Благодаря изобретательности группы исследователей Технологического института Джорджии и Университета Эмори в будущем поставка вакцины может зависеть от предметов повседневного обихода, таких как зажигалки для барбекю и микроиглы.
Исследователи, возглавляемые Школой химической и биомолекулярной инженерии Технологического института Джорджии, разработали и протестировали инновационный метод, который значительно упрощает доставку вакцин, в том числе от COVID-19, с помощью портативного электропоратора.
В то время как электропорация обычно используется в исследовательской лаборатории с использованием коротких электрических импульсов для перемещения молекул в клетки, в настоящее время этот метод требует большого, сложного и дорогостоящего оборудования, что сильно ограничивает его использование для доставки вакцины. Подход Georgia Tech позволяет использовать новое устройство размером с ручку, которое не требует батареек и может производиться серийно по низкой цене.
Выводы команды опубликованы в выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences от 20 октября .
Момент ага
Вдохновением для их открытия послужило обычное устройство, которое люди используют для зажигания гриля: электронная зажигалка для барбекю.
«Моя лаборатория выяснила, что вы можете использовать то, что все мы знакомы, четвертого июля, когда мы готовим барбекю, – зажигалку для барбекю», – вспоминает Саад Бхамла, доцент Школы химической и биомолекулярной инженерии, объясняя, что каждый как только щелкают зажигалкой, генерируется короткий электрический импульс, чтобы зажечь пламя.
Его команда взяла внутренности зажигалки и переработала их в крошечный механизм с пружинной защелкой. Устройство создает такое же электрическое поле в коже, что и уже используемые большие громоздкие аппараты электропорации, но с использованием широко доступных и недорогих компонентов, для работы которых не требуется аккумулятор.
«Нашим моментом ага стал тот факт, что у него нет батареи или розетки, в отличие от обычного оборудования для электропорации», – пояснил он. «И эти более легкие компоненты стоят всего гроши, в то время как доступные в настоящее время электропораторы стоят тысячи долларов каждый».
Соединение переосмысленного более легкого устройства с технологией микроигл из Лаборатории доставки лекарств Технологического института Джорджии привело к созданию новой сверхдешевой системы электропорации, или «ePatch».
Меньшее расстояние между электродами, более низкие напряжения
Помимо зажигалки, ключевым нововведением стало использование очень коротких микроигл и небольшого расстояния между электродами. Хотя микроиглы обычно используются в косметике для омоложения кожи и для потенциальных медицинских целей, они обычно не используются в качестве электродов. Соединение крошечного пульсатора электропорации с микроигольными электродами обеспечило эффективный электрический интерфейс с кожей и еще больше снизило стоимость и сложность ePatch.
По словам Марка Праусница, профессора Regents и кафедры химической и биомолекулярной инженерии Дж. Эрскина Лава-младшего, в их системе на основе микроигл используются напряжения, аналогичные обычной электропорации, но с импульсами, которые в 10 000 раз короче, а электроды проникают всего 0,01. дюйм в поверхность кожи.
«Близкое расположение микроигл позволяет нам использовать микросекундные импульсы, а не миллисекундные импульсы, применяемые при обычной электропорации. Этот более короткий импульс, плюс неглубокое расположение электродов микроигл, сводит к минимуму нервную и мышечную стимуляцию, что позволяет избежать боли и подергивания. общие побочные эффекты обычной электропорации », – сказал он.
«Наша цель состояла в том, чтобы разработать метод вакцинации COVID-19, который не только сделает вакцину более эффективной, но и использует простое, недорогое и технологичное устройство», – сказал Дэннин Ся, ведущий автор исследования во время работы. как научный сотрудник Технологического института Джорджии и в настоящее время доцент Университета Сунь Ятсена в Китае.
«EPatch – это портативное устройство размером с ручку, весом менее двух унций и не требующее батареи или источников питания. Оно работает простым нажатием кнопки, что делает его очень простым в использовании», – сказал он.
Тестирование на иммунный ответ
Но можно ли использовать их систему с вакциной для создания иммунного ответа?
Чтобы выяснить это, исследователи объединились с Чинглаем Яном, доцентом кафедры микробиологии и иммунологии Медицинской школы Университета Эмори, чтобы сначала протестировать систему доставки, используя флуоресцентный белок, чтобы убедиться, что она работает, и доставить настоящий COVID-19. вакцина. В качестве модели они выбрали экспериментальную ДНК-вакцину против COVID-19.
«Вначале я не был уверен, что проект будет успешным, когда Технологический институт Джорджии попросил меня сотрудничать в этом проекте», – сказал Ян. «Удивительно, но даже с первой попытки результат превзошел все мои ожидания. Используя этот метод с тем же количеством вакцины, ePatch вызывал почти десятикратное улучшение иммунного ответа по сравнению с внутримышечной иммунизацией или внутрикожной инъекцией без электропорации. Он также не показал длительного эффекта. к коже мышей. Это означает, что легче добиться защиты », – сказал он.
Упрощение электропорации
Исследователи говорят, что ePatch также должен работать для вакцинации мРНК, которую они в настоящее время изучают.
Но разработка более простого и экономичного электропоратора, который работает с ДНК-вакциной, может значительно снизить стоимость и сложность вакцинации, поскольку не требует хранения мРНК-вакцин в условиях глубокой заморозки, которые требуют низких температур, поскольку они содержат липидные наночастицы.
«Мы думаем, что ключом к тому, чтобы сделать ДНК-вакцинацию работоспособной, было сделать электропорацию простой, недорогой и масштабируемой», – сказал Праусниц.
EPatch вызывает ажиотаж среди экспертов в области здравоохранения, включая Надин Руфаэль, профессора медицины и исполнительного директора клиники Хоуп в Центре вакцин Эмори. Она отмечает, что современные генетические вакцины, будь то мРНК или ДНК, остаются дорогостоящими в качестве глобального решения, поскольку они либо требуют сложной холодовой цепи и дорогостоящего производства из-за состава липидных наночастиц для доставки мРНК, либо им необходимо сложное устройство электропорации для доставки ДНК-вакцины. .
Прорыв в доставке вакцин
«Портативный и доступный ePatch для электропорации от Georgia Tech может преодолеть эти ограничения и может потенциально изменить правила игры на арене доставки вакцин», – предсказал Руфаэль.
Исследователи уже ищут способы усовершенствовать свою систему, изучают, как оптимизировать иммунный ответ на участке кожи, и интегрируют устройство в одно устройство.
«Это произведет революцию в процессе вакцинации», – сказал Ян.
Перед испытаниями на людях команда должна пройти несколько этапов. Праусниц ожидает, что пройдет более пяти лет, прежде чем их изобретение сможет завершить клинические исследования и быть готовым к широкому использованию. Он предполагал, что ePatch будет следовать более традиционному процессу утверждения устройств, чем ускоренное утверждение вакцин, которое произошло во время пандемии.
Все четверо исследователей разделяют энтузиазм Руфаэля по поводу потенциала их ePatch для демократизации доступа к вакцинации. Бхамла объяснил, что вакцины работают для тех, кто может себе их позволить и имеет доступ к медицинским ресурсам, но это невозможно для больших сегментов развивающегося мира.
«Мы знаем, что COVID-19 не будет последней пандемией», – сказал Бхамла. «Нам нужно подумать с точки зрения затрат, а также с точки зрения дизайна, о том, как упростить и масштабировать наше оборудование, чтобы эти современные вмешательства могли быть более равномерно распределены – чтобы охватить более недостаточно обслуживаемые и более бедные ресурсами регионы мира».