidos unidos a las colas de alquilo hidrófobas, que en medio acuoso se autoensamblan y forman la estructura micelar (Facciolà et al., 2019). El método de conjugación se ha utilizado para micelas basadas en polímeros cargadas con adyuvante para unir vacunas contra el VIH, que pueden producir una fuerte activación de las células presentadoras de antígenos in vitro. Por tanto, el adyuvante actúa uniéndose preferentemente a la albúmina y fluye a los ganglios linfáticos, aumentando la probabilidad de desencadenar la aparición de células T. Al igual que las micelas no sólo son capaces de interactuar con las células dendríticas en el sitio de inyección sino que llegan al sistema linfático y así hasta los ganglios linfáticos (Facciolà et al., 2019). Un estudio demostró que las micelas de péptidos anfifílicos cilíndricos o de forma esférica contienen las cantidades correctas de antígenos y adyuvantes anfifílicos, y pueden alcanzar eficientemente los ganglios linfáticos. Al igual que también ejercen un papel importante como vacuna anticancerígena (Facciolà et al., 2019). VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 24 4.3.1.3. Nanovacunas a base de proteínas biomiméticas Las proteínas biomiméticas son proteínas de origen viral. Presentan cápsides virales autoesambladas desprovistas de material genético y se clasifican como partículas similares a virus (VLP) (Bhardwaj et al., 2020). Se trata de nanopartículas de autoensamblaje no infecciosas, ya utilizadas para el desarrollo de vacunas virales. Están equipadas por una cubierta viral externa, caracterizada por epítopos repetitivos los cuales el sistema inmunitario reconoce como una estructura no propia. Destaca su similitud con los virosomas, pero la diferencia entre ambas, es que los virosomas poseen una pequeña concentración de ciertas proteínas virales en la superficie de los liposomas, mientras que las VLP se parecen a la estructura tradicional del virus excepto que no tiene material genético viral que los haga infeccioso o capaz de replicarse (Smith et al., 2015). Su tamaño normalmente oscila entre 20-800 nm para la aplicación en vacunas (Facciolà et al., 2019). Son eficaces para provocar respuestas inmunes tanto en el linfocito T como en el linfocito B pero su capacidad producir anticuerpos está incrementada cuando se administra con otros adyuvantes en conjunto, como las sales de aluminio (Pedroza-Roldan et al., 2018). Las VLP presentan una serie de ventajas que incluyen (Shirbaghaee and Bolhassani, 2016) - No necesitan propagar organismos patógenos. - Estructuras de superficie repetitivas y ordenadas, es decir, son una o más proteínas estructurales que se puede organizar en una o varias capas, y en algunos casos, la partícula está envuelta por una membrana lipídica. - De naturaleza multivalente y particulada. - Más seguros en comparación con otros nanosistemas. - Estable en condiciones ambientales externas, dependiendo de la estructura VLP (es decir, envolvente o no). - Útil como portador para expresar el antígeno extraño. Las VLPs presentan un potencial característico para atacar a las células dendríticas y así activa las respuestas inmunes innatas y adaptativas. Las partículas entre 20 y 200 nm estimulan las células CD4+ y CD8+ generando respuestas Th1 mayoritariamente. En su contribución para la elaboración de vacunas destaca su utilidad como nuevas estrategias para la elaboración de vacunas de aplicación en mucosas; debido a su pequeño tamaño y VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 25 composición química de superficie, minimizan las interacciones adhesivas hidrofóbicas y electrostáticas con el moco. En varios estudios han logrado elaborar vacunas basadas en VLP como contra el virus de la hepatitis B (VHB) y el virus del papiloma humano (VPH) (Giese, 2014). En 1986, se comercializó la primera vacuna VLP para el VHB, administrada en poblaciones sanas (Zhao et al., 2014). A continuación, se muestran varios ejemplos de estructuras de VLP en distintas enfermedades con sus respectiva proteína expresada (Figura 8). Figura 8. Diferentes estructuras de partículas similares a virus. Las partículas similares a virus pueden derivar de una variedad de virus como podemos ver; HEV, virus de la hepatitis E; VPH, virus del papiloma humano (Zhao et al., 2014). 4.3.1.4. Nanopartículas poliméricas Son sistemas coloidales formados por polímeros naturales o sintéticos. Hay dos tipos de nanopartículas poliméricas con distintas propiedades de liberación: nanoesfera y nanocápsulas (Peres et al., 2017). Las nanoesferas son nanoestructuras de tipo matricial en las que el fármaco está física y uniformemente dispersado. Mientras que las nanocápsulas son nanosistemas vesiculares en los que el fármaco es vehiculizado en una cavidad interna rodeada por una membrana polimérica. La siguiente imagen (Figura 9) ilustra la diferente estructura de nanoesferas y nanocápsulas. VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 32 VLP Péptidos autoensamblados Ambirix ® Hepatitis B y A (Bivalente) VLP Péptidos autoensamblados Gardasil ® Virus del papiloma humano (VPH), cáncer de cuello uterino. Tabla 3. Diferentes nanovacunas aprobadas. Fuente: Elaboración propia con referencia en (Bhardwaj et al., 2020; Facciolà et al. 2019; Rosa et al. 2017). 