Extracellular Vesicle-based Nano/Microparticles for Novel Vaccination Approaches

Pneumococcal infections cause many fatalities worldwide. Growing resistance to antibiotics and incomplete coverage of available vaccines against all serotypes made the search for novel vaccination approaches a global necessity. Extracellular membrane vesicles are secreted nanostructures, which are physiologically secreted from seemingly all living cells and harbor their virulence factors and immunogenic components. In this work, several research objectives were explored: (i) Isolation and characterization of pneumococcal vesicles. (ii) Biocompatibility and uptake with cell lines and primary human cells. (iii) Yield Enhancement of pneumococcal vesicles. (iv) Immunostimulation of immune cells by pneumococcal vesicles. (v) Formulation of spray-dried vaccine microparticles for pulmonary immunization. The isolated vesicles exhibited excellent biocompatibility with several cell lines and primary cells, without cytotoxic effects. Pneumococcal vesicles demonstrated rapid uptake into immune cells and stimulated the release of pro-inflammatory cytokines. We successfully formulated spray-dried vaccine microparticles with enhanced stability and increased cytokine release for pulmonary delivery. Our findings confirm the strong potential of pneumococcal membrane vesicles as vaccine candidates, and provide a sound basis for further translation and scale-up for pulmonary delivery and immunization.Pneumokokken-Infektionen führen weltweit zu zahlreichen Todesfällen. Die zunehmende Resistenz gegen Antibiotika und die unvollständige Abdeckung durch verfügbare Impfstoffe gegen alle Serotypen machen die Suche nach neuen Impfansätzen eine globale Notwendigkeit. Extrazelluläre Membranvesikel sind sezernierte Nanostrukturen, die von ziemlich allen Zellen ausgeschieden werden und ihre Virulenzfaktoren und immunogenen Komponenten beherbergen. In dieser Arbeit wurden mehrere Forschungsziele verfolgt: (i) Isolierung und Charakterisierung von Pneumokokken-Vesikeln. (ii) Biokompatibilität und Aufnahme gegenüber Zelllinien und primären menschlichen Zellen. (iii) Erhöhung der Ausbeute. (iv) Immunstimulation von Immunzellen durch Pneumokokken-Vesikel. (v) Formulierung von sprühgetrockneten Impfstoff-Mikropartikeln für die Immunisierung der Lunge. Die isolierten Vesikel zeigten eine ausgezeichnete Biokompatibilität mit verschiedenen Zelllinien und Primärzellen. Pneumokokken-Vesikel zeigten eine schnelle Aufnahme in Immunzellen und stimulierten die Freisetzung von proinflammatorischen Zytokinen. Sprühgetrocknete Impfstoff-Mikropartikel wurden mit verbesserter Stabilität und erhöhter Zytokinfreisetzung für die pulmonale Verabreichung formuliert. Unsere Ergebnisse bestätigen das große Potenzial von Pneumokokken-Membranvesikeln als Impfstoffkandidaten und bilden eine wichtige Grundlage für die weitere Umsetzung und das Scale-up für die pulmonale Verabreichung und Immunisierung.PhD fellowship (German-Egyptian Research Long-term Scholarship) from the German Academic Exchange Service (DAAD) and Egyptian Ministry of Higher Education. NanoMatFutur grant from the Federal Ministry of Education and Research