Development of Dermatophagoides farinae-loaded microneedle patches for allergen specific immunotherapy in allergic diseases

Abstract

Allergen specific immunotherapy (ASIT) which induces allergen-specific tolerance is an effective treatment modality in atopic patients. However, frequent visits over a 3-yr period results in low patient compliance. To overcome this limitation, sublingual immunotherapy (SLIT) has been developed, however, the effects on atopic dermatitis (AD) are controversial. Therefore, a more convenient and effective allergen delivery is necessary. Microneedle patch is an efficient transdermal drug delivery method across the skin which consists of hundreds of micrometer sized needles. When it applied to the skin, it creates micron sized pores and deliver drug into the skin. The aim of this study is to develop allergen-loaded microneedle patches and confirm the stability and allergenicity of the allergen which is loaded into the microneedles. Also, ASIT with these allergen-loaded microneedle patches was performed in the AD mouse model. Dermatophagoides farinae (D. farinae) extract was loaded in hyaluronic acid (HA) based microneedle patches and the stability was validated. There was no decrease of allergenicity after loading the D. farinae into the HA microneedle patches. D. farinae-loaded HA microneedle patches were applied to female BALB/c mice. The 4-wk application of D. farinae-loaded HA microneedle patches did not show any adverse effects. In addition, the 4-wk application of 10 μg of D. farinae-loaded microneedle patches increased the serum total IgE and D. farinae-specific IgE levels. In the NC/Nga AD mouse model, there was a decrease of TH2 cytokines such as IL-4, IL-13 and an increase of Foxp3 and IL-10 in the microneedle patch immunotherapy (MNIT) group compared to the AD group. In addition, MNIT was effective as conventional subcutaneous immunotherapy (SCIT). From these results, we confirmed D. farinae-loaded HA microneedle patches successfully deliver allergen into the skin and elicit immune responses. In human, allergen-loaded microneedle patches might be useful in ASIT for allergic diseases.

알러젠 특이 면역치료란 알레르기 비염, 천식, 아토피피부염과 같은 IgE 매개 질환에서 매우 효과적인 치료법으로 감작된 알러젠의 반복적인 투여를 통해 알러젠 특이 peripheral tolerance를 유도하여 알레르기 반응을 완화시키는 치료 방법이다. 그러나, 3년 이상의 장기간 동안 피하주사를 통해 알러젠을 반복적으로 투여해야 하기 때문에 환자의 순응도가 낮은 단점이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 설하 (sublingual) 면역 치료법이 고안되었지만 피하 주사법에 비하여 효과가 떨어진다는 단점이 있다. 따라서, 더 편리하고 효과적인 알러젠 전달법이 필요하다. 마이크로니들 패치는 수백 마이크로미터 길이의 바늘에 약물을 탑재하여 패치 형태로 만든 것으로 피부에 마이크로 단위의 구멍을 만들어 약물을 전달한다. 기존의 피하주사 방식에 비해 고통이 없고 출혈이나 바늘에 의한 사고 위험이 없으며, 환자 스스로도 사용 가능하다는 장점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 아토피피부염을 유발하는 집먼지 진드기인 Dermatophagoides farinae (D. farinae) 알러젠을 탑재한 마이크로니들 패치를 개발하였고, 이를 아토피피부염 마우스 모델에 적용하여 면역 치료 효과를 확인하고자 하였다. 먼저, D. farinae 추출물을 탑재한 히알루론 산 기반의 마이크로니들 패치를 제작하여 이의 안정성 및 항원성을 실험을 통해 확인하였다. 암컷 BALB/c 마우스에 D. farinae 탑재 마이크로니들 패치를 일주일에 2번씩, 4주간 부착하였고 실험 기간 동안 부작용은 관찰되지 않았다. 또한, 10 μg의 D. farinae 탑재 마이크로니들 패치를 부착한 마우스에서 혈청의 total IgE 및 D. farinae 특이 IgE 수치가 증가함을 통해 알러젠 전달에 의한 면역 반응을 확인하였다. 마지막으로, NC/Nga 아토피피부염 마우스 모델 실험에서 마이크로니들로 면역치료를 시행한 군에서 IL-4, IL-13과 같은 TH2 연관 사이토카인의 감소와 Foxp3와 IL-10의 증가를 림프절과 피부 조직에서 관찰하였으며, 기존의 피하 면역치료와 유사한 수준의 면역치료 효과를 확인하였다. 이러한 결과를 통해 마이크로니들 패치를 통한 알러젠 전달이 기존의 방식을 대체할 편리하고 효과적인 알러젠을 전달 방법임을 검증하였고, 향후 여러 알레르기 질환의 알러젠 특이 면역치료에 적용 가능성을 제시하고자 한다.