Nanotechnology plays major role in COVID-19 vaccine development (studio)

fonte:

https://www.news-medical.net/news/20200715/Nanotechnology-plays-major-role-in-COVID-19-vaccine-development.aspx

copio:

From mRNA vaccines entering clinical trials, to peptide-based vaccines and using molecular farming to scale vaccine production, the COVID-19 pandemic is pushing new and emerging nanotechnologies into the frontlines and the headlines.

Nanoengineers at UC San Diego detail the current approaches to COVID-19 vaccine development, and highlight how nanotechnology has enabled these advances, in a review article in Nature Nanotechnology published July 15.

“Nanotechnology plays a major role in vaccine design,” the researchers, led by UC San Diego Nanoengineering Professor Nicole Steinmetz, wrote. Steinmetz is also the founding director of UC San Diego’s Center for Nano ImmunoEngineering.

“Nanomaterials are ideal for delivery of antigens, serving as adjuvant platforms, and mimicking viral structures. The first candidates launched into clinical trials are based on novel nanotechnologies and are poised to make an impact.”

traduzione:

Recensito da Emily Henderson, Laurea Magistrale 15 luglio 2020
Dai vaccini a mRNA che entrano nelle sperimentazioni cliniche, ai vaccini a base di peptidi(*1) e all’utilizzo dell’agricoltura molecolare per scalare la produzione di vaccini, la pandemia COVID-19 sta spingendo nuove ed emergenti nanotecnologie in prima linea e sui titoli dei giornali.
peptidi(*1)
https://it.wikipedia.org/wiki/Peptide

I nanoingegneri della UC San Diego descrivono in dettaglio gli attuali approcci allo sviluppo del vaccino COVID-19 e sottolineano come la nanotecnologia abbia consentito questi progressi, in un articolo di revisione su Nature Nanotechnology pubblicato il 15 luglio.

“La nanotecnologia gioca un ruolo importante nella progettazione del vaccino”, hanno scritto i ricercatori, guidati dalla professoressa di Nanoingegneria della UC San Diego Nicole Steinmetz. Steinmetz è anche il direttore fondatore del Center for Nano ImmunoEngineering della UC San Diego.

I nanomateriali sono ideali per la somministrazione di antigeni, fungono da piattaforme adiuvanti e imitano le strutture virali. I primi candidati lanciati nelle sperimentazioni cliniche si basano su nuove nanotecnologie e sono pronti ad avere un impatto”.

copio:

Steinmetz is leading a National Science Foundation-funded effort to develop-;using a plant virus-; a stable, easy to manufacture COVID-19 vaccine patch that can be shipped around the world and painlessly self-administered by patients. Both the vaccine itself and the microneedle patch delivery platform rely on nanotechnology. This vaccine falls into the peptide-based approach described below.

“From a vaccine technology development point of view, this is an exciting time and novel technologies and approaches are poised to make a clinical impact for the first time. For example, to date, no mRNA vaccine has been clinically approved, yet Moderna’s mRNA vaccine technology for COVID-19 is making headways and was the first vaccine to enter clinical testing in the US.”

As of June 1, there are 157 COVID-19 vaccine candidates in development, with 12 in clinical trials.

There are many nanotechnology platform technologies put toward applications against SARS-CoV-2; while highly promising, many of these however may be several years away from deployment and therefore may not make an impact on the SARS-CoV-2 pandemic.”

Nicole Steinmetz, Professor, Nanoengineering, University of California San Diego

“Nevertheless, as devastating as COVID-19 is, it may serve as an impetus for the scientific community, funding bodies, and stakeholders to put more focused efforts toward development of platform technologies to prepare nations for readiness for future pandemics,” Steinmetz wrote.

traduzione:

Steinmetz sta conducendo uno sforzo finanziato dalla National Science Foundation per sviluppare-; utilizzando un virus vegetale-; un cerotto vaccino COVID-19 stabile e facile da produrre che può essere spedito in tutto il mondo e auto-somministrato indolore dai pazienti. Sia il vaccino stesso che la piattaforma di distribuzione dei cerotti con microaghi si basano sulla nanotecnologia. Questo vaccino rientra nell’approccio basato sui peptidi descritto di seguito.

