Development of human papillomavirus oral buccal mucosa microneedle vaccine

Abstract

Human papillomavirus (HPV) infection is a major global cause of cervical and head-and- neck cancers. While the current standard prophylactic approach involves intramuscular (I.M.) vaccination, its requirement for a cold-chain distribution system and skilled healthcare personnel significantly restricts accessibility, especially in resource-limited developing regions. To overcome these limitations, a dissolving microneedle array patch (D-MAP) was designed and developed for HPV vaccine delivery. This innovative approach offers key advantages including cold-chain independence, ease of storage, and potential for self-administration. The oral buccal mucosa was strategically selected as the administration site due to its abundance of antigen-presenting cells (APCs), notably Langerhans cells (LCs), which are crucial for initiating robust immune responses. Through meticulous optimization, a fabrication method for HPV16 virus-like particle (VLPs) within microneedles was successfully established, effectively preserving antigen structural integrity which is pivotal for maintaining immunogenicity. Post-fabrication evaluations confirmed sustained VLP stability and structural integrity for at least six months at ambient temperature. Upon application, HPV16 VLP D-MAP efficiently delivered antigens to the oral buccal mucosa, corresponding draining lymph nodes, and antigen-specific B cells, eliciting robust humoral immune responses which are characterized by germinal center formation, serum-mediated protection, and prolonged immune memory comparable to those achieved in I.M. Gardasil vaccination group. Additionally, this vaccination strategy conferred significant cross-mucosal immunity, providing protection in both buccal and vaginal mucosa, the primary sites of HPV infection. These findings demonstrate the feasibility and efficacy of VLP microneedle-based buccal vaccination, highlighting its potential as an accessible and effective alternative to conventional HPV vaccines.

인체유두종 바이러스(Human papillomavirus, HPV)는 자궁경부암 및 두경부암의 발 병에 직접적으로 연관되어 있어 전 세계적으로 심각한 공중보건 위협 요인으로 인식 되고 있다. 현재 HPV 예방법은 근육주사를 통한 백신 접종으로, 근육주사 백신 제제 는 냉장 보관 및 유통이 필수적이며, 접종 시 의료인력이 필요하다는 점에서 자원이 부족한 개발도상국에 접근성이 제한된다. 이런 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 용해성 마이크로니들 패치(DMAP) 전달법 기반의 HPV 백신을 개발하였다. 본 전달 방법은 냉장 보관이 필요 없으며, 자가 접종 가능성의 장점을 가진다. 접종 부위로는 항원제시세포가 풍부한 구강 점막을 전략적으로 선택하였다. 조건 최적화를 통해 HPV16 바이러스유사입자를 패치 내에 안정적으로 포함시키는 제작 공정을 확립하였 고, 이는 면역원성 유도에 핵심적인 구조적 안정성을 효과적으로 보존하였다. 이렇게 제작한 백신을 마우스모델에 접종하여 면역원성을 평가하였을 때, DMAP에 탑재된 HPV16 VLP가 구강 점막과 림프절 내로 이동되며 항원특이적 B세포에 효과적으로 전달되어 마우스 모델에서 혈청 기반 보호, 종자중심 구조 형성, 장기 면역 기억 유도 를 포함한 강력한 체액성 면역 반응이 유도가 됨을 확인할 수 있었다. 특히, 구강 점 막을 통한 접종 방법은 HPV 주요 감염 부위인 구강 및 질 점막 모두에서 교차 점막 면역을 유도하는 효과를 보였다. 본 연구는 VLP기반 용해성 마이크로니들 백신을 활 용한 구강 점막 백신 접종 전략의 실현 가능성과 유효성을 입증하며 .기존 근육주사 제 HPV 백신의 대안으로서 접근성과 효과를 동시에 갖춘 백신 플랫폼의 가능성을 제시한다.