In-vivo Delivery of mRNA-Based Vaccines and Administration Routes

Özet

Messenger (haberci) ribonükleik asit (mRNA) moleküllerinin aşı veya genetik tedavi amaçlı kullanımında protein ekspresyonunun etkinliğini belirleyen önemli parametrelerden biri bu moleküllerin hücre içerisine iletilmesinde başvurulan yaklaşımlardır. Viral vektör aracılı olmayan genetik bilgi transferi olarak da tanımlanan mRNA temelli aşı sistemlerinin hücrelere verimli bir şekilde iletilebilmesi için birçok farklı yaklaşım denenmiştir. Bu yöntemlerden biri mRNA moleküllerinin herhangi bir taşıyıcı molekül olmaksızın çıplak olarak dokulara doğrudan verilmesidir. Çıplak mRNA hücre dışı RNazlar (extracellular RNases) tarafından hızla yıkılır ve hücre içerisine verimli bir şekilde alınamaz. Bu nedenle, mRNA'nın hücreye alınmasını kolaylaştıran çeşitli biyokimyasal (protamin ve penetre edici peptitler gibi) ve fiziksel-mekanik yöntemler (elektroporasyon ve gen tabancası gibi) geliştirilmiştir. Öncelikle terapötik kanser aşılarının iletiminde başvurulan farklı bir yaklaşım ise otolog dendritik hücrelere (DH) ex-vivo mRNA yüklenmesi ve transfekte edilen DH’lerin tekrar dokulara enjekte edilmesidir. Ölçeklenebilir üretim için ideal bir yaklaşım olmayan bu sistem salgınlara müdahalede veya toplumsal bağışıklamada yetersiz kalacağı için bu stratejiye alternatif olan üçüncü bir mRNA iletim sistemi olarak nanopartikül taşıyıcılar geliştirilmiştir. Lipit nanopartiküller, polimerler ve katyonik nano-emülsiyonlar gibi farklı taşıyıcı sistemleri içeren bu nanopartiküller protamin, kolesterol ve polietilenglikol gibi çeşitli moleküllerin eklenmesi ile modifiye edilebilmektedir. Aşılama ile ulaşılmak istenilen hedefe göre mRNA temelli sistemler intradermal, subkutan, intranazal, intrasplenik, intravenöz ve intramusküler enjeksiyon gibi çeşitli yollarla doku-hedefli veya sistemik olarak verilebilmektedir. Bu derleme makalede mRNA bazlı aşıların hücrelere ve dokulara verimli bir şekilde in-vivo iletilmesi için kullanılan tekniklerin bir özeti sunulmuştur.

Abstract

One of the important parameters determining the efficiency of protein expression in the use of messenger ribonucleic acid (mRNA) molecules for vaccine or genetic therapy is the approaches used in the delivery of these molecules into the cell. Many different approaches, also defined as non-viral vector-mediated gene transfer, have been tried in order to efficient delivery of mRNA-based vaccine systems to cells. One of these methods is delivery of naked mRNA molecules directly to tissues without any carrier molecules. Naked mRNA is rapidly degraded by extracellular RNases and cannot be efficiently taken into the cell. Therefore, various biochemical (such as protamine and penetrating peptides) and physical-mechanical methods (such as electroporation and gene gun) have been developed that facilitate the uptake of mRNA into the cell. A different approach, which is primarily used in the delivery of therapeutic cancer vaccines, is ex-vivo loading of mRNA into autologous dendritic cells (DCs) and re-injection of transfected DCs into tissues. Since this system, which is not an ideal approach for scalable production, will be inadequate in response to epidemics or in community immunization, nanoparticle carriers have been developed as a third mRNA delivery system as an alternative to this strategy. These carrier systems, include different designs such as lipid nanoparticles, polymers and cationic nano-emulsions, can be modified adding a variety of molecules such as protamine, cholesterol and polyethyleneglycol. mRNA based systems can be administered systemically or tissue-targeted by various means such as intradermal, subcutaneous, intranasal, intrasplenic, intramuscular and intravenous injections, depending on the target to be achieved by vaccinating. A summary of the techniques used for efficient in-vivo delivery of mRNA-based vaccines to cells and tissues was presented in this review article.