Microneedle delivery systems for vaccines and immunotherapy

Abstract

Microneedles (MNs) offer a precise and minimally invasive platform for delivering vaccines and therapeutic agents directly into the skin, leveraging the abundance of tissue-resident immune cells to elicit robust and durable immune responses. Compared to traditional intramuscular or subcutaneous vaccination methods, MN-based vaccines demonstrate superior patient compliance, enhanced antigen stability, and heightened immunogenicity, positioning them as a promising tool in biomedical applications. This review provides a comprehensive overview of the materials and fabrication techniques used in MN preparation, explores their structural classifications, and examines the role of antigens and adjuvants in optimizing vaccine efficacy. Furthermore, the diverse applications of MN delivery systems in preventing infectious diseases, advancing tumor immunotherapy, and addressing other immune-related conditions are discussed.

Keywords

delivery systems / infectious disease prevention / microneedles / transdermal immunization / tumor therapy / vaccines

References

[1] M. K. Hossain, T. Ahmed, P. Bhusal, R. K. Subedi, I. Salahshoori, M. Soltani, M. Hassanzadeganroudsari, Expert Rev. Vaccines 2021, 19, 1153.

[2] E. V. Vassilieva, H. Kalluri, D. Mcallister, M. T. Taherbhai, E. S. Esser, W. P. Pewin, J. A. Pulit-Penaloza, M. R. Prausnitz, R. W. Compans, I. Skountzou, Drug Deliv. Transl Re 2015, 5, 360.

[3] M. Zaric, B. Ibarzo Yus, P. P. Kalcheva, L. S. Klavinskis, Expert Opin. Drug Del. 2016, 14, 1177.

[4] M. R. Prausnitz, Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 2017, 8, 177.

[5] C. Bangert, P. M. Brunner, G. Stingl, Clin. Dermatol. 2011, 29, 360.

[6] L. Engelke, G. Winter, S. Hook, J. Engert, Vaccine 2015, 33, 4663.

[7] F. S. Quan, Y. C. Kim, R. W. Compans, M. R. Prausnitz, S. M. Kang, J. Control. Release 2010, 147, 326.

[8] A. Vander Straeten, M. Sarmadi, J. L. Daristotle, M. Kanelli, L. H. Tostanoski, J. Collins, A. Pardeshi, J. Han, D. Varshney, B. Eshaghi, J. Garcia, T. A. Forster, G. Li, N. Menon, S. L. Pyon, L. Zhang, C. Jacob-Dolan, O. C. Powers, K. Hall, S. K. Alsaiari, M. Wolf, M. W. Tibbitt, R. Farra, D. H. Barouch, R. Langer, A. Jaklenec, Nat. Biotechnol. 2023, 42, 510.

[9] E. Larrañeta, R. E. M. Lutton, A. D. Woolfson, R. F. Donnelly, Mater 2016, 104, 1.

[10] F. Trevisan, F. Calignano, A. Aversa, G. Marchese, M. Lombardi, S. Biamino, D. Ugues, D. Manfredi, J. Appl. Biomater. Func 2017, 16, 57.

[11] F. J. Verbaan, S. M. Bal, D. J. Van Den Berg, J. A. Dijksman, M. Van Hecke, H. Verpoorten, A. Van Den Berg, R. Luttge, J. A. Bouwstra, J. Control. Release 2008, 128, 80.

[12] M. Cormier, B. Johnson, M. Ameri, K. Nyam, L. Libiran, D. D. Zhang, P. Daddona, J. Control. Release 2004, 97, 503.

[13] X. Zhang, G. Chen, L. Sun, F. Ye, X. Shen, Y. Zhao, Chem. Eng. J 2021, 406, 126741.

[14] L. E. González García, M. N. Macgregor, R. M. Visalakshan, N. Ninan, A. A. Cavallaro, A. D. Trinidad, Y. Zhao, A. J. D. Hayball, K. Vasilev, Chem. Commun. 2019, 55, 171.

[15] O. Howells, G. J. Blayney, B. Gualeni, J. C. Birchall, P. F. Eng, H. Ashraf, S. Sharma, O. J. Guy, Eur. J. Pharm. Biopharm. 2022, 171, 19.

