Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/1751
Title: Μελέτη της ανοσοαπόκρισης μετά την διαδερμική χορήγηση αντιγόνου εγκλεισμένου σε νανόσφαιρες πολυ(γαλακτικού οξέος)
Authors: Ματθαιολαμπάκης, Γεώργιος
Issue Date: 2009-08-03T11:03:58Z
Keywords: Νανοσωματίδια
Διαδερμική ανοσοποίηση
Πολυ(γαλακτικό οξύ)
Keywords (translated): Nanoparticles
Transcutaneous immunization
Abstract: Το δέρμα λειτουργεί σαν μηχανικός φραγμός ενάντια σε ένα εχθρικό περιβάλλον. Παράλληλα λειτουργεί ως ένα ανοσολογικό εμπόδιο, το οποίο είναι πλούσιο σε αντιγονοπαρουσιαστικά κύτταρα, όπως τα κύτταρα Langerhans. Αν και είναι γενικά παραδεκτό ότι το δέρμα δεν είναι περατό από μεγαλομοριακές ουσίες, και συνεπώς δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως οδός χορήγησης αντιγόνων, πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι το δέρμα μπορεί να αποτελέσει οδό για τη χορήγηση αντιγόνων. Συγκεκριμένα έδειξαν ότι η διαδερμική χορήγηση ενός αντιγόνου μαζί με την τοξίνη της χολέρας ως ανοσοενισχυτικό επάγει ικανοποιητική ανοσοαπόκριση έναντι του αντιγόνου. Επιπρόσθετα, η διαδερμική χορήγηση της τοξίνης της χολέρας δεν εμφανίζει τοξικότητα όπως με άλλες οδούς χορήγησης. Η υποδόρια χορήγηση αντιγόνων εγκλεισμένων σε PLA και PLGA μικροσφαίρες και νανοσφαίρες έχει ευρεθεί ότι επάγει ισχυρή και μακράς διάρκειας ανοσοαπόκριση. Μέχρι σήμερα δεν έχει μελετηθεί η δυνατότητα διαδερμικής χορήγησης αντιγόνων εγκλεισμένων σε πολυμερικά νανοσωματίδια. Έτσι, στην παρούσα μελέτη μελετήθηκε η ανοσοαπόκριση που λαμβάνεται μετά την διαδερμική χορήγηση οβαλβουμίνης (OVA) εγκλεισμένης σε νανοσφαίρες πολύ (γαλακτικού οξέως) (PLA) σε BALB/c μύες με ή χωρίς την συγχορήγηση ανοσοενισχυτικού, της τοξίνης της χολέρας (CT). Επίσης διερευνήθηκε ο πιθανός μηχανισμός εισόδου των νανοσφαιρών στο άθικτο δέρμα των μυών. Για τη παρούσα μελέτη πραγματοποιήθηκε σε πρώτο στάδιο σύνθεση πολύ (γαλακτικού οξέως) (PLA) το οποίο χαρακτηρίστηκε ως προς το μοριακό του βάρος και ως προς την καθαρότητα του. Επίσης νανοσφαίρες PLA με ενκαψακιωμένη οβαλβουμίνη παρασκευάστηκαν με την μέθοδο του διπλού γαλακτώματος και χαρακτηρίσθηκαν. Στην συνέχεια μελετήθηκε η ικανότητα των νανοσφαιρών να εισχωρούν στο δέρμα μυών μετά από εφαρμογή τους σε περιοχή της πλάτης των μυών από την οποία είχαν απομακρυνθεί οι τρίχες με ξύρισμα. Για αυτή την μελέτη χρησιμοποιήθηκαν αρχικά κενές νανοσφαίρες φθορίζοντος πολυμερούς PLA-pyren-butanol (μονο-επισημασμένες) και νανοσφαίρες φθορίζοντος πολυμερούς PLA-pyren-butanol με ενκαψακιωμένη ροδαμίνη (διπλά-επισημασμένες). Με την βοήθεια φθορίζοντος μικροσκοπίου παρατηρήθηκε ότι οι νανοσφαίρες έχουν εισχωρήσει στις εσωτερικές στοιβάδες του ιστού, σε στοιβάδες αρκετά πιο βαθιά από την κερατίνη στοιβάδα. Στην συνέχεια διερευνήθηκε η οδός εισόδου νανοσφαιρών επισημασμένων με φθορίζουσα αλβουμίνη (FITC-albumin) στο δέρμα χρησιμοποιώντας συνεστιακό μικροσκόπιο σάρωσης (confocal laser microscopy). Παρατηρήθηκε ότι οι νανοσφαίρες εμφανίστηκαν ικανές να διεισδύουν στο εσωτερικό του δέρματος μέσω των θυλάκων των τριχών του ιστού ενώ δεν παρατηρήθηκε άλλη οδός εισόδου των νανοσφαιρών στο εσωτερικό του δέρματος Για την ανίχνευση της ειδικής ανοσοαπόκρισης μελετήθηκαν αντιοροί προς την ολική ΙgG και των ισοτύπων IgG1 και IgG2a έναντι της οβαλβουμίνης. Επίσης πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε κυτταρικό επίπεδο στα σπληνοκύτταρα