“Dal punto di vista dello sviluppo della tecnologia dei vaccini, questo è un momento entusiasmante e nuove tecnologie e approcci sono pronti per avere un impatto clinico per la prima volta. Ad esempio, fino ad oggi, nessun vaccino a mRNA è stato clinicamente approvato, ma il vaccino a mRNA di Moderna la tecnologia per COVID-19 sta facendo progressi ed è stato il primo vaccino ad entrare nei test clinici negli Stati Uniti “.

Al 1 ° giugno, ci sono 157 candidati vaccini COVID-19 in fase di sviluppo, di cui 12 in studi clinici.

Esistono molte tecnologie di piattaforma nanotecnologica destinate ad applicazioni contro SARS-CoV-2; sebbene altamente promettenti, molti di questi tuttavia potrebbero essere a diversi anni di distanza dal dispiegamento e quindi potrebbero non avere un impatto sulla pandemia di SARS-CoV-2 “.

Nicole Steinmetz, Professore, Nanoengineering, University of California San Diego

“Tuttavia, per quanto devastante sia COVID-19, può servire da impulso per la comunità scientifica, gli organismi di finanziamento e le parti interessate a impegnarsi maggiormente nello sviluppo di tecnologie di piattaforma per preparare le nazioni alla preparazione per future pandemie”, ha scritto Steinmetz.

copio:

To mitigate some of the downsides of contemporary vaccines-;namely live-attenuated or inactivated strains of the virus itself– advances in nanotechnology have enabled several types of next-generation vaccines, including:

Peptide-based vaccines

Using a combination of informatics and immunological investigation of antibodies and patient sera, various B- and T-cell epitopes of the SARS-CoV-2 S protein have been identified.

As time passes and serum from convalescent COVID-19 patients are screened for neutralizing antibodies, experimentally-derived peptide epitopes will confirm useful epitope regions and lead to more optimal antigens in second-generation SARS-CoV-2 peptide-vaccines. The National Institutes of Health recently funded La Jolla Institute for Immunology in this endeavor.

Peptide-based approaches represent the simplest form of vaccines that are easily designed, readily validated and rapidly manufactured. Peptide-based vaccines can be formulated as peptides plus adjuvant mixtures or peptides can be delivered by an appropriate nanocarrier or be encoded by nucleic acid vaccine formulations.

Several peptide-based vaccines as well as peptide-nanoparticle conjugates are in clinical testing and development targeting chronic diseases and cancer, and OncoGen and University of Cambridge/DIOSynVax are using immunoinformatics-derived peptide sequences of S protein in their COVID-19 vaccine formulations.

traduzione:

Per mitigare alcuni degli svantaggi dei vaccini contemporanei, vale a dire ceppi vivi attenuati o inattivati ​​del virus stesso, i progressi nella nanotecnologia hanno consentito diversi tipi di vaccini di nuova generazione, tra cui:

Vaccini a base di peptidi
Utilizzando una combinazione di indagini informatiche e immunologiche sugli anticorpi e sui sieri dei pazienti, sono stati identificati vari epitopi delle cellule B e T della proteina SARS-CoV-2 S.

Con il passare del tempo e il siero dei pazienti COVID-19 convalescenti viene sottoposto a screening per gli anticorpi neutralizzanti, gli epitopi peptidici derivati ​​sperimentalmente confermeranno regioni epitopiche utili e porteranno a antigeni più ottimali nei vaccini peptidici SARS-CoV-2 di seconda generazione. Il National Institutes of Health ha recentemente finanziato l’Istituto di immunologia La Jolla in questo sforzo.