4.5. Resumen nanosistemas Nanosistema Material/es Carga Ventajas Desventajas Liposomas Bicapa de fosfolípidos. Encapsulado dentro del núcleo hidrofílico. Capacidad para transportar fármacos hidrófilos o hidrófobos, biocompatibles, biodegradables, estables, posibilidad de funcionalización de la superficie. Altamente sensible a cambios estructurales y naturaleza de carga útil. Alto coste de producción. Tóxico porque el medicamento puede filtrarse o desplazarse al torrente sanguíneo. Micelas Partículas coloidales nanométricas, generalmente esféricas, con un interior hidrofóbico y un exterior hidrofílico. Síntesis anfifílica. Núcleo hidrofóbico que puede cargar drogas no hidrofílicas. Pobre estabilidad. VLP Autoensamblaje de proteínas de la cápside biocompatibles, carecientes del ácido nucleico infeccioso. Nanopartículas de autoensamblaje. Seguros, estables a condiciones externas ambientales, naturaleza multivalente y Dificultad de ampliación y necesidad de purificación. VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 33 estructura semejante a los virus de los que proceden. Nanopartículas poliméricas (nanoesferas y nanocápsulas) Matriz sólida de polímero hidrofóbico con núcleo acuoso opcional (nanocápsula). Embebido en la matriz polimérica o dentro del núcleo. Alta capacidad de carga, capacidad de carga flexible, perfiles de liberación fiables, evita la fuga del medicamento. Difíciles de purificar y pobres propiedades de la tienda. Nanotubos de carbono Grafito dispuesto en conformación de hoja o cilíndrico. Unido a la columna vertebral del carbono. Propiedades fototérmicas y ópticas innatas, alta capacidad de carga superficial. Pobre biodegradabilidad, acumulación en los órganos, baja solubilidad y toxicidad. Nanopartículas de oro Partículas sólidas de oro típicamente recubierto con polietilenglicol. Fijado a la superficie / revestimiento de la superficie. Propiedades fototérmicas y ópticas innatas. Problemas de estabilidad fisiológica, rápidos índices de depuración. Costoso coste de fabricación. Nanoemulsiones Dos fases líquidas inmiscible, donde la fase interna presenta tamaño nanométrico. Portador esfera sólida con superficie amorfa, lipofílica y carga negativa. Transparencia, estable, lleva fármacos tanto hidrofóbicos como lipofílicos. Tiende a separar la fase interna por mecanismos de desestabilización y presentan toxicidad. Tabla 4. Resumen de los diferentes nanosistemas con sus respectivos materiales usados, carga, ventajas y desventajas que presentan (Richards et al., 2016; Saleem et al., 2019; Yan et al., 2020). VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 34 5. CONCLUSIONES I. La nanotecnología es una ciencia que está aportando grandes beneficios a la medicina actual. En el campo de las nanovacunas aún falta mucho por investigar, ya que, a pesar de todos los estudios realizados, la mayoría de vacunas están en fases tempranas de desarrollo y no todas tienen la misma probabilidad de ser desarrolladas con éxito en un período de tiempo no inferior a 5 años. II. Uno de los problemas que presentan el uso clínico de nanosistemas es la biocompatibilidad debido a la toxicidad que generan en el organismo algunas formulaciones, destacando las de carácter inorgánico. III. Gracias a las nanovacunas se van a generar respuestas amplificadas, robustas y específicas en comparación con las vacunas tradicionales. Provocando además una liberación controlada y prolongada en el sitio de acción. Al igual que permiten administrarse por diferentes vías de administración como son las vía oral y nasal. IV. Debido a su tamaño nanométrico, estos nanosistemas formados por nanopartículas no pueden ocasionar embolia en el cuerpo penetrando así con mayor facilidad en numerosas barreras fisiológica al igual que las interacciones con las biomoléculas tanto en superficie como en el interior de las células se encuentran facilitada. V. Su elaboración a base de materiales biodegradables facilita su eliminación del organismo, posibilitando con ello, una reducción de posibles toxicidades. VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 35 ABREVIATURAS: CLT: Células T citotóxicas específicas de antígenos CNT: Nanotubos de carbono CPA: Células presentadoras de antígenos IFN-ɣ: Interferón ɣ MLVs: Largue multilamellar vesicles MWNT: Nanotubos de carbono de pared múltiple NK: Células asesinas o Natural Killer PAC: Celulosa polianiónica pADN: Vacunas de ADN plasmídico PEG: Polietilenglicol PLA: Polilactida PLGA: Ácido poliláctico-co-glicólico SUVs: Small unilamellar vesicles SWNT: Nanotubos de carbono de pared simple Th1: Respuestas T Helper 1 Th2: Respuestas T Helper 2 VHB: Virus de la Hepatitis B VHE: Virus de la Hepatitis E VHP: Virus del Papiloma Humano VLP: Partículas similares a virus VACUNAS BASADAS EN NANOTECNOLOGÍA 36 6. BIBLIOGRAFÍA - Ahmad S, Zamry AA, Tan HTT, Wong KK, Lim JK, Mohamud R. Targeting dendritic cells through gold nanoparticles: A review on the cellular uptake and subsequent immunological properties. Mol Immunol [Internet]. 2017;91(June):123–33. 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