Nanotecnología y vacunas

Mara Gutiérrez-Sánchez

Saúl Rojas-Hernández

Laboratorio de Inmunobiología Molecular y Celular, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, Escuela Superior de Medicina, Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de México, México

Resumen

A pesar del avance significativo de las vacunas tradicionales, aún enfrentamos carencias en el desarrollo de vacunas para diversas enfermedades como las provocadas por el virus de la hepatitis C, el virus de la inmunodeficiencia humana y el virus Zika, responsables de numerosas muertes anuales. Factores como la inestabilidad intrínseca in vivo, la baja inmunogenicidad, la toxicidad y la necesidad de administraciones múltiples han contribuido a esta falta de eficacia. Por lo tanto, para poder solucionar estos inconvenientes, la nanotecnología ha emergido como una solución prometedora para abordar estos desafíos. Las partículas a nanoescala facilitan la captación por las células fagocíticas, mejorando la presentación del antígeno a los linfocitos T en sitios sistémicos y en tejidos asociados a mucosas. Estos sistemas basados en nanoportadores en formulaciones de vacunas mejoran la estabilidad del antígeno, regulan su liberación y, lo más crucial, lo hacen de manera específica en el sitio deseado. Este enfoque de nanotecnología no solo mejora la inmunogenicidad del antígeno, sino que también potencia la respuesta inmunitaria celular y humoral.

En este artículo se realiza una revisión exhaustiva de los sistemas de vacunas basados en nanoportadores, abordando diversas modalidades como nanopartículas inorgánicas, liposomas, emulsiones, sistemas de nanotecnología basados en polímeros, partículas similares a virus, virosomas y nanopartículas lipídicas.

Palabras clave: nanotecnología, nanopartículas, partículas similares a virus, virosomas

Abstract

Despite significant advances in traditional vaccines, we still face deficiencies in the development of vaccines for various diseases such as the ones caused by the hepatitis C virus, human immunodeficiency virus, and Zika virus, which are responsible for numerous annual deaths. Factors such as intrinsic in vivo instability, low immunogenicity, toxicity, and the need for multiple administrations have contributed to this lack of efficacy. Therefore, to address these challenges, nanotechnology has emerged as a promising solution. Nano-scale particles facilitate uptake by phagocytic cells, enhancing antigen presentation to T lymphocytes in systemic sites and mucosal-associated tissues. These nano-carrier-based vaccine formulations improve antigen stability, regulate its release, and, most crucially, deliver it specifically to the desired site. This nanotechnology approach not only enhances antigen immunogenicity but also boosts cellular and humoral immune responses.

This article provides a comprehensive review of vaccine systems based on nano-carriers, addressing various modalities such as inorganic nanoparticles, liposomes, emulsions, polymer-based nanotechnology systems, virus-like particles, virosomes, and lipid nanoparticles.

Keywords: nanotechnology, nanoparticles, virus-like particles, virosomes

Introducción

La vacunación desempeña un papel fundamental en la reducción de la prevalencia e incidencia de numerosas enfermedades infecciosas. En el pasado, enfermedades que suponían amenazas mortales, como la viruela, difteria, polio, rubeola, tétanos, fiebre amarilla, sarampión y Haemophilus influenzae tipo b, entre otras, han sido controladas gracias a la vacunación.¹ Además, la vacunación ha sido clave en la erradicación o prevención de enfermedades como la hepatitis A y el papiloma humano.² En el caso de algunas infecciones parcialmente controladas por las vacunas, como la provocada por el virus de la influenza, el virus de la hepatitis B (VHB) y la infección neumocócica, la protección total aún no se ha logrado debido a la capacidad de evasión a la respuesta inmuniraria por parte de estos microorganismos o la falta de eficacia de las vacunas correspondientes. Por lo tanto, existe la necesidad de continuar mejorando estas vacunas que ofrecen protección parcial y desarrollar vacunas contra enfermedades que aún no cuentan con una vacuna disponible, como es el caso de la infección causada por el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH).³

