吸入式疫苗中包衣涂层检测方案(原子层沉积)

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粉末原子层沉积( PALD )技术与吸入式疫苗开发 发布者： Forge Nano 近期，陈薇院士团队成功研发吸入式新冠疫苗。俄罗斯总统普京更是身先士卒，接种了自行研发的“卫星 Light"鼻腔雾化新冠疫苗，让吸入式疫苗受到更多的关注。 与常见的肌肉注射式疫苗不同，吸入式疫苗采用雾化器将疫苗雾化成微小颗粒，通过呼吸吸入的方式进入呼吸道和肺部，从而激发黏膜免疫，而这种免疫是肌肉注射无法提供的。 肌肉注射需要把细细的针扎到血管中 这种全新的接种方式有助于减缓新冠疫情蔓延和接种率提升，为战胜疫情提供新的解决方案。而在世界范围内，吸入式疫苗的研究与开发成为趋势，本文将着重介绍一种全新的方法：将原子层沉积技术(ALD)与吸入式疫苗开发结合，从而提升疫苗的热稳定性与给药能力。 吸入式疫苗通过鼻腔/口腔进入呼吸道 首先我们来谈一谈吸入式疫苗的优势 ● 激发黏膜免疫 通常，肌肉注射的新冠疫苗只能诱导体液免疫和细胞免疫。而包括新冠病毒在内的很多病原体都是率先侵入人体的呼吸道黏膜，感染细胞并实现快速增殖。作为人体免疫系统的重要环节，黏膜组织往往能产生大量的 IgA(分泌型免疫球蛋白)，不仅有效保护人体，还能防止病毒的传播扩散。因此，吸入式疫苗会首先作用于黏膜组织，诱发黏膜免疫，在前期即可有效防御病原体入侵。研究表明，吸入式疫苗吸入鼻腔后3天即产生大量 IgA， 从而抑制抗原对细胞黏膜组织的攻击。 Gut microbiota 黏膜免疫机制 ● 晕针/恐针者的福利 据统计，美国有 20-50%的青少年恐针，严重影响了疫苗的接种率。而在国内，想必每个人都曾有被打针恐惧支配的时候，面对针头，猛男落泪。 部分人群还有晕针体质，见针腿软无法进行药物注射。这都极大的阻碍了疫苗的推广。 而采用吸入式疫苗，患者只需将疫苗从口腔或鼻腔吸入，从而直接作用于呼吸道黏膜和肺部，避免恐针，晕针难题。 ● 单次给药，耐储存 吸入式疫苗可以直接制成干粉，即将制剂喷雾干燥处理后储存。传统疫苗需要在2-8度的条件下运输分发稳定性差。而干粉储藏的方式极大程度的提升了疫苗的储存寿命，因为干粉在室温下即可存放较长的时间。 喷雾干燥方法获得干燥药物粉末 此外，由于吸入式疫苗可作用于黏膜组织，因此其使用剂量可远低于肌肉注射，此次发布的吸入式新冠疫苗就宣称只需要传统剂量的1/5。剂量的减少可以减少注射次数，甚至实现单次给药。而易于操作的优势对基层医护人员的要求更低，只需要简单的培训便可执行。 打针是个技术活，熟练度很重要 但目前吸入式疫苗仍有局限：临床效果不确定，缺乏稳定性 吸入式疫苗相比传统疫苗有较大的优势，但在实际应用仍然面临诸多挑战。虽然理论上吸入式疫苗可以触发黏膜免疫，但载体选择对于免疫反应也有较大影响，实际临床试验时的效果有待考证。另一方面，虽然干粉制剂有利于储存与运输，但目前的吸入式疫苗大部分仍然采用液体雾化的方式进入人体。疫苗干粉制备工艺需要突破，即便不需要冷藏运输，由于丧失液体保护环境，干粉表面的活性成分(抗原)不稳定，遇到水分或较高的热冲击极易流失甚至失活。另外粉末的结块团聚也会造成分散性和流动性不佳，影响吸入效果。 抗原是致病生物的一个微小部分，或者是致病生物的一个弱化、无危险版本， 使人体可以在不生病的情况下学习抵抗致病生物的具体方法。 干粉疫苗的抗原缺乏保护很容易失去活性 粉末 ALD 技术(PALD) 有效的包衣涂层可以防止疫苗的活性成分受到环境因素影响，同时实现缓释功能，延长疫苗的有效时间。制备涂层的方法有很多，但粉末原子层沉积技术(简称PALD )作为一种精准可控的纳米包覆技术，近年来被广泛用于新能源，催化，金属粉末的界面改性应用中，但鲜有应用于药物粉末的研究。 ● 概念与原理 PALD 特指针对粉末进行的原子层沉积(ALD)的加工技术，其原理为：通过交替式的通入气相化学前驱体，从而实现周期性的涂层生长。ALD 会将完整的化学反应分为多步，每次只进行一种前驱体的半反应，从而实现原子层级别的控制精度。 ALD 反应有至少两个半反应组成： 1.引入A前驱体， A与基底形成饱和的半反应 2.吹扫去除残留的A3.引入B前驱体，使B与基底上的半反应物质进一步反应生成目标物质，并达到饱和 ALD 反应的原理 ● 特点与优势 正是 ALD 反应的特点，使其能够在较低的工艺温度下实现致密的精准涂层包覆。致密，厚度可控，均匀，则是 ALD 相对于其它方法的独特之处。而 PALD 则是将ALD 反应在粉末表面实现的技术，其具体实现方式较为复杂。 PALD 实现致密的氧化铝包覆颗粒 PALD 与吸入式疫苗开发结合 超细粉末存在团聚的弊端，但药物粉末表面较为敏感，而药物制造也对添加剂有严格的规定，因此，其它行业可行的的末加工方案并不适用于药物开发。而 PALD 技术由于反应温和，涂层薄，精度高的特点，药物粉末适用性很高。技术的结合总是需要天时地利人和，而推动吸入式疫苗开发与 PALD 技术结合的两个人(Bob Garcea 与 Ted Randolph)，在美国科罗拉多大学博尔德分校一交即合，成立了 VitraVax公司，致力于吸入式疫苗的开发。 VitraVax 公司通过其独家的 ALTATM 技术平台，获得了高热稳定性的海藻糖基抗原佐剂干粉(可在70度下实现数月的存储)，结合 PALD 技术，在颗粒表面包覆纳米级的氧化铝涂层，不仅改善了粉末的分散性和流动性，更能维持了长达6个月的缓释效果(该测试采用 HPV16疫苗验证) a) b) C) d) 250个周期氧化铝包覆的疫苗干粉微粒 该药物主要目标是实实单次 HPV 疫苗注射。HPV( 人乳头瘤病毒)是一种球形DNA 病毒，能引起人体皮肤黏膜的鳞状上皮增殖，严重时会引发宫颈癌，肛门癌等恶行肿瘤疾病。HPV的感染途径非常多样，除了体液传播外，生活洗漱用品也能引发交叉感染，让人防不胜防。HPV病毒通过攻击人体内的 p53 和 pRb 肿瘤抑制蛋白，导致癌细胞肆无忌惮的繁殖，进而引发癌症。而 HPV 疫苗通过预防病毒感染，从而实现肿瘤预防。 HPV 病毒 吸入式疫苗可以有效提升 HPV 疫苗的推广及分发难题，但在开发过程中，仍会面临很多挑战。， VitraVax 的喷雾干燥技术很好的解决了制粉问题，并实现热稳定性的显著提升。但干粉在使用中面临吸湿，团聚的挑战，同时药物的缓释能力也对实现单次给药至关重要。 PALD 技术提供的纳米级氧化物涂层可以完美解决以上难题。其增益效果是多方位的： ● 减少团聚，促进分散 根据扫描电镜(SEM)测试结果，颗粒的一次粒径大部分在 4um 以下，而粒径测试结果表明较薄涂层包覆后的粉末粒度更小，这说明未包覆的样品在存放过程中发生了团聚，使粒径增大。团聚会造成粉末流动性变差，影响分散效果，这对吸入式疫苗的雾化有较为不利的影响。而 ALD 包覆可有效降低小颗粒团聚的程度，促进粉末分散性提升。 Particle Size (um) 疫苗干粉微粒的粒径分布(ALD 包覆改善了粒径分布) ● 增强抗体滴度 干粉疫苗的抗原可能存在直接暴露的风险，而 ALD 涂层可有效防止如水蒸气等外来污染源与抗原成分接触，从而实现更稳定的储存。在传统的液体疫苗中通常会加入一定的佐剂(非特异性免疫增强剂)，从而诱导产生更强的免疫反应。但对于干粉疫苗，加入常规的明矾佐剂并不能显著提升免疫反应效果，因此与传统液相制剂相比，免疫反应较弱。