破傷風抗原の免疫原性を維持するためのエンシル化：in vivoでの研究と時間分解SAXSの特性評価

Ensilicated tetanus antigen retains immunogenicity: in vivo study and time-resolved SAXS characterization.

• A Doekhie
• R Dattani
• Y-C Chen
• Y Yang
• A Smith
• A P Silve
• F Koumanov
• S A Wells
• K J Edler
• K J Marchbank
• J M H van den Elsen
• A Sartbaeva

抄録

私たちが最近開発したアンシル化アプローチは、あらかじめ形成された粒子マトリックスを使用せずに、シリカ中のタンパク質を物理的に安定化させることができます。安定化は、改良されたゾルゲルプロセスを用いて、個々のタンパク質をシリカコートに適合させることによって行われます。アジュバントを含む液体製剤ワクチンなどのバイオ医薬品は、しばしば熱安定性が悪く、加熱や凍結によって効力が損なわれることがあります。その結果、低所得国では、ワクチンで予防可能な病気が、対策があるにもかかわらず増加しています。その根本的な原因の一つは、ワクチンの「コールドチェーン」流通の問題にあります。私たちは、アンシル化により、冷蔵なしでの輸送を可能にすることでワクチンの入手可能性を向上させることができると考えています。ここでは、ジフテリア・破傷風・百日咳（DTP）ワクチンに含まれる破傷風トキソイドの成分である破傷風トキシンCフラグメント（TTCF）をアンシル化することで安定化することを示しています。実験的なin vivo免疫化データから、アンシル化された材料は、TTCFの免疫原性を損なうことなく、保存、常温での輸送、熱処理さえも可能であることが示されています。さらに、アンシル化のプロセスとタンパク質に対する保護効果についての理解を深めるために、時間分解小角X線散乱法（SAXS）を用いてTTCF-シリカナノ粒子の形成を研究した。その結果、アンシル化は段階的な拡散制限クラスター凝集（DLCA）型の反応であることが明らかになった。初期段階（数十秒）では個々のタンパク質がシリカでコーティングされ、その後、数分後にはタンパク質を含むシリカナノ粒子が凝集してより大きなクラスターになる。私たちの結果は、この技術をワクチン、治療薬、または凍結乾燥に適さない他のバイオ医薬品に利用できることを示唆しています。

Our recently developed ensilication approach can physically stabilize proteins in silica without use of a pre-formed particle matrix. Stabilisation is done by tailor fitting individual proteins with a silica coat using a modified sol-gel process. Biopharmaceuticals, e.g. liquid-formulated vaccines with adjuvants, frequently have poor thermal stability; heating and/or freezing impairs their potency. As a result, there is an increase in the prevalence of vaccine-preventable diseases in low-income countries even when there are means to combat them. One of the root causes lies in the problematic vaccine 'cold chain' distribution. We believe that ensilication can improve vaccine availability by enabling transportation without refrigeration. Here, we show that ensilication stabilizes tetanus toxin C fragment (TTCF), a component of the tetanus toxoid present in the diphtheria, tetanus and pertussis (DTP) vaccine. Experimental in vivo immunization data show that the ensilicated material can be stored, transported at ambient temperatures, and even heat-treated without compromising the immunogenic properties of TTCF. To further our understanding of the ensilication process and its protective effect on proteins, we have also studied the formation of TTCF-silica nanoparticles via time-resolved Small Angle X-ray Scattering (SAXS). Our results reveal ensilication to be a staged diffusion-limited cluster aggregation (DLCA) type reaction. An early stage (tens of seconds) in which individual proteins are coated with silica is followed by a subsequent stage (several minutes) in which the protein-containing silica nanoparticles aggregate into larger clusters. Our results suggest that we could utilize this technology for vaccines, therapeutics or other biopharmaceuticals that are not compatible with lyophilization.