Gli approcci basati sui peptidi rappresentano la forma più semplice di vaccini che possono essere facilmente progettati, prontamente convalidati e prodotti rapidamente. I vaccini a base di peptidi possono essere formulati come peptidi più miscele adiuvanti oppure i peptidi possono essere forniti da un nanocarrier appropriato o essere codificati da formulazioni di vaccini di acidi nucleici.

Diversi vaccini a base di peptidi e coniugati peptide-nanoparticelle sono in fase di sperimentazione clinica e sviluppo mirati a malattie croniche e cancro, e OncoGen e l’Università di Cambridge / DIOSynVax stanno utilizzando sequenze peptidiche derivate dall’immunoinformatica della proteina S nelle loro formulazioni di vaccino COVID-19.

copio:

An intriguing class of nanotechnology for peptide vaccines is virus like particles (VLPs) from bacteriophages and plant viruses. While non-infectious toward mammals, these VLPs mimic the molecular patterns associated with pathogens, making them highly visible to the immune system. This allows the VLPs to serve not only as the delivery platform but also as adjuvant.

VLPs enhance the uptake of viral antigens by antigen-presenting cells, and they provide the additional immune-stimulus leading to activation and amplification of the ensuing immune response. Steinmetz and Professor Jon Pokorski received an NSF Rapid Research Response grant to develop a peptide-based COVID-19 vaccine from a plant virus

Their approach uses the Cowpea mosaic virus that infects legumes, engineering it to look like SARS-CoV-2, and weaving antigen peptides onto its surface, which will stimulate an immune response.

Their approach, as well as other plant-based expression systems, can be easily scaled up using molecular farming. In molecular farming, each plant is a bioreactor. The more plants are grown, the more vaccine is made.

The speed and scalability of the platform was recently demonstrated by Medicago manufacturing 10 million doses of influenza vaccine within one month. In the 2014 Ebola epidemic, patients were treated with ZMapp, an antibody cocktail manufactured through molecular farming. Molecular farming has low manufacturing costs, and is safer since human pathogens cannot replicate in plant cells.

traduzione:

Una classe interessante di nanotecnologie per i vaccini peptidici sono le particelle simili ai virus (VLP: virus like particles) dei batteriofagi e dei virus delle piante. Sebbene non infettivi nei confronti dei mammiferi, questi VLP imitano i modelli molecolari associati ai patogeni, rendendoli altamente visibili al sistema immunitario. Ciò consente ai VLP di servire non solo come piattaforma di consegna, ma anche come adiuvante.

I VLP aumentano l’assorbimento di antigeni virali da parte delle cellule che presentano l’antigene e forniscono l’ulteriore stimolo immunitario che porta all’attivazione e all’amplificazione della risposta immunitaria che ne deriva. Steinmetz e il professor Jon Pokorski hanno ricevuto una sovvenzione NSF Rapid Research Response per sviluppare un vaccino COVID-19 a base di peptidi da un virus vegetale.

(ndr commento su VLP: un virus non offensivo può essere usato come “veicolo” o anche detto “vettore” per immettere sostanze che stimolano (ipoteticamente) la “risposta appropriata del sistema immuntario contro il vero virus di cui si vuole la risposta immunitaria”: ad esempio la struttura mRNA vede “m” come messaggero di produrre una proteina detta spike che è presente nel virus covid19, senza somministrare il covid19 attenuato come nei vaccini classici. Purtroppo un eccesso di produzione di proteine spike può danneggiare la coagulazione del sangue e dare anche effetti dannosi senza la presenza del virus covid19, come nei rari casi di trombosi già osservati nella sperimentazione attuale! .. salvo procedere con contromisure di somministrazione di “anticoagulanti”, anti-infiammatori, antiviruali prima di procedere alla “ventilazione”.)

Il loro approccio utilizza il virus del mosaico di fagiolo dall’occhio che infetta i legumi, ingegnerizzandolo per assomigliare a SARS-CoV-2 e tessendo peptidi antigenici sulla sua superficie, che stimoleranno una risposta immunitaria.

