Dynamic Light Scattering

Dynamic Light Scattering: una tecnologia d’elezione per la caratterizzazione delle componenti liposomiali dei vaccini anti-Covid-19 e non solo

Il 2021 se da un lato verrà ricordato per il secondo anno segnato dalla pandemia provocata dall’infezione da SARS-Cov-2 e le sue varianti, dall’altro è la continuazione di un anno che è stato il propulsore di un avanzamento scientifico e tecnologico senza precedenti. Sotto la spinta di uno stato di necessità e di un altrettanto potente stimolo al progresso medico-terapeutico hanno visto la luce non uno ma più vaccini anti-Covid-19. Tra questi troviamo vaccini per così dire tradizionali, ovvero basati sull’impiego di adenovirus inattivati (Vaxzevria di AstraZeneca) ma anche vaccini pioneristici basati sulla tecnologia dell’mRNA (Spikevax di Moderna e Comirnaty di Pfizer-BioNTech).

Vediamo di fare un po’ di chiarezza in merito.

Cos’è un vaccino a mRNA?

La tecnologia dei vaccini a mRNA è differente rispetto a quella dei vaccini tradizionali (basata sull’utilizzo di virus vivi inattivati o attenuati) non solo per il meccanismo d’azione ma anche per quello di produzione.

Si definisce vaccino ad mRNA, un vaccino in cui l’mRNA è incapsulato in vettori non virali, i liposomi ovvero vescicole di lipidi che veicolano l’mRNA all’interno delle nostre cellule.

Lipo che?

Il nome liposoma deriva dalle due parole greche “lipos”, che significa grasso, e “soma”, che significa corpo.

I liposomi sono vescicole fosfolipidiche ovvero lipidi che presentano una testa polare idrofilica a base di fosfato e una coda apolare idrofobica. Tali vescicole possono essere costituite da uno o più strati e le loro dimensioni possono variare da 0,025 micrometri (µm) fino a 2,5 µm[1]. Oltre ad essere componenti fondamentali dei vaccini ad mRNA, rappresentano anche potenti strumenti di tecnologia farmaceutica per veicolare i farmaci.

Qual è la relazione tra liposomi ed mRNA?

L’mRNA come molecola idrofilica (per via delle cariche negative dei gruppi fosfato del ribosio presente nella propria struttura) non avrebbe alcuna chance di superare la membrana cellulare a causa dell’incompatibilità di cariche elettrostatiche tra il doppio strato fosfolipidico della membrana e la natura opposta del materiale genetico. Pertanto, l’escamotage tecnologico consiste nel ricoprire l’mRNA di una struttura liposomiale che ha la stessa natura idrofobica della membrana cellulare e ne garantirà un agevole passaggio all’interno della cellula senza giochi di repulsione di carica.

 Come agiscono i vaccini a mRNA anti-Covid-19?

I vaccini anti-Covid-19 sfruttano le molecole di acido ribonucleico messaggero (mRNA) per istruire le cellule del nostro organismo su come produrre copie della proteina Spike, che è la chiave con cui il Coronavirus SARS-CoV-2 entra nell’organismo infettandolo. La proteina Spike così prodotta viene riconosciuta come estranea dal sistema immunitario che produrrà anticorpi in grado di bloccare il Coronavirus.

Come anticipato, il meccanismo d’azione di un vaccino a mRNA è diverso da quello di un vaccino tradizionale, ma l’effetto terapeutico prodotto è il medesimo, in entrambi i casi alla somministrazione fa’ seguito l’immunizzazione all’agente virale in questione tramite produzione di anticorpi specifici.

Come sono prodotti e quali controlli sono attuati ai vaccini a mRNA?

La produzione di vaccini ad mRNA ricalca le tipiche fasi di produzione di un prodotto biotecnologico manufatto in ambito GMP secondo i più elevati standard di qualità. Pertanto, durante tutti gli step di produzione di un vaccino è richiesta l’esecuzione di numerosi test di controllo. Nel caso specifico, un’attenzione particolare è rivolta all’analisi della dimensione delle particelle liposomiali, caratteristica critica per assicurare che il sistema di trasferimento (delivery system) sia efficace[2] e che non intercorra alcun tipo di interferenza dovuta a stati di aggregazione che possano portare alla tossicità e/o eventuale modifica dell’efficacia del vaccino.

Caratterizzazione delle componenti liposomiali dei vaccini anti-Covid-19 e non solo…

Un esempio di tecnologia che permette di fornire in modo rapido un analisi dimensionale del campione sia che si tratti di proteine, polimeri, liposomi o altre tipologie di nanoparticelle, disperso e/o solubilizzato in un liquido (come nel caso di vaccini a mRNA) è la Dynamic Light Scattering (DLS)[3]. Tale tecnologia è anche nota come Photon Correlation Spectroscopy (PCS) o Quasi-Elastic Light Scattering (QELS).

In maniera specifica, la misura ottenuta da questa analisi è quella relativa al diametro di una sfera che si diffonde alla stessa velocità della particella misurata[4] (diametro idrodinamico).

Come funziona la tecnica DLS e come eseguire praticamente l’analisi?

Per prima cosa occorre la strumentazione necessaria (per esempio Zetasizer Nano S, Malvern)2 e una volta preparato il campione e caricato lo strumento, un raggio di luce laser monocromatica colpisce il campione. Il detector acquisisce le variazioni d’intensità della luce diffusa dal campione in funzione del tempo. Queste variazioni sono generate dal moto browniano delle particelle (fenomeno alla base della tecnica DLS) dove, a parità di temperatura e viscosità, le particelle più piccole si muovono rapidamente – creando variazioni rapide dell’intensità di scattering – mentre le particelle più grandi si muovono lentamente – creando variazioni d’intensità lente. Dunque, in funzione del risultato ottenuto, il tasso di variazione dell’intensità di scattering è determinato dalle dimensione delle particelle. Infine, un correlatore, converte la velocità delle variazioni d’intensità in una funzione di correlazione e il software elabora la funzione restituendo i diversi parametri tra cui la dimensione delle particelle (diametro idrodinamico)1 2 3.

Questa tecnica ha il vantaggio di non essere distruttiva e consente l’analisi sulla formulazione stessa. In base alla strumentazione usata, la misurazione può essere effettuata in recipienti differenti confermando la rapidità non solo dell’esecuzione ma, anche la comodità della strumentazione. In ragione di tali punti di forza, viene definita tecnica d’elezione per rivelare la presenza di aggregati che come abbiamo detto, non devono essere presenti nel vaccino.

A. Palermo | Consultant

[1] Torchilin, V (2006). “Multifunctional nanocarriers”. Advanced Drug Delivery Reviews. 58 (14): 1532–55

[2] https://www.news-medical.net/amp/life-sciences/Using-Dynamic-light-scattering-(DLS)-for-liposome-size-analysis.aspx

[3] Dynamic light scattering: a practical guide and applications in biomedical sciences, Jorg Stetefeld at all.

[4]https://warwick.ac.uk/fac/cross_fac/sciencecity/programmes/internal/themes/am2/booking/particlesize/intro_to_dls.pdf