Compreendendo a nanotecnologia em vacinas para covid-19

As nanopartículas lipídicas são um componente fundamental das vacinas contra covid-19 da Pfizer/BioNTech e Moderna mRNA, elas têm um papel importante na proteção e no transporte eficaz do mRNA para o lugar certo nas células. Elas são lipossomas de última geração a usar nanotecnologia e são bem apropriadas para a distribuição estável e eficiente de várias terapias.

Embora as vacinas de mRNA tenham recebido muito interesse global por serem um novo tipo de fármaco, as nanopartículas lipídicas ocuparam uma posição reconhecida no mainstream dos sistemas de Drug Delivery (DDS) desde a descoberta dos lipossomas na década de 1960. Vejamos mais de perto o que são os lipossomas, sua evolução e potencial para uso em outros setores.

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Lipossomas – os precursores das nanopartículas lipídicas

Os lipossomas são vesículas de bicamada lipídica fechadas que se formam espontaneamente na água (ver fig. 1A) – essencialmente uma cápsula gordurosa. Eles foram descobertos na década de 1960 e seu potencial como sistemas eficazes de Drug Delivery foi reconhecido quase imediatamente. Ao longo das últimas décadas, os cientistas trabalharam no design de lipossomas para controlar onde atuam, por quanto tempo circulam no corpo e onde e quando seu conteúdo é liberado.

Os lipossomas provaram ser uma plataforma de nanocarreadores extremamente versátil porque podem transportar fármacos hidrofílicos dentro do interior aquoso fechado ou fármacos hidrofóbicos dentro da região da cadeia de hidrocarbonetos da bicamada lipídica (ver fig. 1B).

Eles são extremamente importantes na terapêutica, impulsionando a medicina e têm sido usados em vários ensaios clínicos para administração de fármacos anticancerígenas, anti-inflamatórios, antibióticos, antifúngicos e anestésicos, bem como para a administração de terapias genéticas. De fato, os lipossomas são a primeira plataforma de entrega de nanomedicina a passar com sucesso do conceito à aplicação clínica. Há uma série de preparações farmacêuticas aprovadas, por exemplo, Doxil para a entrega do inibidor químico doxorrubicina para tratar câncer de ovário e Epaxal para a entrega de antígeno proteico como vacina contra hepatite e muitas outras no pipeline. Compreender como eles foram desenvolvidos nos ajudará a impulsionar possíveis usos futuros.

Fig. 1. Representação esquemática de: (A) lipossoma; (B) fármacos hidrofílicos e hidrofóbicos encapsulados em lipossomas; (C) imunolipossoma funcionalizado com ligantes de direcionamento; (D) lipossoma estericamente estabilizado ("stealth") funcionalizado com polímeros inertes, como PEG.

Evolução como um sistema de drug delivery direcionado

Apesar de seus benefícios, os lipossomas têm algumas desvantagens: têm um curto tempo de circulação na corrente sanguínea, são instáveis no corpo humano e não têm direcionamento seletivo. Houve vários desenvolvimentos importantes para sua construção para superar esses desafios:

1. Para melhorar o direcionamento do tecido, a superfície dos lipossomas foi modificada com ligantes ou anticorpos que permitem que o lipossoma reconheça e se ligue a receptores específicos nas células (Fig 1C). Eles são chamados de imunolipossomas. 
2. Para melhorar sua longevidade na corrente sanguínea, a superfície foi revestida com polímeros inertes biocompatíveis, como o PEG (Fig. 1D), que passa despercebido.
3. Para fornecer liberação controlada da droga encapsulada, os cientistas projetaram lipossomas responsivos a estímulos que são sensíveis à temperatura e aos níveis de pH. A permeabilidade da membrana é aumentada durante uma transição de fase desencadeada por estímulos dos lipídios nas formulações.

As nanopartículas lipídicas têm uma arquitetura lipídica interna mais complexa e uma presença aquosa interna mínima do que os lipossomas tradicionais. A estabilidade física aprimorada foi alcançada pelo desenvolvimento de nanopartículas lipídicas sólidas (SLN) e carreadores lipídicos nanoestruturados (NLC),  abordando uma das principais limitações das formulações à base de emulsão. Cubossomos são a melhoria mais recente que são nanopartículas altamente estáveis formadas a partir de um lipídio em fase cúbica e estabilizadas por uma coroa externa à base de polímero.