Il loro approccio, così come altri sistemi di espressione a base vegetale, possono essere facilmente ampliati utilizzando l’agricoltura molecolare. Nell’agricoltura molecolare, ogni pianta è un bioreattore. Più piante vengono coltivate, più viene prodotto il vaccino.

La velocità e la scalabilità della piattaforma sono state recentemente dimostrate da Medicago che ha prodotto 10 milioni di dosi di vaccino antinfluenzale entro un mese. Nell’epidemia di Ebola del 2014, i pazienti sono stati trattati con ZMapp, un cocktail di anticorpi prodotto attraverso l’agricoltura molecolare. L’agricoltura molecolare ha bassi costi di produzione ed è più sicura poiché i patogeni umani non possono replicarsi nelle cellule vegetali.


copio:

Nucleic-acid based vaccines

For fast emerging viral infections and pandemics such as COVID-19, rapid development and large scale deployment of vaccines is a critical need that may not be fulfilled by subunit vaccines.

Delivering the genetic code for in situ production of viral proteins is a promising alternative to conventional vaccine approaches. Both DNA vaccines and mRNA vaccines fall under this category and are being pursued in the context of the COVID-19 pandemic.

traduzione:

Vaccini a base di acido nucleico

Storie correlate

  • Un vaccino intranasale COVID-19 provoca un’immunità duratura contro le varianti SARS-CoV-2 in vivo
  • I vaccini COVID-19 basati su mRNA sono efficaci contro la variante indiana SARS-CoV-2, afferma lo studio
  • Uno studio israeliano mostra l’efficacia nel mondo reale del vaccino COVID-19 della Pfizer-BioNTech

Per infezioni virali e pandemie emergenti veloci come COVID-19, il rapido sviluppo e la diffusione su larga scala di vaccini è un’esigenza fondamentale che potrebbe non essere soddisfatta dai vaccini a subunità.

https://en.wikipedia.org/wiki/Subunit_vaccine

da wiki:
subunit vaccine is a vaccine that presents one or more antigens to the immune system without introducing pathogen particles, whole or otherwise. The word “subunit” simply means the antigen is a fragment of the pathogen, and the antigens involved can be any molecule, such as proteinspeptides or polysaccharides. Just like inactivated vaccines, the vaccine is completely “dead”, and is therefore less risky.[1]

da wiki traduzione:
Un vaccino a subunità è un vaccino che presenta uno o più antigeni al sistema immunitario senza introdurre particelle patogene, intere o meno. La parola “subunità” significa semplicemente che l’antigene è un frammento dell’agente patogeno e gli antigeni coinvolti possono essere qualsiasi molecola, come proteine, peptidi o polisaccaridi. Proprio come i vaccini inattivati, il vaccino è completamente “morto” ed è quindi meno rischioso. [1]

Fornire il codice genetico per la produzione in situ di proteine virali è un’alternativa promettente agli approcci vaccinali convenzionali. Sia i vaccini a DNA che i vaccini a mRNA rientrano in questa categoria e vengono perseguiti nel contesto della pandemia COVID-19.

copio:

  • DNA vaccines are made up of small, circular pieces of bacterial plasmids which are engineered to target nuclear machinery and produce S protein of SARS-CoV-2 downstream.
  • mRNA vaccines on the other hand, are based on designer-mRNA delivered into the cytoplasm where the host cell machinery then translates the gene into a protein – in this case the full-length S protein of SARS-CoV-2. mRNA vaccines can be produced through in vitro transcription, which precludes the need for cells and their associated regulatory hurdles

traduzione:

  • I vaccini a DNA sono costituiti da piccoli pezzi circolari di plasmidi batterici progettati per colpire i macchinari nucleari e produrre la proteina S di SARS-CoV-2 a valle.
  • I vaccini a mRNA, d’altra parte, si basano sul designer-mRNA consegnato nel citoplasma dove il meccanismo della cellula ospite traduce quindi il gene in una proteina, in questo caso la proteina S a tutta lunghezza di SARS-CoV-2. I vaccini a mRNA possono essere prodotti attraverso la trascrizione in vitro, che preclude la necessità di cellule e gli ostacoli regolatori associati

copio:

While DNA vaccines offer higher stability over mRNA vaccines, the mRNA is non-integrating and therefore poses no risk of insertional mutagenesis. Additionally, the half-life, stability and immunogenicity of mRNA can be tuned through established modifications.

