A vaccine is a biological preparation against specific disease. Ever since vaccines were first found by E. Jenner, the continuing development of vaccines has dramatically improved the quality of human life and successfully helped eradicate several infectious diseases, such as smallpox and measles. However, most of diseases such as HIV, remain in uncovered by vaccination. Today, the conventional vaccines are varied by the type of antigen, formulation, and delivery tool. In this paper, we focus on the delivery tools to improve the efficacy of vaccines.
Some of the traditional vaccine delivery methods include the intramuscular, subcutaneous and intradermal injection using a hypodermic syringe. However, these methods induce pain, fear, and stress caused by syringes and necessitate trained health care professionals. In addition, the use of invasive needles could cause needle-stick injuries and blood-borne infections resulting from syringe injections. Moreover, the issue of needle reuse in developed countries and lack of trained health care professionals in pandemic seasons show the limitation of conventional delivery tools. To overcome such disadvantages, novel vaccination tools have been progressively developed. For example, research studies dealing with mucosal vaccination targets the mucosal tissues via the ocular, nasal, sublingual, pulmonary and gastrointestinal routes for improving the immunogenicity and protection of vaccines. In other cases, transcutaneous immunization using liquid jet injection, epidermal powder injection and patches were introduced. In this paper, the microneedle patch, one of the methods in transcutaneous vaccination, were used for delivering vaccines or drugs.
The microneedle patch, an array of micrometer-sized needles, does not induce pain resulting from injection of invasive needles, so it markedly improves the patient compliance. Furthermore, it is possible to deliver vaccines into the skin, which is rich in immune cells, and stimulate these cells to improve the immunogenicity. Microneedles are categorized into 4 types-solid, coated, dissolving and hollow microneedles-according to their shapes and applications. Among these variations, coated microneedles were used for vaccine delivery in this research.
The first part of this study related to the surface pretreatment on stainless steel microneedles to improve the surface characteristic and coating uniformity. Numerous chemical substances such as viscosity enhancers, CMC, dextran, PVA, PVP, sodium alginate, surfactant, lutrol F68, and saponin were mixed and dipped/dip-coated for pretreatment. The pretreated microneedles that were dip-coated or dipped in CMC, sodium alginate which has a high viscosity, and PVA which has film-forming characteristics, developed uniform fluorescence films on their surfaces. The differences of formulations between pretreatment methods and surfactants was not clear. Further experiment was needed for comparing the materials, parameters, and pretreatment methods.
The second part of this study is the comparison of the immunization effects against the 2009 swine influenza between microneedle vaccination and intranasal vaccination in a mouse model. Mice were immunized with 1μg vaccine-coated microneedles or 1μg vaccine by the intranasal route. As a result, antigen-specific antibodies in sera immunized by microneedles were detected, but no detection was visible in the sera of the intranasal group. Furthermore, mice that were immunized by intranasal vaccination all died against lethal virus challenge. In order to check the dose-sparing effect of microneedles, 1, 10, 20 and 40 μg of vaccine were administered into the nostrils of mice. Consequently, 20 μg-intranasal vaccinated mice showed a similar antibody response as the microneedle-vaccinated mice. This group also displayed 100% survival against lethal challenge. Taken together, microneedle vaccination is superior to intranasal vaccination on the basis of immunogenicity and protection, and demonstrated 20-fold dose sparing effect than intranasal vaccination.
In conclusion, stainless steel microneedle which was treated are able to see that a large amount of coating material are evenly distributed as compared to conventional microneedles in the first study. In the second study, microneedle vaccination showed the immunopotentiating effect of about 20 times than intranasal vaccination against swine-originated influenza
E. 제너로부터 시작된 백신은 눈부신 발전을 이루며, 대부분의 국가부터 감염성 질환의 공포에서 벗어나게끔 도와주었다. 현재 백신은 항원, 포뮬레이션, 전달 도구 등으로 구성되는데, 이 논문에서는 백신의 전달 도구에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다.
기존의 백신 전달 도구의 경우, 근육, 피하, 피내주사에 사용되는 피하 주사기를 통한 백신 전달이 대부분이다. 이 경우, 주사기로 인한 통증, 공포, 스트레스가 큰 단점으로 작용된다. 또한 안전하지 못한 사용으로 인한 상처, 혈액 감염으로 인한 HIV 등 2차 감염이 주요 이슈로 부각되었다. 또한 개발 도상국에서의 주사기 재사용 문제, 대유행성 질환 발생시 의료 전문인 부족으로 인한 대량 백신 접종의 한계 등 다양한 분야에서 기존의 백신 전달 도구는 한계를 보이고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 새로운 백신 전달 도구들이 연구되고 있다. 점막 백신 접종으로는 안구, 비강 후사, 혀 밑, 폐 내 등 신체의 점막 경로를 통해 백신의 면역원성을 높이려는 연구가 진행되고 있다. 피부를 통한 백신 접종으로는 액체-젯 투사, 파우더 투사, 패치 등이 연구되고 있다. 우리는 이 중 피부를 통한 백신 접종 방법 중 하나인 마이크로니들에 백신을 전달하고자 하는 연구를 진행하고 있다.
마이크로니들은 마이크로 미터 크기의 바늘로, 약물 전달 시 통증이 없어 환자의 수용력을 대폭 증가시킬 수 있다. 특히 피내 마이크로니들을 이용한 백신 전달의 경우, 피부 내 면역 세포를 자극해 면역원성을 증가시킬 수 있다는 점으로 인해 각광받고 있다. 마이크로니들는 모양이나 사용 방법에 따라 크게 4가지로 분류될 수 있다; Solid, coated, dissolving과 hollow 마이크로니들. 우리는 이 중 coated 마이크로니들을 이용해 백신 전달 연구를 진행하고자 한다.
첫 번째 연구에서는 스테인레스 스틸 마이크로니들의 표면을 특정 물질로 전처리 도포를 한 후, 본래의 코팅 용액으로 도포해, 표면의 균일성 향상을 꾀하는 연구를 진행하였다. CMC, dextran, PVA, PVP, sodium alginate에 계면 활성제인 lutrol과 saponin을 첨가해 전처리를 진행하였는데, 이 중 점도가 높은CMC, PVA, sodium alginate를 이용해 전처리한 마이크로니들의 경우, 코팅 용액이 균일하게 도포되는 것을 확인할 수 있었다. 도포 방법이나 계면활성제 간 차이는 뚜렸하지 않았다. 이러한 실험에서 더 나아가, 더 많은 비교 물질, 변수, 전처리 방법에 대해 조사되어야 한다.
두 번째 연구에서는 현재 상용화된 비강후사형 백신과 마이크로니들 간의 2009년 신종 플루에 대한 면역원성 및 방어 능력 차이를 보고자 마우스 모델에서 실험을 진행하였다. 약 1 μg의 백신을 마우스에 각각 전달방법을 통해 면역시킨 결과, 마이크로니들로 접종한 마우스 군에서는 항체가 검출되었고, 공격 접종 시 모든 마우스가 생존한 결과를 보였지만, 비강후사형의 경우 항체가 검출되지 않았으며, 공격 접종 시 모든 마우스가 폐사하는 결과를 낳았다. 이어서 마이크로니들의 백신 용량 절감 효과를 확인하기 위해, 1~40μg의 백신을 비강후사로 투여하였다. 이 결과 20μg을 접종받은 마우스에서 마이크로니들과 비슷한 정도의 항체가 검출되었으며, 이 군 모두 공격접종 시 생존하였다. 이를 통해 마이크로니들은 비강 후사형 백신에 비해 면역원성, 방어 능력 모두 우수하며, 약 20배의 백신 용량 절감 효과가 있다는 것을 확인했다.
