mRNA-Impfstoffe haben sich kürzlich als hochwirksam gegen SARS-CoV-2 erwiesen. Der Schlüssel zu ihrem Erfolg sind lipidbasierte Nanopartikel (LNP), die eine effiziente mRNA-Expression ermöglichen und dem Impfstoff adjuvante Eigenschaften verleihen, die starke Antikörperreaktionen fördern. Wirksame Krebsimpfstoffe erfordern langlebige, qualitative CD8-T-Zell-Antworten anstelle von Antikörperantworten. Die systemische Impfung scheint der effektivste Weg zu sein, erfordert jedoch eine Anpassung der LNP-Zusammensetzung, um mRNA an Antigen-präsentierende Zellen zu liefern. Unter Verwendung einer Design-of-Experiments-Methodik haben wir mRNA-LNP-Zusammensetzungen so angepasst, dass innerhalb einer einzigen Optimierungsrunde tumorspezifische CD8-T-Zell-Antworten mit hohem Ausmaß erreicht werden. Optimierte LNP-Zusammensetzungen führten zu einer verstärkten mRNA-Aufnahme durch multiple Milz-Immunzellpopulationen. Typ-I-Interferon und Phagozyten erwiesen sich als essentiell für die T-Zell-Antwort. Überraschenderweise entdeckten wir auch eine noch nicht identifizierte Rolle von B-Zellen bei der Stimulierung der durch den Impfstoff hervorgerufenen CD8-T-Zell-Antwort. Optimierte LNPs zeigten ein ähnliches, milzzentriertes Bioverteilungsprofil bei nichtmenschlichen Primaten und lösten keine histopathologischen Veränderungen in Leber und Milz aus, was ihre weitere Bewertung in klinischen Studien rechtfertigt. Zusammengenommen verdeutlicht unsere Studie die Beziehung zwischen der Nanopartikelzusammensetzung und ihrer T-Zell-stimulierenden Kapazität und liefert neue Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen einer wirksamen mRNALNP-basierten Antitumor-Immuntherapie. Optimierte LNPs zeigten ein ähnliches, milzzentriertes Bioverteilungsprofil bei nichtmenschlichen Primaten und lösten keine histopathologischen Veränderungen in Leber und Milz aus, was ihre weitere Bewertung in klinischen Studien rechtfertigt. Zusammengenommen verdeutlicht unsere Studie die Beziehung zwischen der Nanopartikelzusammensetzung und ihrer T-Zell-stimulierenden Kapazität und liefert neue Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen einer wirksamen mRNALNP-basierten Antitumor-Immuntherapie. Optimierte LNPs zeigten ein ähnliches, milzzentriertes Bioverteilungsprofil bei nichtmenschlichen Primaten und lösten keine histopathologischen Veränderungen in Leber und Milz aus, was ihre weitere Bewertung in klinischen Studien rechtfertigt. Zusammengenommen verdeutlicht unsere Studie die Beziehung zwischen der Nanopartikelzusammensetzung und ihrer T-Zell-stimulierenden Kapazität und liefert neue Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen einer wirksamen mRNALNP-basierten Antitumor-Immuntherapie.
EINFÜHRUNG
Boten-RNA (mRNA)-Impfstoffe sind äußerst vielseitig, da mRNA-Sequenzen leicht angepasst werden können, um jedes interessierende Antigen zu codieren, was sowohl eine schnelle und groß angelegte Impfstoffentwicklung gegen neu auftretende Krankheitserreger als auch ein personalisiertes Impfstoffdesign gegen Krebs ermöglicht. Der Schlüssel zum Erfolg der derzeit zugelassenen SARS-CoV2-mRNA-Impfstoffe und vieler mRNA-basierter prophylaktischer Impfstoffe in der klinischen Entwicklung sind lipidbasierte Nanopartikel (LNPs), Transportvehikel, die eine effiziente mRNA-Expression in situ vermitteln und dem Impfstoff intrinsische adjuvante Eigenschaften verleihen .
LNPs bestehen aus einem ionisierbaren Lipid, einem Phospholipid, Cholesterin und einem PEGylierten Lipid, wobei das ionisierbare Lipid als wichtigster Treiber der mRNA-Expression angesehen wird. Im Gegensatz zu ihren Vorgängern mit einer kationischen Ladung über eine Vielzahl von pH-Bereichen sind ionisierbare Lipide pH-sensitive Lipide, die den LNPs bei endosomalem pH eine positive, die Membranfusion fördernde Ladung verleihen, während sie bei physiologischem pH eine neutrale Ladung aufweisen. Das ionisierbare Lipid wird benötigt, um die mRNA einzukapseln, und treibt das endosomale Entweichen an. Das PEGylierte Lipid verbessert die LNP-Stabilität und steuert die Interaktion von
die LNPs mit Blutproteinen und Zellen. Cholesterin und das Phospholipid tragen zur LNP-Stabilität und zur Destabilisierung der endosomalen Membran bei.
Es wurde berichtet, dass die intramuskuläre oder subkutane Verabreichung von mRNA-LNPs CD8-T-Zellantworten gegen das mRNA-codierte Antigen hervorruft. Bei diesen Strategien wird mRNA an lokale Antigen-präsentierende Zellen (APCs) abgegeben, was zu niedrigen bis mäßigen Antigen-spezifischen CD8-T-Zell-Spiegeln im Kreislauf führt. Um jedoch Tumore (insbesondere an entfernten Orten) wirksam zu bekämpfen, sind starke, lang anhaltende und systemische CD8-T-Zell-Antworten erforderlich. Es wurde beschrieben, dass die intravenöse (iv) Verabreichung von mRNA-Impfstoffen verstärkte T-Zell-Antworten und Antitumor-Immunität verleiht, was wahrscheinlich mit ihrer Fähigkeit zusammenhängt, die großen Pools von APCs, die in der Milz vorhanden sind, zu mobilisieren. Die Induktion starker CD8-T-Zellantworten wurde klinisch bestätigt, nach iv-Immunisierung von Patienten mit metastasierendem Melanom mit mRNA-Lipoplexen bestehend aus 1, 2-Dioleoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamin (DOPE) und das kationische Lipid DOTMA, aber noch keine LNP-basierte Formulierung wurde in der Klinik für die iv-therapeutische Krebsimpfung verwendet. LNPs könnten angesichts ihres erhöhten intrinsischen Potenzials zur Transfektion von Zellen eine noch weiter verbesserte Aktivität im Vergleich zu Lipoplexen zeigen. Nichtsdestotrotz liefern Standard-LNP-Formulierungen bei der iv-Zufuhr typischerweise RNA an Hepatozyten anstelle der APCs, die zur Initiierung von CD8-T-Zellen benötigt werden. In dieser Studie spekulierten wir, dass LNPs durch Optimierung des Molverhältnisses zwischen den vier Lipiden und Auswahl eines geeigneten Polyethylenglykol (PEG)-Lipids auf eine systemische Impfung zugeschnitten werden könnten. Es ist bekannt, dass diese Parameter LNP-Merkmale wie Größe, Z-Potential, Pharmakokinetik und Bioverteilung beeinflussen, was letztendlich die In-vivo-Immunogenität bestimmt. Es wurde jedoch noch keine LNP-basierte Formulierung in der Klinik für die iv-therapeutische Krebsimpfung verwendet. LNPs könnten angesichts ihres erhöhten intrinsischen Potenzials zur Transfektion von Zellen eine noch weiter verbesserte Aktivität im Vergleich zu Lipoplexen zeigen. Nichtsdestotrotz liefern Standard-LNP-Formulierungen bei der iv-Zufuhr typischerweise RNA an Hepatozyten anstelle der APCs, die zur Initiierung von CD8-T-Zellen benötigt werden. In dieser Studie spekulierten wir, dass LNPs durch Optimierung des Molverhältnisses zwischen den vier Lipiden und Auswahl eines geeigneten Polyethylenglykol (PEG)-Lipids auf eine systemische Impfung zugeschnitten werden könnten. Es ist bekannt, dass diese Parameter LNP-Merkmale wie Größe, Z-Potential, Pharmakokinetik und Bioverteilung beeinflussen, was letztendlich die In-vivo-Immunogenität bestimmt. Es wurde jedoch noch keine LNP-basierte Formulierung in der Klinik für die iv-therapeutische Krebsimpfung verwendet. LNPs könnten angesichts ihres erhöhten intrinsischen Potenzials zur Transfektion von Zellen eine noch weiter verbesserte Aktivität im Vergleich zu Lipoplexen zeigen. Nichtsdestotrotz liefern Standard-LNP-Formulierungen bei der iv-Zufuhr typischerweise RNA an Hepatozyten anstelle der APCs, die zur Initiierung von CD8-T-Zellen benötigt werden. In dieser Studie spekulierten wir, dass LNPs durch Optimierung des Molverhältnisses zwischen den vier Lipiden und Auswahl eines geeigneten Polyethylenglykol (PEG)-Lipids auf eine systemische Impfung zugeschnitten werden könnten. 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Um eine praktisch unbegrenzte Vielfalt potenzieller LNP-Zusammensetzungen auf zeit- und kosteneffektive Weise zu entwerfen und zu screenen, haben wir einen Quality-by-Design-Ansatz gewählt, der auf einem statistischen Design-of-Experiment (DOE) basiert, das mit Bayes'scher Regressionsmodellierung gekoppelt ist. Diese Strategie ermöglichte es uns, die wichtigsten Zusammensetzungsparameter zu identifizieren, die die Immunogenität bestimmen, und die optimalen LNP-Zusammensetzungen innerhalb einer einzigen Runde der In-vivo-Immunogenitätsbewertung vorherzusagen. Optimale LNP-Zusammensetzungen
(innerhalb der Beschränkungen des Designraums) führte zu starken CD8-T-Zellantworten, die durch wiederholte Verabreichung verstärkt werden konnten, und vermittelte eine Antitumorwirksamkeit in einem syngenen Maus-TC-1-Tumormodell. Mechanistische Studien zeigten, dass die T-Zellantwort von der anfänglichen mRNA-Expression durch verschiedene APCs in der Milz und von der Induktion von Typ-I-Interferonen (IFNs) abhängig war. Überraschenderweise entdeckten wir auch eine zuvor nicht erkannte Rolle von B-Zellen bei der Auslösung antigenspezifischer CD8-T-Zellantworten nach intravenöser mRNA-LNP-Impfung.
Bevers et al., mRNA-LNP-Impfstoffe, die auf systemische Immunisierung abgestimmt sind, induzieren eine starke Antitumor-Immunität durch Aktivierung von Milzimmunzellen, Molecular Therapy (2022), https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2022.07.007
