Productie van immunogene tumor lysaat geladen mesoporeuze silica nanodeeltjes als anti-kanker vaccin

Kanker is één van de grootste doodsoorzaken wereldwijd. Dit leidde tot de ontwikkeling van immuuntherapie, een complex onderzoeksgebied dat zeer snel evolueert. Elke vorm van deze therapie heeft als doel om delen van het immuunsysteem van de patiënt te stimuleren tegen de desbetreffende tumor. Dit onderzoek bouwt verder op actief specifieke immuuntherapie, waarbij patiënten worden gevaccineerd met autologe mature dendritische cellen beladen met autoloog tumor lysaat. Studies toonden namelijk aan dat deze vaccins veilig zijn en een immuunrespons opwekken tegen de tumor. Bovendien onderdrukken ze verdere tumorgroei. Doordat deze vaccins patiënt specifiek zijn, is de productie ervan kleinschalig en dus enorm duur. De kost van dendritische cel-therapie wordt geschat op meer dan 50 000 euro per patiënt.

In een poging om de kost te verlagen en de efficiëntie van het vaccin te verhogen, kwam ons project tot stand. Onze focus ligt op de ontwikkeling van een meer gestandaardiseerde technologie voor efficiëntere vaccinproductie. Dit werd bewerkstelligd door nanodeeltjes te gebruiken om immunogeen tumor lysaat tot bij de dendritische cellen in het lichaam te vervoeren. Mesoporeuze silica nanodeeltjes zijn in het bijzonder interessant omdat ze een grote chemische en mechanische stabiliteit bieden en tegelijk biodegradeerbaar en niet toxisch zijn.

Dit doctoraatsonderzoek is een "proof of concept" studie waarin wordt aangetoond dat een vaccin op basis van mesoporeuze silica nanodeeltjes, een goedkopere vervanging kan bieden voor de huidige vaccins op basis van dendritische cellen. Bovendien zijn de resultaten van deze studie voor verschillende immunogene tumoren van toepassing. In een eerste stadium werden zowel de synthese, als de oppervlaktechemie van de nanodeeltjes geoptimaliseerd, zodat de deeltjes met eiwitten beladen kunnen worden. De synthese bestond uit een relatief simpel "one-pot" chemisch proces dat makkelijk uitgebreid kan worden naar industriële schaal. De kwaliteit van de partikels werd onderzocht door uitvoerige karakterisering. De voornaamste technieken die hiervoor werden gebruikt, zijn transmissie elektronen microscopie, dynamische lichtverstrooiing, zeta potentiaal metingen, Fourier transform infraroodspectroscopie en thermogravimetrische analyse. Via de molybdeenblauwmethode werd de degraderingskinetiek van de deeltjes in zoutoplossingen onderzocht. De grootte van de geproduceerde nanodeeltjes viel binnen de grootteorde waarin dendritische cellen passief gestimuleerd worden. De carboxyl functionalisering die nodig is om tumoreiwitten te beladen, werd aangetoond met Fourier-transform infraroodspectroscopie, thermogravimetrie en zeta potentiaal analyse. Bovendien waren de partikels resistent tegen agglomeratie, zowel bij experimentele als fysiologische pH. Tenslotte werd aangetoond dat de biodegraderingskinetiek van de deeltjes sterk afhankelijk was van synthese parameters waaronder temperatuur, katalysator concentratie en oppervlaktechemie. De nanopartikels waarmee we het vaccin zouden ontwikkelen, degraderen over een tijdsperiode van een week.

In een tweede stadium, werden de mesoporeuze silica nanodeeltjes beladen met ovalbumine ter vorming van een nanovaccin. De toxiciteit, opname, het effect op de maturatie en potentiele immunogeniciteit van de partikels en het vaccin, werden vervolgens onderzocht door ze te testen op dendritische cellen in cultuur. Bovendien werd ook het effect van UV-sterilisatie op de partikels zelf en de dendritische cellen bestudeerd. De kwaliteit van de partikels werd niet beïnvloed door sterilisatie, noch had het toxische effecten op de dendritische cellen. Celkleuring en opeenvolgende confocale microscopie bevestigden dat dendritische cellen in staat zijn om zowel de nanodeeltjes, als het nanovaccin op te nemen. Dit proces was een actief (ATPafhankelijk) proces. De dendritische cellen vertoonden een verhoogde expressie van major histocompatibility complex en costimulatoire moleculen wanneer ze behandeld werden met nanodeeltjes. Dit betekent dat vaccins op basis van mesoporeuze silica nanopartikels een adjuvant effect hebben op dendritische cellen en daardoor mogelijks ook op het adaptief immuunsysteem. Tot slot bleek uit flowcytometrie en confocale microscopie dat dendritische cellen beter in staat waren tot cross-presentatie van de eiwit informatie, wanneer het geleverd werd door de nanodeeltjes. Dit is een aanwijzing dat de dendritische cellen mogelijks in staat zijn om de cytotoxische T-cellen van het immuunsysteem specifiek te stimuleren tegen het eiwit, en dus de tumor.

De resultaten uit deze thesis ondersteunen de hypothese dat vaccins op basis van mesoporeuze silica nanodeeltjes een groot potentieel bieden om het dure dendritische cel vaccin te vervangen. Nanovaccins bieden een mogelijkheid tot gestandaardiseerde productie en betere werkzaamheid.