Nanopartículas lipídicas catiônicas como carreadores de ácidos nucleicos

Muitas das moléculas de fármacos de hoje são pequenas moléculas e produtos biológicos. No entanto, cada vez mais os cientistas estão indo além dos biofármacos tradicionais para terapias mais complexas e especializadas, incluindo oligonucleotídeos (RNA, mRNA, siRNA e moléculas baseadas em DNA) que podem combater doenças no nível genético.  

Os fármacos à base de ácido nucleico são uma nova categoria muito interessante de produtos biológicos que surgiu e um grande desafio para sua adoção tem sido garantir sua entrega eficiente. Isso ocorre porque as propriedades físico-químicas dos ácidos nucleicos, como carga negativa e hidrofobicidade, impedem a difusão passiva através da membrana plasmática. Eles também são suscetíveis à degradação de nucleases. Por exemplo, o mRNA livre se decompõe rapidamente no corpo, diminuindo assim sua eficácia.

Para evitar isso e melhorar a estabilidade, é necessária tecnologia avançada e é aí que as nanopartículas lipídicas entram em ação. Atualmente, o sistema de vetor não viral utilizado mais amplamente inclui um lipídio sintético carregado positivamente (catiônico). Estes formam complexos estáveis conhecidos como lipoplexos com ácidos nucleicos carregados negativamente (aniônicos). Decorados por lipídios carregados positivamente (ver fig. 2), os ácidos nucleicos são mais estáveis e resistentes à degradação da nuclease.

Fig. 2.  Estruturas sugeridas de carreadores de vacina de nanopartículas lipídicas: mRNA organizado em micelas lipídicas inversas dentro da nanopartícula(A); mRNA intercalado entre as bicamadas lipídicas(B¹).

Reações alérgicas às vacinas de mRNA contra a covid-19

Apesar de suas claras vantagens para Drug Delivery, as nanopartículas lipídicas têm um efeito colateral indesejado; elas têm o potencial de induzir uma reação alérgica, principalmente para aqueles que sofrem de alergias graves. No entanto, as reações são raras e os pesquisadores estimam uma taxa de 1,1 casos de anafilaxia por milhão de primeiras doses da vacina Pfizer/BioNTech covid-19.

A composição das nanopartículas nanolipídicas é muito similar para as duas vacinas (Pfizer/BioNTech e Moderna): um lipídio catiônico ionizável, um lipídio PEGuilado, colesterol e o fosfolipídio diestearoilfosfatidilcolina (DSPC) como lipídio auxiliar. Os cientistas acreditam que as reações estão relacionadas ao componente PEG-lipídio da vacina, pois o risco de sensibilização parece ser maior com formulações que compreendem PEG de maior peso molecular, como PEG3350 – PEG5000. É importante ressaltar que as vacinas de mRNA contêm apenas MW PEG2000.

Fig. 3. Estruturas de lipídios dos LNPs de entrega de mRNA

Futuras aplicações para as nanopartículas de lipídio

Embora as nanopartículas lipídicas estejam ampliando os limites para a Drug Delivery, elas também podem ter um enorme potencial nas indústrias de cosmecêuticos, cosméticos e nutrição como um carreador alternativo para emulsões.

Existem muitas aplicações promissoras, por exemplo, são ideais para aplicações dérmicas de cosméticos, proporcionando liberação controlada de ativos e penetração aprimorada para aumentar a hidratação da pele Além disso, sua excelente estabilidade física e compatibilidade com outros ingredientes significa que podem ser facilmente adicionadas a formulações existentes. O uso desses sistemas significa que os emulsificantes são desnecessários, permitindo que os cientistas criem produtos de maior qualidade.

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¹Kulkarni, J. A., Thomson, S. B., Zaifman, J., Leung, J., Wagner, P.K., et al. (2020) Aprisionamento espontâneo e sem solvente de siRNA dentro de nanopartículas lipídicas. Nanoescala 12, 23959-23966.