που ελήφθησαν από τους μύες οι οποίοι ανοσοποιήθηκαν διαδερμικά, με την μέτρηση του πολλαπλασιασμού των σπληνοκυττάρων και μετρήθηκαν τα επίπεδα των κυτταροκινών (IL-4, IL-10, IFN-γ και IL-2) στα υπερκείμενα καλλιεργειών των σπληνοκυττάρων κατόπιν in vitro διέγερσης με το αντιγόνο. Στο πρώτο μέρος της μελέτης έγινε διαδερμική χορήγηση (σε ξυρισμένη περιοχή της πλάτης) διαφορετικών μορφών αντιγόνου (ενκαψακιωμένη ή ελεύθερη οβαλβουμίνη και παρουσία ή απουσία ανοσοενισχυτικού). Οι νανοσφαίρες με το αντιγόνο παρουσίασαν παρόμοια επίπεδα ολικών αντισωμάτων IgG με την ελεύθερη οβαλβουμίνη (οβαλβουμίνη σε υδατικό διάλυμα). Επιπρόσθετα, και με τις δύο μορφές χορήγησης του αντιγόνου (διάλυμα και νανοσφαίρες) η συγχορήγηση τοξίνης της χολέρας προκάλεσε αύξηση της παραγωγής αντισωμάτων IgG. Μεγαλύτερη αύξηση παρατηρήθηκε στην περίπτωση των νανοσφαιρών. Τα αποτελέσματα του πειράματος σε κυτταρικό επίπεδο δείχνουν ότι οι νανοσφαίρες με το ενκαψακιωμένο αντιγόνο συν το ανοσοενισχυτικό προκάλεσαν αρκετά υψηλότερες αποκρίσεις IFN-γ σε σύγκριση με όλες τις υπόλοιπες μορφές χορήγησης. Στο δεύτερο μέρος της μελέτης διερευνήθηκε πρωταρχικά η ικανότητα της διαδερμικής χορήγησης ενκαψακιωμένου και μη-ενκαψακιωμένου αντιγόνου (OVA) να επάγει αυξημένη ανοσοαπόκριση μετά από μετέπειτα «πρόκληση» με το αντιγόνο (priming efficiency) και δευτερευόντως η ανοσοαπόκριση που λαμβάνεται με την συνχορήγηση μικρότερης δόσης ανοσοενισχυτικού (50μg τοξίνης της χολέρας ανά μυ). Διαπιστώθηκε ότι η συνχορήγηση έστω και μικρότερης δόσης ανοσοενισχυτικού προκαλεί βελτίωση της ανοσοαπόκρισης σε αντισώματα, ιδιαίτερα στην περίπτωση του ελεύθερου αντιγόνου. Πιο σημαντικό όμως ίσως είναι ότι τα επίπεδα ολικής IgG μετά από υποδόρια χορήγηση 50 μg OVA ανά μυ (δόση «πρόκλησης») σε μύες που είχαν ήδη ανοσοποιηθεί με δύο διαδερμικές δόσεις ενκαψακιωμένης και μη-ενκαψακιωμένης OVA ήταν υψηλότερα (περίπου διπλάσια με όλες τις μορφές χορήγησης) από τα επίπεδα ολικής IgG που λήφθηκαν από μύες που δέχτηκαν μονάχα την υποδόρια δόση με το αντιγόνο. Σε κυτταρικό επίπεδο, οι νανοσφαίρες παρουσίασαν ελαφρώς υψηλότερα επίπεδα παραγωγής IFN-γ και IL-2 από το διάλυμα του αντιγόνου ενώ επέδειξαν παρόμοια επίπεδα IL-4 και IL-10 με το διάλυμα του αντιγόνου. Τα επίπεδα των IFN-γ και IL-2 που μετρήθηκαν για τις νανοσφαίρες με το αντιγόνο συν το ανοσοενισχυτικό ήταν σημαντικά υψηλότερα από όλες τις άλλες μορφές χορήγησης του αντιγόνου. Με βάση τα αποτελέσματα αυτά φαίνεται ότι σε κυτταρικό επίπεδο η διαδερμική χορήγηση του αντιγόνου ενκαψακιωμένου σε PLA νανοσφαίρες πλεονεκτεί της χορήγησης του ελεύθερου αντιγόνου. Τα αυξημένα επίπεδα IFN-γ και IL-2 με την ενκαψακιωμένη μορφή του αντιγόνου είναι πιθανόν να σχετίζονται με αλλαγή της ισορροπίας της ανοσοαπόκρισης προς μία περισσότερο Th1 κατεύθυνση. Οι διαφορές που προκύπτουν στην ανοσογονική συμπεριφορά μεταξύ της ενκαψακιωμένης οβαλβουμίνης στις νανοσφαίρες και της ελεύθερης οβαλβουμίνης μπορεί να οφείλονται στον διαφορετικό τρόπο πρόσληψης και παρουσίασης του αντιγόνου από τα ανοσοπαρουσιαστικά κύτταρα. Η διαδερμική χορήγηση του αντιγόνου ενκαψακιωμένου σε νανοσφαίρες PLA δεν παρείχε σημαντικό πλεονέκτημα όσον αφορά την χυμική ανοσοαπόκριση (παραγωγή αντισωμάτων) σε σύγκριση με την διαδερμική χορήγηση ελεύθερου αντιγόνου. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης δείχνουν ότι το σύστημα διαδερμικής χορήγησης του αντιγόνου (η σύνθεση του διαδερμικού «εμβολίου») έχει σημαντική επίδραση στην λαμβανόμενη ανοσοαπόκριση και δικαιολογούν την περαιτέρω μελέτη της χρησιμότητας των PLA νανοσφαιρών στην διαδερμική χορήγηση αντιγόνων.
Abstract (translated): The skin is part of the epithelial system of the body, which serves as an effective barrier against a potentially hostile environment. As a structural barrier, the skin keeps water and other vital substances in and foreign material out. As an immunological barrier the skin is rich of immunocompetent cells, such as Langerhans cells. Recent studies have demonstrated the potential of skin as a non-invasive route for administering antigens. In the case of protein antigens, the skin barrier limits the penetration of high molecular weight molecules, preventing their use for therapeutic purposes. However, co-administration of proteins with cholera toxin (CT) has been shown to enhance protein-specific antibody responses. Also, CT was not toxic when applied onto bare skin. Using non-invasive routes such as the skin for vaccine delivery could be advantageous for vaccination for several reasons. Subcutaneous delivery of antigen-loaded PLA- and PLGA-microspheres and nanospheres has been found capable of inducing efficient and long-lasting immune responses. In the present study we investigated the immune responses obtained after transcutaneous administration of a model antigen (ovalbumin, OVA) encapsulated in PLA nanospheres. OVA-loaded PLA nanospheres were applied onto bare skin of Balb/c mice in the presence or the absence of CT and the immune responses obtained were compared to those obtained with free OVA (OVA aqueous solution). Also, we investigated the possible route of entry of the nanospheres in the skin. PLA polymer was synthesized by melt polymerization. OVA-loaded nanospheres were prepared by a double emulsion technique. We investigated the ability of nanospheres labeled with one fluorescent dye (1- pyrene-butanol coupled to PLA) and nanospheres labeled with two fluorescent dyes (1-pyrene-butanol/PLA and dextran-rhodamine) to penetrate into the mouse skin using fluorescent microscopy. The results indicated that the nanospheres were capable of entering into the inner layers of the skin. Then, we investigated the possible route of nanospheres entrance into the skin using confocal laser microscopy. The nanopsheres appeared capable to enter the skin only through the duct of the hair follicles. We did not observe other modes of nanospheres entry into the skin in any of the skin samples examined. We proceeded in the evaluation of immune responses elicited after transcutaneous immunization with OVA aqueous solution and OVA-loaded PLA nanospheres. For the evaluation of the immune responses, total IgG, IgG1 and IgG2a levels were measured in anti-serum samples. We also measured the proliferative responses of splenocytes retrieved from the immunized mice and the IFN-γ, IL-2, IL-4 and IL-10 responses in the supernatant of cultured splenocytes after in vitro stimulation with OVA. On the first stage of the study, we transcutaneously immunized mice onto their bare back with OVA in solution or OVA-loaded nanospheres (200 μg OVA per mouse) in the presence or absence of CT (100 μg CT per mouse). The OVA-loaded nanospheres elicited similar total IgG responses with the OVA solution. With both modes of