Es importante mencionar que, al desarrollarse las primeras vacunas, estas estaban compuestas por microorganismos completos muertos, toxinas inactivadas (toxoides) o microorganismos vivos atenuados. Sin embargo, este tipo de vacunas presenta desventajas, como inducir una respuesta inmunitaria no protectora e incluso provocar la enfermedad en personas vacunadas con el microorganismo correspondiente. Por lo tanto, generalmente se requieren múltiples dosis, como en el caso de las vacunas contra la hepatitis A, la difteria y la influenza, entre otras.¹

Por otro lado, las vacunas que utilizan microorganismos vivos, tales como las de sarampión, polio, rubéola, adenovirus, viruela y paperas, presentan algunas ventajas, como la aplicación de una sola dosis (por lo general) y la capacidad de inducir tanto inmunidad humoral como celular. Sin embargo, también presentan desventajas, como el riesgo grave de revertir a su forma virulenta e inestabilidad intrínseca, lo que dificulta la captura del antígeno e induce una respuesta inmunitaria baja o nula.^1,4

Por otra parte, existen vacunas recombinantes basadas en ADN contra diversas enfermedades. Aunque la primera generación de estas se ha mostrado como la más eficaz, ha presentado desventajas como la obtención de anticuerpos anti-ADN, la activación de oncogenes y baja inmunogenicidad.⁵ A pesar de que las nuevas vacunas basadas en ADN y las vacunas recombinantes han demostrado ser eficaces y seguras, por sí solas son inmunógenos débiles, por lo tanto, presentan la desventaja de requerir un adyuvante para inducir la inmunidad requerida.⁶

Una alternativa para generar respuestas inmunitarias protectoras en el desarrollo de vacunas es el uso de la nanotecnología, que ha mostrado gran relevancia para mejorar la eficacia de las vacunas mediante una administración dirigida, generando respuestas inmunitarias deseadas a nivel celular.⁷ Se ha reportado que estos nanoportadores pueden mejorar la eficacia de las vacunas al facilitar su absorción, proteger los antígenos de la degradación proteolítica prematura, facilitar y mejorar el procesamiento del antígeno por parte de las células presentadoras de antígeno (antigen presenting cells, APC), controlar su liberación y ser seguros para su uso en humanos.^7,8 A continuación, describimos algunas de las características de las diferentes nanopartículas que se han utilizado para el desarrollo de vacunas.

Nanotecnología y desarrollo de vacunas 

El surgimiento y utilización de la “nanovacunología” ha avanzado rápidamente en los últimos años.⁹ Esta es la ciencia aplicada a la fabricación o manipulación de la materia a pequeña escala, conocida como “nano”, y ha sido considerada una tecnología habilitadora clave de gran importancia.¹⁰

Se ha determinado que las propiedades adecuadas de las nanopartículas (NP) dependen principalmente de su tamaño, carga superficial,¹¹ efectos estéricos del recubrimiento de las partículas, así como su hidrofobicidad/hidrofilicidad. Se ha reportado en estudios que el tamaño de las NP es una propiedad elemental para determinar su potencial de inducir, por ejemplo, una eficiente respuesta de citocinas.^11,12 Además, el tamaño está relacionado con el mecanismo de captación celular del antígeno involucrado, como son la fagocitosis, la endocitosis y la micropinocitosis. Estos parámetros de las NP pueden determinar la inmunogenicidad al promover e inducir respuestas inmunitarias apropiadas.¹¹

Las células fagocíticas, como las células dendríticas (dendritic cells, DC) y los macrófagos, tienen la capacidad de captar partículas de menos de 10 µm. Esta propiedad ha sido aprovechada para mejorar la captación celular de los antígenos, incrementando así la eficiencia en el reconocimiento y presentación de antígenos (fig. 1). Por ende, los mecanismos involucrados en el funcionamiento de las formulaciones de vacunas basadas en nanotecnología respaldan el uso de los nanoportadores en el campo y desarrollo de vacunas.¹³

En la actualidad, los avances más importantes en los sistemas de vacunas basados en nanoportadores han incluido NP inorgánicas, NP de carbono, liposomas, emulsiones, sistemas de nanotecnología basados en polímeros, partículas similares a virus (virus-like particles, VLP) (fig. 2) y nanopartículas lipídicas, entre otras.

Sistemas de administración de vacunas basados en nanoportadores

NP inorgánicas 

Las NP (fig. 2A) son fabricadas de manera sencilla en diversas formas, como cúbicas, de varilla, esféricas, entre otras, y también pueden variar en tamaño.¹⁴ Tienen una estructura rígida y su síntesis es controlada, pero la mayoría de estas no son biodegradables. Algunas de las NP inorgánicas principales son oro, fosfato de calcio y sílice, las cuales inducen respuestas inmunitarias celulares y humorales, y han sido utilizadas tanto como vehículos de transporte para antígenos, como adyuvantes para potenciar la respuesta inmunitaria.⁹

En cuanto a las NP de oro, se han investigado los efectos de la química de diferentes moléculas, como el poli (cloruro de dialildimetilamonio) y polietilenimina, sobre la superficie de nanobarras de oro como adyuvantes de vacunas de ADN para el tratamiento del VIH. Al respecto, se han obtenido resultados prometedores in vivo, ya que estas promueven la inmunidad tanto celular como humoral y la proliferación de linfocitos T mediante la activación de las APC.¹⁵

Por otro lado, se desarrolló una construcción de nanovarillas de oro conjugadas con la proteína de fusión (F), que es el principal antígeno glicoproteico protector del virus sincitial respiratorio, como vacuna candidata, mostrando que esta formulación estabiliza una conformación proteica óptima, mejora la interacción con las APC de humanos y permite de manera eficiente la inducción de la respuesta inmunitaria humana.¹⁶

Por otro lado, las NP de fosfato de calcio han sido comparadas con las sales de aluminio, que se utilizan como adyuvantes en vacunas para mejorar la respuesta inmunitaria a antígenos no inmunogénicos. Se ha reportado que las NP de fosfato de calcio son similares o incluso mejores que las sales de aluminio.¹⁷ Por lo tanto, estos se consideran candidatos prometedores para su uso como adyuvantes de mucosas.^9,18 Asimismo, estas nanopartículas se han empleado en vacunas de ADN y en estudios clínicos contra el VHB, la gripe y el ántrax.¹⁹

En cuanto a las NP a base de sílice, se logra controlar la liberación de los antígenos al ajustar el tamaño y la forma de los poros de estas nanopartículas. Estas NP funcionan como potentes adyuvantes para inducir respuestas inmunitarias celulares y humorales eficaces.⁹

NP de carbono

Los sistemas de NP basados en carbono presentan buena biocompatibilidad, son insolubles y no degradables. Se sintetizan en una gran variedad de esferas mesoporosas y nanotubos.⁹ Los nanotubos de carbono tienen una baja toxicidad, pueden transportar múltiples antígenos y son captados fácilmente por las células presentadoras de antígenos.²⁰ Se han conjugado a nanotubos de carbono diferentes antígenos peptídicos y proteicos, obteniendo altos niveles de anticuerpos IgG.²¹

Al respecto, un derivado proteico purificado de tuberculina de Mycobacterium tuberculosis se conjugó con nanotubos de carbono de pared simple carboxilados y fueron administrados por la vía subcutánea a ratones BALB/c. Los resultados mostraron que este conjugado mencionado induce preferentemente una respuesta mediada por los linfocitos Th1, estimulando la producción de citocinas como IFN-γ e IL-12 en niveles comparables a los obtenidos con la administración de la vacuna BCG contra la tuberculosis convencional. Asimismo, el conjugado mostró ausencia de efectos citotóxicos potenciales.²²