Several COVID-19 vaccines using DNA or RNA are undergoing development: Inovio Pharmaceuticals has a Phase I clinical trial underway, and Entos Pharmeuticals is on track for a Phase I clinical trial using DNA. Moderna’s mRNA-based technology was the fastest to Phase I clinical trial in the US, which began on March 16th, and BioNTech-Pfizer recently announced regulatory approval in Germany for Phase 1/2 clinical trials to test four lead mRNA candidates.

traduzione:

Mentre i vaccini a DNA offrono una maggiore stabilità rispetto ai vaccini a mRNA, l’mRNA non si integra e quindi non presenta alcun rischio di mutagenesi inserzionale. Inoltre, l’emivita, la stabilità e l’immunogenicità dell’mRNA possono essere regolate attraverso modifiche stabilite.

Diversi vaccini COVID-19 che utilizzano DNA o RNA sono in fase di sviluppo: Inovio Pharmaceuticals ha in corso una sperimentazione clinica di fase I ed Entos Pharmeuticals è sulla buona strada per una sperimentazione clinica di fase I che utilizza DNA. La tecnologia basata su mRNA di Moderna è stata la sperimentazione clinica di Fase I più veloce negli Stati Uniti, iniziata il 16 marzo, e BioNTech-Pfizer ha recentemente annunciato l’approvazione normativa in Germania per gli studi clinici di fase 1/2 per testare quattro candidati principali per l’mRNA.

copio:

Subunit vaccines

Subunit vaccines use only minimal structural elements of the pathogenic virus that prime protective immunity– either proteins of the virus itself or assembled VLPs. Subunit vaccines can also use non-infectious VLPs derived from the pathogen itself as the antigen.

These VLPs are devoid of genetic material and retain some or all of the structural proteins of the pathogen, thus mimicking the immunogenic topological features of the infectious virus, and can be produced via recombinant expression and scalable through fermentation or molecular farming.

The frontrunners among developers are Novavax who initiated a Phase I/II trial on May 25, 2020. Also Sanofi Pasteur/GSK, Vaxine, Johnson & Johnson and the University of Pittsburgh have announced that they expect to begin Phase I clinical trials within the next few months.

Others including Clover Biopharmaceuticals and the University of Queensland, Australia are independently developing subunit vaccines engineered to present the prefusion trimer confirmation of S protein using the molecular clamp technology and the Trimer-tag technology, respectively.

traduzione:

Vaccini di subunità
I vaccini a subunità utilizzano solo elementi strutturali minimi del virus patogeno che innescano l’immunità protettiva: proteine ​​del virus stesso o VLP assemblati. I vaccini a subunità possono anche utilizzare VLP non infettivi derivati ​​dal patogeno stesso come antigene.

Questi VLP sono privi di materiale genetico e conservano alcune o tutte le proteine ​​strutturali del patogeno, imitando così le caratteristiche topologiche immunogeniche del virus infettivo, e possono essere prodotte tramite espressione ricombinante e scalabili attraverso la fermentazione o l’agricoltura molecolare.

I primi tra gli sviluppatori sono Novavax che ha avviato uno studio di Fase I / II il 25 maggio 2020. Anche Sanofi Pasteur / GSK, Vaxine, Johnson & Johnson e l’Università di Pittsburgh hanno annunciato che prevedono di iniziare gli studi clinici di Fase I entro il prossimo pochi mesi.

Altri, tra cui Clover Biopharmaceuticals e l’Università del Queensland, in Australia, stanno sviluppando in modo indipendente vaccini a subunità progettati per presentare la conferma del trimero di prefusione della proteina S utilizzando rispettivamente la tecnologia del morsetto molecolare e la tecnologia Trimer-tag.

more info trimer-tag:
https://geneonline.news/en/clover-biopharmaceuticals-raises-230-million-to-expand-trimer-tag-technology/

copio:

Delivery device development

Lastly, the researchers note that nanotechnology’s impact on COVID-19 vaccine development does not end with the vaccine itself, but extends through development of devices and platforms to administer the vaccine.

This has historically been complicated by live attenuated and inactivated vaccines requiring constant refrigeration, as well as insufficient health care professionals where the vaccines are needed.

“Recently, modern alternatives to such distribution and access challenges have come to light, such as single-dose slow release implants and microneedle-based patches which could reduce reliance on the cold chain and ensure vaccination even in situations where qualified health care professionals are rare or in high demand,” the researchers write.

“Microneedle-based patches could even be self-administered which would dramatically hasten roll-out and dissemination of such vaccines as well as reducing the burden on the healthcare system.”

Pokorski and Steinmetz are co-developing a microneedle delivery platform with their plant virus COVID-19 vaccine for both of these reasons.

This work is supported by a grant from the National Science Foundation (NSF CMMI-2027668)

“Advances in bio/nanotechnology and advanced nanomanufacturing coupled with open reporting and data sharing lay the foundation for rapid development of innovative vaccine technologies to make an impact during the COVID-19 pandemic,” the researchers wrote.

“Several of these platform technologies may serve as plug-and-play technologies that can be tailored to seasonal or new strains of coronaviruses. COVID-19 harbors the potential to become a seasonal disease, underscoring the need for continued investment in coronavirus vaccines.”

traduzione:

Sviluppo del dispositivo di consegna
Infine, i ricercatori notano che l’impatto della nanotecnologia sullo sviluppo del vaccino COVID-19 non si esaurisce con il vaccino stesso, ma si estende attraverso lo sviluppo di dispositivi e piattaforme per somministrare il vaccino.

Questo è stato storicamente complicato da vaccini vivi attenuati e inattivati ​​che richiedono una refrigerazione costante, nonché da operatori sanitari insufficienti dove sono necessari i vaccini.

“Recentemente, sono emerse alternative moderne a tali sfide di distribuzione e accesso, come impianti monodose a rilascio lento e cerotti a base di microaghi che potrebbero ridurre la dipendenza dalla catena del freddo e garantire la vaccinazione anche in situazioni in cui gli operatori sanitari qualificati sono rari o molto richiesta “, scrivono i ricercatori.

“I cerotti a base di microneedle potrebbero anche essere auto-somministrati, il che accelererebbe notevolmente il lancio e la diffusione di tali vaccini, oltre a ridurre l’onere per il sistema sanitario”.
https://dermadue.it/che-cose-il-microneedling/

Pokorski e Steinmetz stanno sviluppando una piattaforma di somministrazione di microaghi con il loro vaccino contro il virus vegetale COVID-19 per entrambi questi motivi.

Questo lavoro è supportato da una sovvenzione della National Science Foundation (NSF CMMI-2027668)

“I progressi nella bio / nanotecnologia e nella nanofabbricazione avanzata, insieme a rapporti aperti e condivisione dei dati, gettano le basi per un rapido sviluppo di tecnologie innovative per i vaccini per avere un impatto durante la pandemia COVID-19”, hanno scritto i ricercatori.

“Molte di queste tecnologie di piattaforma possono fungere da tecnologie plug-and-play che possono essere adattate a ceppi stagionali o nuovi di coronavirus. COVID-19 ha il potenziale per diventare una malattia stagionale, sottolineando la necessità di investimenti continui nei vaccini contro il coronavirus”.

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