antigen delivery (aqueous solution and nanospheres-entrapped), the coadministration of CT adjuvant increased IgG response, especially that obtained with the OVA-loaded nanospheres. Also, the OVA-loaded nanospheres plus CT exhibited higher IFN-γ responses than the other formulations tested but similar IL-4 and IL-10 responses. On the second stage of the study, we investigated mainly the ability of transcutaneous delivery of OVA-loaded nanospheres and OVA solution to induce an increased immune response after a subcutaneous booster (“challenge”) with the antigen. Also, we investigated the immune responses obtained by transcutaneous immunization with a lower dose of CT. We observed that even a relatively small amount of CT (50 μg per mouse) could augment antibody responses, especially in the case of the free antigen. It is important to note that the IgG responses obtained after subcutaneous booster with OVA (50 μg per mouse) of mice previously primed with 2 transcutaneous doses of the different OVA formulations were significantly higher than the IgG responses obtained by mice which received only the subcutaneous dose of OVA. This would indicate that transcutaneous administration of antigens in the form of aqueous solution or antigen-loaded nanospheres can prime antibody responses (can induce “memory” response). All formulations elicited both IgG1 and IgG2a responses, indicating a balanced type of immune response. The OVA-loaded nanospheres exhibited a little higher IFN-γ and IL-2 responses than the OVA-solution and similar IL-4 and IL-10 responses with the OVA solution. On the other hand, the OVA-loaded nanospheres plus CT induced much higher IFN-γ and IL-2 responses than all other formulations tested. These results indicate that as far as the cellular responses induced by transcutaneous antigen administration is concerned it may be advantageous to deliver the antigen in nanosphere-encapsulated form rather than in free (aqueous solution) form. The increased IFN-γ and IL-2 levels obtained with the encapsulated forms of OVA compared to the soluble forms of OVA may indicate a possibility of altering the balance of immune response towards a Th1-type of response using nanosphere-encapsulated antigens. The differences in the immunogenic behavior between the encapsulated antigen (OVA entrapped in nanospheres) and free antigen (OVA solution) may arise from the facilitated uptake and presentation of the encapsulated antigen by antigen presenting cells. Taking into account that the encapsulation of OVA in the nanospheres was accompanied by a significant (around 30%) reduction of OVA antigenicity, it might be expected that optimized OVA-loaded nanospheres, in which the protein would retain its full antigenic potential, could have resulted to more potent IgG responses than those obtained in this study. The results of the present study reveal that the type of antigen formulation could have a pronounced effect on the immune response obtained after transcutaneous administration of the antigen and justify the further investigation of the possible advantages of using PLA nanospheres as the antigen delivery system in transcutaneous immunization.
Appears in Collections:Τμήμα Φαρμακευτικής (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Mattheolabakis George Ph.D. Thesis.pdf3.6 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.