[16] P. Khanna, K. Luongo, J. A. Strom, S. Bhansali, Micro Syst. 2010, 16, 973.

[17] S. Bystrova, R. Luttge, Microelectron. Eng. 2011, 88, 1681.

[18] P. M. Wang, M. Cornwell, J. Hill, M. R. Prausnitz, J. Invest. Dermatol. 2006, 126, 1080.

[19] I. Saha, V. K. Rai, Carbohydr. Polym. 2021, 267, 118168.

[20] T. Tomono, Mater. Today Chem. 2019, 13, 79.

[21] S. J. Yang, J. O. Jeong, Y. M. Lim, J. S. Park, Mater. Des. 2021, 201, 109485.

[22] E. Dathathri, S. Lal, M. Mittal, G. Thakur, S. De, Appl. Nanosci. 2020, 10, 371.

[23] R. Xing, C. Yuan, W. Fan, X. Ren, X. Yan, Sci. Adv. 2023, 9, eadd8105.

[24] Y. Shin, J. Kim, J. H. Seok, H. Park, H. R. Cha, S. H. Ko, J. M. Lee, M. S. Park, J. H. Park, Sci. Rep. 2022, 12, 12189.

[25] J. Deng, Z. Wang, Z. Zhou, W. Yu, X. Li, Z. Song, H. Han, L. Zhao, Chem. Eng. J 2023, 474, 145496.

[26] Z. Chen, Z. Guo, T. Hu, B. Huang, Q. Zheng, X. Du, L. Huang, W. Hu, Int. J. Biol. Macromol. 2024, 262, 129961.

[27] C. Yuan, W. Fan, P. Zhou, R. Xing, S. Cao, X. Yan, Nat. Nanotechnol. 2024, 19, 1840.

[28] S. Choo, S. Jin, J. Jung, Pharmaceutics 2022, 14, 766.

[29] M. A. Luzuriaga, D. R. Berry, J. C. Reagan, R. A. Smaldone, J. J. Gassensmith, Lab Chip 2018, 18, 1223.

[30] X. Han, Y. Yang, Y. Xu, X. Hong, Z. Tang, H. Zhang, N. Liu, M. Li, Z. Wang, A. Zheng, J. Drug Deliv. Sci. Technol. 2024, 96, 105709.

[31] J. H. Park, S. O. Choi, S. Seo, Y. B. Choy, M. R. Prausnitz, Eur. J. Pharm. Biopharm. 2010, 76, 282.

[32] V. Ghate, A. Renjith, K. Badnikar, S. Pahal, S. N. Jayadevi, M. M. Nayak, P. K. Vemula, D. N. Subramanyam, Int. J. Pharm. 2023, 632, 122546.

[33] M. Xing, G. Yang, H. Liu, Z. Zhou, S. Zhang, Y. Gao, Int. J. Pharm. 2024, 653, 123883.

[34] S. Kommareddy, B. C. Baudner, A. Bonificio, S. Gallorini, G. Palladino, A. S. Determan, D. M. Dohmeier, K. D. Kroells, J. R. Sternjohn, M. Singh, P. R. Dormitzer, K. J. Hansen, D. T. O’hagan, Vaccine 2013, 31, 3435.

[35] A. J. Paredes, I. K. Ramöller, P. E. Mckenna, M. T. A. Abbate, F. Volpe-Zanutto, L. K. Vora, M. Kilbourne-Brook, C. Jarrahian, K. Moffatt, C. Zhang, I. A. Tekko, R. F. Donnelly, Adv. Drug Del. Rev. 2021, 173, 331.

[36] W. Z. Li, M. R. Huo, J. P. Zhou, Y. Q. Zhou, B. H. Hao, T. Liu, Y. Zhang, Int. J. Pharm. 2010, 389, 122.

[37] B. B. Newell, W. Zhan, Int. J. Heat Mass Transfer 2024, 223, 125291.

[38] G. Li, A. Badkar, S. Nema, C. S. Kolli, A. K. Banga, Int. J. Pharm. 2009, 368, 109.

[39] A. S. Rzhevskiy, T. R. R. Singh, R. F. Donnelly, Y. G. Anissimov, J. Control. Release 2018, 270, 184.

[40] M. J. Garland, K. Migalska, T. M. T. Mahmood, T. R. R. Singh, A. D. