Liposomes for mucosal vaccine delivery: physicochemical characterization and biological application
Doktorsavhandling, 2020

Liposomes are attractive vaccine carriers due to their potential to act as adjuvants, and to the fact that their composition and characteristics are virtually endlessly customizable. However, the precise physicochemical profile of an ideal carrier liposome for mucosal vaccines is still widely unknown, and how different properties affect key steps in the acquisition of protective immunity remains to be elucidated. Additionally, there is no consensus in the field regarding characterization of vaccine formulations, often with incomplete reporting of properties as a result. The focus of this work is therefore twofold: i) to contribute to a better understanding of how the physicochemical profile of vaccine carrier liposomes impacts the development of protective immunity using models at different levels of complexity, and ii) to improve and simplify the physicochemical characterization of liposomes through development and use of new analytical methods. The work in the first area consists of, firstly, an in vivo characterization of the biological response to vaccine liposomes carrying a vaccine protein and characterized by varying surface hydrophilicity (PEGylation). This study showed that non-PEGylated vaccine liposomes more efficiently induced local cell- and antibody-mediated immune responses, as well as better protection against a lethal virus challenge than both PEGylated liposomes and free vaccine protein. Secondly, in vitro studies focused on how liposome stiffness influences dendritic cells, investigating effects on uptake, antigen presentation and cellular activation. These investigations demonstrated that stiff, gel phase liposomes were able to more efficiently activate dendritic cells and induce significantly higher levels of antigen presentation and co-stimulatory signaling compared to both soft, fluid phase liposomes, and free vaccine protein. The work in the second part comprises two studies: a surface plasmon resonance-based method to characterize the influence on liposome deformation from specific multivalent interactions with supported cell membrane mimics, and a waveguide microscopy technique for characterization of optical properties of individual liposomes. While the latter method might become valuable in the context of quantifying the efficiency of dye labelling of liposomes, the surface plasmon resonance study offered information on how liposome deformation depends on membrane stiffness and ligand-receptor pair density. Taken together, the work presented in this thesis demonstrate the value of multidisciplinary approaches to complex biological and medical challenges.

cellular uptake

fluorescence microscopy

influenza

surface plasmon resonance

nanoparticles

flow cytometry

dendritic cells

liposomes

vaccine carriers

antigen presentation

Kollektorn, MC2-huset
Opponent: Camilla Foged, Københavns Universitet, Copenhagen

Författare

Karin Norling

Nano- och biofysik

Bernasconi, V. Norling, K. Burazerovic, S. Parveen, N. Schön, K. Stensson, A. Bally, M. Larson, G. Höök, F. Lycke, N. A vaccine combination of lipid nanoparticles and a cholera toxin adjuvant derivative greatly improves lung protection against infection

Norling, K. Gallud, A. Lycke, N. Winters, E. K. Höök, F. Bally, M. Vaccine liposome stiffness influences uptake by dendritic cells in vitro

Norling, K. Parveen, N. Bally, M. Höök, F. Characterization of binding-induced liposome deformation using multiparametric surface plasmon resonance

Det bästa sättet att hålla sig frisk kan tyckas vara att undvika att bli sjuk till att börja med. Det är också det som är grundtanken bakom vacciner, som använder sig av kroppens naturliga skyddsmekanismer för att förebygga sjukdom. Dock sker utvecklandet av nya vacciner i kapplöpning mot virus och bakterier som konstant muterar och därmed utvecklas till nya varianter mot vilka vi inte har något försvar. Ett exempel på ett virus som förändras snabbt och återkommer i ny form med jämna mellanrum är influensaviruset. Varje år måste därför ett nytt influensavaccin tas fram och människor vaccineras på nytt. Detta kan tyckas vara ett mindre problem, men ibland kommer en ovanligt svår och dödlig form, exempelvis spanska sjukan som mellan 1918 och 1920 drabbade ungefär en tredjedel av jordens befolkning och dödade mellan 50 och 100 miljoner människor. Den här typen av globala epidemier, så kallade pandemier, är periodiskt återkommande och skulle troligtvis drabba dagens globaliserade, rörliga värld ännu hårdare än förut. Vid risk för en pandemi är därför förebyggande massvaccinationer viktiga. Sådana insatser tenderar dock att vara långsamma och eftersom de ofta samlar större grupper av människor i begränsade utrymmen utgör de också en risk för ytterligare sjukdomsspridning. Därför vore det fördelaktigt om vaccination inte behövde utföras av sjukvårdspersonal på vårdcentraler, utan i stället kunde ske i hemmet. Ett alternativ som skulle kunna ersätta traditionella, injicerade vaccin är slemhinnevaccin som patienten kan ta själv. Denna typ av vaccin tas, som namnet antyder, upp genom slemhinnan i exempelvis näsan. Förutom att de är enklare att distribuera och smärtfria, har slemhinnevaccin fördelen att de imiterar den typiska infektionsvägen för virus (och bakterier), och kan därför ge en typ av immunsvar som injicerade vaccin inte kan. Att ge vaccin genom slemhinnan är därför ett lovande tillvägagångssätt mot många infektionssjukdomar. Varför är då inte alla vacciner slemhinnevacciner? Jo, slemhinnorna är en av kroppens gränsytor mot den yttre världen, och där ansamlas massvis med främmande, men ofarliga, saker som exempelvis pollen och godartade bakterier. Därför har immunförsvaret vid slemhinnorna hög tolerans och det är en utmaning att fånga dess uppmärksamhet med vaccin.

En lovande strategi för att göra slemhinnevaccin mer effektiva är att använda sig av nanopartiklar. Storleksmässigt efterliknar dessa virus, vilka immunsystemet är väldigt bra på att känna igen. I den här avhandlingen har liposomer, en typ av nanopartikel, använts. Dessa partiklar är små, ungefär tusen gånger mindre än diametern på ett hårstrå och gjorda av samma typ av material som vi hittar i ytterhöljet på våra egna celler, vilket i sig är helt ofarligt. Hur kommer det sig då att sådana nanopartiklar kan förstärka immunförsvarets reaktion mot ett vaccin? Det kan vi i dagsläget inte svara på. Liposomer kan ha en mängd olika fysiska och kemiska egenskaper och det är ännu inte kartlagt hur dessa påverkar aktiveringen av immunförsvaret och vilka egenskaper som bör kombineras i optimala vaccinliposomer.

Målsättningen med det här avhandlingsarbetet har varit att bidra till ökad kunskap om hur de fysiska och kemiska egenskaperna hos liposomer som används i vaccin påverkar om och hur immunförsvaret reagerar. Arbetet mot detta mål kan delas upp i två delar. I den första studerades hur vaccinliposomers fysiska och kemiska egenskaper påverkar viktiga delmoment i aktiveringen av immunsvaret med hjälp av olika typer av biologiska modeller. I den andra delen utvecklades nya metoder för att mäta nanopartikelegenskaper som hittills varit svåra att kvantifiera. Resultaten ser lovande ut, och det är min förhoppning att de kommer att bidra till nya designkriterier för den typ av vaccin som behövs för att snabbt och effektivt förhindra globala epidemier.

Ämneskategorier

Annan medicinsk grundvetenskap

Immunologi inom det medicinska området

Biofysik

Medicinsk bioteknologi (med inriktning mot cellbiologi (inklusive stamcellsbiologi), molekylärbiologi, mikrobiologi, biokemi eller biofarmaci)

Styrkeområden

Livsvetenskaper och teknik (2010-2018)

Infrastruktur

Chalmers materialanalyslaboratorium

ISBN

978-91-7905-245-4

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4712

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Kollektorn, MC2-huset

Opponent: Camilla Foged, Københavns Universitet, Copenhagen

Mer information

Senast uppdaterat

2020-02-17