Detailansicht
Exploring biomimetic silaffin-based silica particles as antigen carriers and vaccine adjuvants
Daniela Reichinger
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Chemie)
Betreuer*in
Christian F. W. Becker
DOI
10.25365/thesis.72879
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-28370.98814.358485-1
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Silicananopartikel gelten als ungiftig und erlauben die Manipulation verschiedener Eigenschaften, wie Bioabbaubarkeit, Porosität und Partikelgröße durch die Wahl der Synthesebedingungen. Daher werden Silicananopartikel in der Biotechnologie und Biomedizin zum Beispiel als Drug-Delivery Systeme, oft kombiniert mit der kontrollierbaren Freisetzung des Wirkstoffs, zur Immobilisierung von Enzymen, als Biosensor oder auch für bildgebende Verfahren eingesetzt. Die biomimetische Synthese von Silicananopartikeln beruht auf den skelettbildenden Vorgängen in Schwämmen und Kieselalgen und hat vor allem in den letzten Jahren an Interesse gewonnen, da durch die milden Reaktionsbedingungen, wie einem neutralem pH-Wert und Raumtemperatur in wässrigen Lösungen, auch empfindliche Moleküle wie Proteine und Peptide direkt in das Silicamaterial eingebaut werden können. Dies ist bei der traditionellen Herstellung von Silica Partikeln mittels Sol-Gel-Synthese oder der Mikroemulsionsmethode kaum möglich. In diesem Projekt wurden das silicapräzipitierende R5 Silaffin Peptid aus der Kieselalge C. fusiformis, und Varianten des auf dem R5-Peptid basierenden Tetrapeptidmotifs RRIL um die Aminosäure Cystein ergänzt und über eine Disulfidbrücke mit drei verschiedenen Modellantigenen verknüpft. Dadurch soll eine Impfstoff- und Adjuvantienpattform basierend auf biomimetische hergestellten Silicananoparticeln etabliert werden. Das synthetisch hergestellte Silaffin Peptid R5 ermöglicht die Präzipitation von sphärischen Silicananopartikeln in Phosphat-gepufferten Lösungen unter Zugabe von Orthokieselsäure bei neutralen pH-Wert und Raumtemperatur. Bei der Präzipitation von RRIL Peptidvarianten entstehen dabei längliche, dünne Partikel oder auch kurze, dickere Partikel sowie blattartige Silicastrukturen. Die Unterschiede im Präzipitationsverhalten und in der Partikelmorphologie nach Konjugation der Modellantigene wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und über ein Hochleistungschromatograpie-basiertes Assay zur Bestimmung des inkorporierten Peptidanteils analysiert. Die Immunogenität der Silaffin-Silicapartikel wurde durch ein Assay bestimmt, welches ermittelt, ob und wie stark die Partikel menschliche neutrophile Granulozyten zur Bildung von Neutrophil Extracellular Traps (NETs) anregen können. Darüber hinaus wurden die immunstimulierenden Effekte der silica-präzipitierenden Peptide, Peptid-Antigen Konjugate und der entsprechenden Silicananopartikeln an dendritischen Zellen des Knochenmarks aus Mäusen getestet und anhand der sekretierten Cytokine analysiert. Zudem wurden die biophysikalischen Eigenschaften der Silaffin basierten Silicapartikel untersucht. Die Silaffin Peptide und entsprechenden biomimetischen Silicananopartikel stimulierten die Bildung von NETs und führten zur Sekretion von IL-6 und TNF-α in murinen dendritischen Zellen des Knochenmarks. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potential von Silaffin Peptiden und den biomimetischen Silicapartikeln als Adjuvantienplatform für zukünftige Subunit- und Konjugatimpfstoffe. Nichtsdestotrotz ist eine weitere, detaillierte Analyse der zugrundeliegenden molekularen Mechanismen notwendig, um die immunmodulierenden Eigenschaften der biomimetischen Silaffin Silicapartikel bestmöglich nutzen zu können.
Abstract
(Englisch)
Silica nanoparticles are non-toxic and offer tunable properties such as biodegradability, porosity, morphology, and size, depending on their synthesis conditions. Therefore, they are used in biotechnological and biomedical applications including drug delivery, often in combination with controlled drug release, immobilization of enzymes, biosensing and imaging. The biomimetic synthesis of silica nanoparticles is inspired by the biomineralization processes of not only diatoms, but also sponges and has recently gained increased attention due to its mild synthesis conditions that include neutral pH and ambient temperatures. These conditions allow direct incorporation of sensitive cargo such as proteins and peptides in contrast to traditional synthesis routes such as sol-gel processes and microemulsion syntheses. In this project, the silica precipitating R5 silaffin peptide from the marine diatom C. fusiformis and variations of the R5-based tetrapeptide motif RRIL were equipped with an N-terminal cysteine residue and conjugated to three different peptide antigens to produce a novel vaccine delivery and adjuvant platform based on biomimetic silica particles. The synthetic silaffin R5 peptide is known to efficiently precipitate spherical silica particles in phosphate buffered solutions containing silicic acid at neutral pH and room temperature while precipitation with RRIL peptide variants can also lead to the formation of rod-, stick- and sheet-like silica structures. The change in silica precipitating behavior and silica particle morphology upon conjugation of the model antigens to the silica precipitating peptides was analyzed via scanning electron microscopy and a HPLC-based peptide incorporation assay. Particle properties were determined by energy dispersive X-ray spectroscopy, zeta potential titration, nitrogen physisorption analysis as well as thermogravimetric and differential thermal analysis. To elucidate the immunogenicity of silaffin-derived silica particles, their ability to induce the formation of neutrophil extracellular traps in human neutrophils was analyzed. Furthermore, the immunostimulatory effects of silica precipitating peptides, peptide-antigen conjugates and silica particles made from silica precipitating peptides and respective conjugates on murine bone marrow-derived dendritic cells were elucidated by analyzing the cytokine secretion in response to the peptides and silica particles. In addition, an initial biophysical characterization of the silaffin-derived biomimetic silica particles was provided. Silaffin derived peptides and biomimetic silica particles induced NETosis in human neutrophils and IL-6 as well as TNF-α secretion in murine bone marrow derived dendritic cells. These results show the potential of silaffin-derived peptides and silica particles as a self-adjuvanting platform for future (subunit) vaccines. However, an in-depth analysis of the underlying pathway of activation is needed to elucidate the mechanisms behind the immunomodulatory effects of silaffin-derived biomimetic silica particles.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Adjuvans Biomineralisation Silicapartikel Biomaterial
Schlagwörter
(Englisch)
adjuvant biomineralization silica particles biomaterial
Autor*innen
Daniela Reichinger
Haupttitel (Englisch)
Exploring biomimetic silaffin-based silica particles as antigen carriers and vaccine adjuvants
Paralleltitel (Deutsch)
Biomimetische, Silaffin-basierte Silicapartikel als Antigenträger und Impfstoffverstärker
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
vi, 122 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Freddy Kleitz ,
Armin Geyer
Klassifikation
35 Chemie > 35.70 Biochemie. Allgemeines
AC Nummer
AC16732908
Utheses ID
65327
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |