Role of metallic nanoparticles in vaccinology: implications for infectious disease vaccine development

A busca por novos adjuvantes é um dos objetivos principais dentro da vacinologia. Juntamente com isso, entender o impacto do uso de nanopartículas como sistema de entrega e imunomodulador em sistemas vacinais impacta diretamente no desenvolvimento de novas vacinas. Nesse trabalho, buscamos estudar e elucidar a adjuvanticidade de nanopartículas magnéticas, bem como a imunogenicidade e proteção de sistemas vacinais utilizando essas nanopartículas. Inicialmente foi feito uma revisão da literatura buscando bases científicas que demonstrassem a possiblidade do uso de nanopartículas metálicas (MeNPs) como estimuladores do sistema imune inato. Buscou-se também encontrar elementos em que as nanopartículas metálicas pudessem auxiliar na geração de uma resposta celular do tipo Th1, Th17 e T CD8. A partir dessa revisão, verificou-se que as nanopartículas magnéticas, ou com íons metálicos, eram capazes de estimular a ativação de moléculas coestimuladoras (CD80, CD40 e CD86), induzir secreção de citocinas (IL-1, IL-6, IFN-γ e TNF-α) bem como a resposta imune humoral, mas nenhum trabalho demonstrou se essas nanopartículas eram capazes de induzir resposta celular. Consequentemente, na segunda parte do trabalho utilizou-se a tuberculose como modelo de estudo para verificar se uma formulação vacinal com uma nanopartícula magnética de ferrita de manganês combinada com proteína de fusão recombinante, teria capacidade indutora de resposta imune celular protetora, sem adição de outros adjuvantes. A nanopartícula foi recoberta com a proteína de fusão recombinante CMX e os camundongos BALB/c foram vacinados com essa formulação, em protocolo com três vacinações com intervalos de 21 dias. Posteriormente, os animais vacinados foram infectados com Mycobacterium tuberculosis (H37Rv) para se avaliar a proteção conferida pela vacina. Os resultados mostraram que a nanopartícula teve capacidade de gerar resposta imune celular dos tipos Th1, Th17 e T CD8, dependendo da via de inoculação (subcutânea, intranasal ou mista). Essa resposta foi principalmente do tipo Tc1 e foi capaz de proteger contra o desafio com Mtb. Adicionalmente, não houve qualquer aparecimento de efeito colateral ou danos em órgãos dos animais infectados, demonstrando que a formulação é segura. Por fim, as formulações vacinais com MeNPs, mais especificamente com ferrita de manganês, então demonstram potencial aplicação em vacinologia, podendo ser aplicada em formulações vacinais para gerar resposta imune celular, mas deve-se levar em conta a rota e, caso for utilizar outros adjuvantes complementares, deve-se pensar na possível interação da NP com o adjuvantes e seus ligantes. The search for new adjuvants is the main goal in vaccinology. Along with this, understanding the impact of using nanoparticles as a delivery system and immunomodulator in vaccine systems directly impacts the development of new vaccines. In this work, we seek to study and elucidate the adjuvanticity of magnetic nanoparticles, as well as its immunogenicity and protection of the vaccine systems. Initially, a literature review was made seeking scientific bases that demonstrated the possibility of using metallic nanoparticles (MeNPs) as innate immune system stimulators. It was also sought to find elements in which metallic nanoparticles could aid in the generation Th1, Th17 and T CD8 type cellular response. From this review, it was verified that the magnetic nanoparticles, or with metallic ions, were able to stimulate the activation of costimulatory molecules (CD80, CD40 and CD86), to induce secretion of cytokines (IL-1, IL-6, IFN-γ and TNF-α) as well as the humoral immune response, but no work demonstrated whether these nanoparticles were able to induce cellular response. Consequently, in the second part of the study, tuberculosis was used as model to verify if a vaccine formulation with a magnetic nanoparticle of manganese ferrite combined with recombinant fusion protein would have the ability to induce a protective cellular immune response, without adding other adjuvants. The nanoparticle was coated with recombinant CMX fusion protein and BALB/c mice were vaccinated with this formulation, in protocol with three vaccinations with 21-day intervals. Subsequently, the vaccinated animals were infected with Mycobacterium tuberculosis (H37Rv) to evaluate the protection conferred by the vaccine. The results showed that the nanoparticle was able to generate cellular immune responses of Th1, Th17 and T CD8 types, depending on the route of inoculation (subcutaneous, intranasal and mixed). The most preeminent response was Tc1 which was recalled after infection was able to protect against the challenge with Mtb. In addition, there was no appearance of side effects or damage to organs of infected animals, demonstrating that the formulation is safe. Finally, the vaccine formulations with MeNPs, more specifically with manganese ferrite, demonstrate potential application in vaccinology, and may be applied in vaccine formulations to generate cellular immune response, but the route must be considered and in case of use other adjuvants it should consider the possible interaction of NP with the molecule and their ligand. 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