Por otra parte, en otro trabajo con la finalidad de obtener un nuevo adyuvante para la administración de vacunas orales y prevenir la degradación de antígenos en el tracto gastrointestinal y mejorar la captación de estos por las células M, se sintetizaron nanopartículas de carbono hidrófobas con un tamaño de 470 nm con poros de 40 a 60 nm tomando sílice como plantilla y sacarosa como fuente de carbono. De esta manera, se encapsuló albúmina sérica bovina dentro de los mesoporos y macroporos de las nanopartículas, las cuales fueron posteriormente inmunizadas por vía oral a ratones BALB/c. Los resultados obtenidos mostraron que la estructura rígida de las nanopartículas resistió la destrucción en el tracto digestivo oral y se indujeron respuestas mediadas tanto por linfocitos Th1 como Th2. Además, se detectó IgA mucosa en las secreciones salivales, intestinales y vaginales, lo que sugirió una respuesta inmunitaria eficaz en las mucosas. El nivel de anticuerpos IgG fue comparable con respecto al obtenido de ratones BALB/c administrados por la vía intramuscular con la albúmina sérica bovina emulsificada con el adyuvante completo de Freund.^20,21 Por ello, se ha sugerido que las nanopartículas basadas en carbono podrían ser de gran importancia para el diseño de nuevos adyuvantes de vacunas para mejorar su potencial en la modulación de la respuesta inmunitaria.²¹

Los sistemas de vacunas basados en nanotecnología de carbono son relativamente nuevos y menos estudiados que otros sistemas. Diversas investigaciones han indicado la viabilidad de los sistemas basados en carbono para el transporte de antígenos tanto de manera oral como sistémica. Se ha sugerido demostrar en futuras investigaciones si la falta de biodegradabilidad de estos sistemas reducirá la seguridad de estos.²⁰

Liposomas

Desde que se mencionó por primera vez que los liposomas pueden actuar como adyuvantes,²³ las formulaciones de liposomas se han utilizado ampliamente en sistemas de administración de vacunas. Las propiedades fisicoquímicas de los liposomas, como estructura, composición de lípido y tamaño, pueden modificarse según las propiedades del antígeno de la vacuna para maximizar la inmunogenicidad.²⁰

Los liposomas, que son de forma esférica, consisten en una bicapa de fosfolípidos no tóxica y biodegradable con un núcleo acuoso (fig. 2B). Por estas propiedades, los liposomas pueden incorporar moléculas hidrófilas en el núcleo acuoso o moléculas hidrófobas dentro de las bicapas de fosfolípidos para su presentación a las APC.⁴ Es importante mencionar que las NP de liposomas pueden ser utilizadas para encapsular antígenos dentro del núcleo y poder transportar los antígenos e incorporar glicoproteínas de la envoltura viral para formar virosomas. Aunque las NP de virosoma son esféricas, difieren de las de los liposomas al tener una envoltura viral de vesícula unilaminar constituida de materiales de virus no infecciosos.⁹

Estas propiedades de los liposomas permiten la administración conjunta de antígenos y otras moléculas, como los adyuvantes. La superficie de los liposomas puede modificarse fácilmente utilizando el lípido funcionalmente activo adecuado como componente de la bicapa lipídica. Los liposomas de superficie modificada se han diseñado para cumplir con los siguientes objetivos: ser blanco de las células inmunitarias, transportar agentes inmunoestimulantes y mejorar tanto la respuesta inmunitaria celular como la humoral, todo esto con la finalidad de obtener vacunas liposomales con una mayor eficacia.²⁰

Estas vacunas presentan ventajas de gran importancia, como la biodegradabilidad, la seguridad y la posibilidad de incorporar diferentes antígenos como péptidos, proteínas y ácidos nucleicos. Además, estas vacunas pueden producirse en varios tamaños y con diferentes cargas.²⁴ En este sentido, se ha demostrado que los liposomas catiónicos pueden inducir una respuesta inmunitaria mediada por células con mayor potencia que los liposomas aniónicos o neutros.^4,9

Algunas de las vacunas liposomales evaluadas en ensayos clínicos en humanos incluyen hepatitis A, paludismo, VIH, cáncer de próstata y colorrectal, así como influenza, y han demostrado ser seguras y altamente inmunogénicas.⁴

Emulsiones 

Las emulsiones (fig. 2C) se han estudiado a lo largo del tiempo como formulaciones con actividad adyuvante y, más recientemente, como sistemas de transporte de vacunas. Las emulsiones son dispersiones de dos o más líquidos inmiscibles compuestos de aceite, emulsionantes y excipientes. Estas vacunas basadas en emulsiones se dividen en dos clases: emulsiones de agua en aceite de tamaño nanométrico y emulsiones de aceite en agua de tamaño nanométrico,²⁰ siendo este último tipo de emulsión utilizado generalmente en formulaciones de adyuvantes.^9,25

Las nanoemulsiones, en comparación con emulsiones de mayor tamaño, han demostrado ser funcionalmente superiores. Uno de sus aspectos de gran importancia es su capacidad para penetrar la mucosa nasal y ser captadas con mayor facilidad por las APC, lo que las hace más eficaces como adyuvantes en el desarrollo de vacunas.⁹

Una emulsión de vacunas de aceite en agua con actividad adyuvante autorizada y utilizada comúnmente en el desarrollo de vacunas es la MF59^TM. Esta emulsión está compuesta de Span 85, aceite de escualeno y Tween 80 en un buffer de citrato. La MF59^TM se destaca como un adyuvante de vacuna potente y seguro, que ha sido extensamente investigado para su aplicación en vacunas contra la influenza. La vacuna contra la gripe estacional con adyuvante MF59 (Fluad™) fue aprobada en Europa desde 1997.²⁶ Además, se ha determinado que MF59^TM tiene la capacidad de aumentar la inducción de anticuerpos contra antígenos proteicos meningocócicos,²⁷ como los presentes en la vacuna contra Neisseria meningitidis B.²⁸

Por otra parte, en una formulación con glucopiranosil lípido A (GLA) hecha a base de aceite en agua, un agonista de los receptores de tipo Toll (Toll-like receptor, TLR) del TLR4 fue combinado con el GMZ2, un componente de la proteína de fusión, para crear una vacuna anti-Plasmodium falciparum.²⁹ Los resultados obtenidos revelaron que GLA obtuvo los títulos más altos de anticuerpos específicos de antígeno, especialmente IgG2a, así como de IgG total, en comparación con otros agentes inmunoestimulantes formulados con GMZ2 que también habían sido objeto de estudio.²⁰

Nanotecnología basada en polímeros

Las NP poliméricas (fig. 2D) son de gran importancia en los sistemas de vacunas basados en nanotecnología, ya que se caracterizan por tener propiedades clave como previsibilidad, biocompatibilidad, estabilidad, fácil modificación de la superficie y seguridad.³⁰ Se ha estudiado una amplia variedad de NP poliméricas para el desarrollo de vacunas de mucosas, siendo utilizadas principalmente para el transporte de antígenos encapsulados o atrapados.³¹ Las NP poliméricas se clasifican en dos tipos fundamentales: NP poliméricas naturales y NP poliméricas sintéticas.⁹ Entre los polímeros naturales más utilizados para preparar NP en los campos farmacéuticos y médicos se encuentran el ácido hialurónico (HA) (32), el quitosano y el alginato.³³ Además, se han empleado diversas NP poliméricas sintéticas para el transporte de vacunas y la encapsulación de múltiples componentes. Algunos ejemplos de los más utilizados son el ácido poli (d,l-láctico-coglicólico) (PLGA), el poli (d,l-lactida-co-glicólido) (PLG) y el polilactida (PLA).³⁵