而 ALD 涂层能提供类似佐剂的增强免疫反应效果，通过对比 ， PALD 包覆干粉疫苗比未包覆样品滴度提升3-8倍，同时 PALD 包覆涂层比传统制剂可提供更高的持续免疫反应。在孵育后， PALD 包覆干粉试剂也表现更好。 总抗体滴度变化 ● 提供更持久的缓释 单次给药疫苗要求持续稳定的抗体抗原反应，才能保证长期的抗性。而 ALD 涂层正好可以实现更为长久的缓释效果。经过 PALD 包覆的 HPV 16 疫苗可在14周以后， 仍在小鼠体内检测到高浓度的L1抗体蛋白，且包覆厚度适中的样品有更明显的缓释效果。 标记后的疫苗在小鼠体内释放 L1抗体蛋白图像(a.无包覆； b. 100 cycle ALD； c. 250 cycle ALD； d. 500 cycle ALD 总结 PALD 包覆有效改善了吸入式疫苗干粉的缓释能力以及分散性，同时该技术可以更好的将多种抗原封装在基体中，实现保护与稳定的作用，从而进行很多液相制剂无法兼容的配方开发，并实现更低的单次有效给药量。而目前的 HPV 吸入式疫苗在经过更好的配方优化和临床试验后，有望进行大规模生产。该项目中的流化床/旋转床 PALD 技术源自 ForgeNano公司。 关于 VitriVax VitriVax 是一家位于科罗拉多州博尔德和马萨诸塞州波士顿的生物技术公司，致力于与疫苗开发商合作，将他们的疫苗配制为耐热的单次给药吸入式疫苗。由 VitriVax ALTATM平台配制的产品无需冷藏可在全球范围内运输，可以在货架上保存数年，并且只需要一名患者互动即可提供多剂量。目前 VitriVax 已接受来自 Adjuvant Capital 的 A 轮融资，并与Soligenix 公司合作开展蓖麻毒素候选疫苗的研发合作。 参考文献 【1】Powell N， Walker M M， Talley N J. The mucosal immune system： masterregulator of bidirectional gut-brain communications[J]. Nature reviewsGastroenterology & hepatology， 2017， 14(3)： 143-159. 【2】https：//vitrivaxbio.com/ 【3】Garcea R L， Meinerz N M， Dong M， et al. Single-administration， thermostablehuman papillomavirus vaccines prepared with atomic layer deposition technology[].npj Vaccines， 2020，5(1)：1-8. 【4】吸入式疫苗会成为晕针人的福音吗? https：//baijiahao.baidu.com/s?id=1716726245727461149&wfr=spider&for=pc Saluja V， Amorij J P， Kapteyn J C， et al. A comparison between spray drying andspray freeze drying to produce an influenza subunit vaccine powder forinhalation[J]. Journal of Controlled Release， 2010， 144(2)： 127-133. 粉末 ALD 技术(PALD)有效的包衣涂层可以防止疫苗的活性成分受到环境因素影响，同时实现缓释功能，延长疫苗的有效时间。制备涂层的方法有很多，但粉末原子层沉积技术（简称 PALD）作为一种精准可控的纳米包覆技术，近年来被广泛用于新能源，催化，金属粉末的界面改性应用中，但鲜有应用于药物粉末的研究。