Em todo o mundo, 20% das crianças não estão totalmente imunizadas, o que leva a 1,5 milhão de mortes infantis a cada ano por doenças preveníveis por vacinação. Cerca de metade dessas crianças subimunizadas recebeu pelo menos uma dose da vacina, mas não completou a série de vacinação, enquanto o restante não recebeu nenhuma vacina.

Para facilitar a administração de todas as vacinas pelas crianças, pesquisadores do MIT estão trabalhando no desenvolvimento de micropartículas que podem liberar sua carga útil semanas ou meses após a injeção. Isso poderia levar a vacinas que podem ser administradas apenas uma vez, com várias doses liberadas em momentos diferentes.

Em um estudo publicado hoje na revista Advanced Materials , os pesquisadores demonstraram que poderiam usar essas partículas para administrar duas doses da vacina contra difteria — uma liberada imediatamente e a segunda duas semanas depois. Os camundongos que receberam a vacina geraram tantos anticorpos quanto os que receberam duas doses separadas com duas semanas de intervalo.

Os pesquisadores agora esperam estender esses intervalos, o que pode tornar as partículas úteis para administrar vacinas infantis que são administradas em várias doses ao longo de alguns meses, como a vacina contra a poliomielite.

“O objetivo de longo prazo deste trabalho é desenvolver vacinas que tornem a imunização mais acessível — especialmente para crianças que vivem em áreas de difícil acesso a unidades de saúde. Isso inclui regiões rurais dos Estados Unidos, bem como partes do mundo em desenvolvimento onde a infraestrutura e as clínicas médicas são limitadas”, afirma Ana Jaklenec, pesquisadora principal do Instituto Koch de Pesquisa Integrativa do Câncer do MIT.

Jaklenec e Robert Langer, professor do Instituto David H. Koch no MIT, são os autores principais do estudo. Linzixuan (Rhoda) Zhang, estudante de pós-graduação do MIT que concluiu recentemente seu doutorado em engenharia química, é a autora principal do artigo.

Nos últimos anos, Jaklenec, Langer e seus colegas têm trabalhado em partículas de administração de vacinas feitas de um polímero chamado PLGA. Em 2018, eles demonstraram que podiam usar  esses tipos de partículas para administrar duas doses da vacina contra a poliomielite, que foram liberadas com cerca de 25 dias de intervalo.

Uma desvantagem do PLGA é que, à medida que as partículas se decompõem lentamente no corpo, o ambiente imediato pode se tornar ácido, o que pode danificar a vacina contida nas partículas.

A equipe do MIT está agora trabalhando em maneiras de superar esse problema em partículas de PLGA e também explorando materiais alternativos que criariam um ambiente menos ácido. No novo estudo, liderado por Zhang, os pesquisadores decidiram se concentrar em outro tipo de polímero, conhecido como polianidrido.

“O objetivo deste trabalho foi avançar no campo explorando novas estratégias para abordar os principais desafios, particularmente aqueles relacionados à sensibilidade ao pH e à degradação do antígeno”, diz Jaklenec.

Os polianidridos, polímeros biodegradáveis que Langer desenvolveu para administração de medicamentos há mais de 40 anos, são altamente hidrofóbicos. Isso significa que, à medida que os polímeros se erodem gradualmente dentro do corpo, os produtos de decomposição dificilmente se dissolvem na água, gerando um ambiente muito menos ácido.

Os polianidridos geralmente consistem em cadeias de dois monômeros diferentes que podem ser montados em um grande número de combinações possíveis. Para este estudo, os pesquisadores criaram uma biblioteca de 23 polímeros, que diferiam entre si com base nas estruturas químicas dos blocos de construção dos monômeros e na proporção dos dois monômeros que compunham o produto final.

Os pesquisadores avaliaram esses polímeros com base em sua capacidade de suportar temperaturas de pelo menos 40 graus Celsius (104 graus Fahrenheit, ou um pouco acima da temperatura corporal) e se eles poderiam permanecer estáveis durante todo o processo necessário para transformá-los em micropartículas.

Para produzir as partículas, os pesquisadores desenvolveram um processo chamado montagem estampada de camadas de polímero, ou SEAL. Primeiro, eles usam moldes de silicone para formar partículas em formato de copo que podem ser preenchidas com o antígeno da vacina. Em seguida, uma tampa feita do mesmo polímero é aplicada e selada com calor. Os polímeros que se mostraram muito frágeis ou que não selaram completamente foram eliminados do pool, restando seis candidatos principais.

Os pesquisadores usaram esses polímeros para projetar partículas que administrariam a vacina contra difteria duas semanas após a injeção e as administraram aos camundongos juntamente com a vacina, que foi liberada imediatamente. Quatro semanas após a injeção inicial, esses camundongos apresentaram níveis de anticorpos comparáveis aos dos camundongos que receberam duas doses com duas semanas de intervalo.

Como parte do estudo, os pesquisadores também desenvolveram um modelo de aprendizado de máquina para ajudá-los a explorar os fatores que determinam o tempo que as partículas levam para se degradar no corpo. Esses fatores incluem o tipo de monômeros presentes no material, a proporção dos monômeros, o peso molecular do polímero e a capacidade de carga, ou seja, a quantidade de vacina que pode ser incorporada à partícula.

Usando esse modelo, os pesquisadores conseguiram avaliar rapidamente quase 500 partículas possíveis e prever seu tempo de liberação. Eles testaram várias dessas partículas em tampões controlados e demonstraram que as previsões do modelo eram precisas.

Em trabalhos futuros, este modelo também poderá ajudar pesquisadores a desenvolver materiais que liberem sua carga útil após intervalos maiores — meses ou até anos. Isso poderia torná-los úteis para a administração de muitas vacinas infantis, que exigem múltiplas doses ao longo de vários anos.

“Se quisermos estender isso para períodos mais longos, digamos, mais de um mês ou até mais, definitivamente temos algumas maneiras de fazer isso, como aumentar o peso molecular ou a hidrofobicidade do polímero. Também podemos potencialmente fazer alguma reticulação. Essas são mudanças adicionais na química do polímero para desacelerar a cinética de liberação ou estender o tempo de retenção da partícula”, diz Zhang.

Os pesquisadores agora esperam explorar o uso dessas partículas de entrega para outros tipos de vacinas. Elas também podem ser úteis para a entrega de outros tipos de medicamentos sensíveis à acidez e que precisam ser administrados em doses múltiplas, afirmam.

“Essa tecnologia tem amplo potencial para vacinas de injeção única, mas também pode ser adaptada para administrar pequenas moléculas ou outros produtos biológicos que exigem durabilidade ou múltiplas doses. Além disso, pode acomodar medicamentos com sensibilidade ao pH”, afirma Jaklenec.

A pesquisa foi financiada, em parte, pelo Koch Institute Support (core) Grant do National Cancer Institute.