En general, las NP basadas en polímeros presentan ventajas de gran relevancia. Por ejemplo, protegen el antígeno encapsulado del entorno hostil y de la degradación enzimática. Además, cuentan con liberación sostenida, siendo específica la liberación del antígeno hacia el blanco al cual va dirigida. Asimismo, exhiben efectos adyuvantes.⁹

VLP y virosomas

Las VLP y los virosomas son sistemas de nanotecnología que imitan ciertas propiedades virales, lo que les permite estimular la respuesta inmunitaria.⁴ Las VLP (fig. 2E) están conformadas por proteínas de envoltura viral autoensambladas sin el material genético que las constituye, siendo virus no infecciosos. Por otra parte, en el caso de los virosomas, la envoltura de un virus se utiliza como plataforma a la cual se insertan o unen algunos componentes adicionales del virus, de otro virus o patógeno.³⁶ Tanto las VLP como los virosomas comparten una morfología y capacidad de penetración celular similar a las partículas virales infecciosas y se ha reportado que ambos tipos de partículas estimulan la inmunidad celular y humoral.⁴

En cuanto a las vacunas VLP, algunas han sido autorizadas contra el VHB.³⁷ Además, la vacuna contra el VPH denominada Gardasil® ha sido recientemente aprobada y ha demostrado reducir la infección por VPH en un 90%, siendo casi 100% eficaz contra los tipos 6, 11, 16 y 18 del VPH. En estudios preclínicos, se están evaluando vacunas basadas en VLP para el virus del ébola, virus de la hepatitis C, influenza, rotavirus y coronavirus del síndrome respiratorio agudo grave (SARS).⁴

Papel de la nanotecnología en vacunas basadas en ARNm para el Covid-19

Durante la pandemia por el coronavirus (Covid-19), causada por el virus SARS-CoV-2, la Food and Drug Administration (FDA) de Estados Unidos autorizó de manera emergente el uso de vacunas basadas en ARNm, como ARNm-1273 de Moderna y ARNm BNT162b2 de Pfizer-BioNTech.^38,39

Es importante mencionar que la nanotecnología ha desempeñado un papel clave en el éxito de estas dos vacunas, con una eficacia aproximada del 95%. Estas vacunas se basan en un nanoportador único, constituido por “nanopartículas lipídicas” que presentan una morfología rígida y una mayor estabilidad de la carga, lo que facilita una mejor penetración celular. Cabe destacar que las NP lipídicas, al mejorar la estabilidad, protegen al ARNm encapsulado de las ribonucleasas y facilitan el transporte del ARNm intacto al sitio objetivo.³⁹ Por lo tanto, este ejemplo destaca la importancia de la nanotecnología en la actualidad, ya que desempeña un papel fundamental en el desarrollo de vacunas eficaces y será esencial en la lucha contra futuras pandemias.

Conclusiones 

Las vacunas basadas en nanotecnología, que incluyen las NP inorgánicas, los liposomas, las emulsiones, los sistemas de nanotecnología basados en polímeros, las partículas similares a virus y los virosomas, entre otras, demuestran resultados prometedores en comparación con las vacunas tradicionales, contribuyendo significativamente a mejorar la eficacia de las vacunas. Esta tecnología se vislumbra como fundamental para desarrollar vacunas contra diversas enfermedades que aún no cuentan con opciones de vacunación disponibles, como es el caso de la infección causada por el VIH. Además, la nanotecnología se presenta como un elemento esencial para enfrentar futuras pandemias, como quedó evidenciado durante la pandemia por Covid-19. Gracias a la aplicación de la nanotecnología, se lograron desarrollar vacunas altamente eficaces que desempeñaron un papel crucial para su contención.

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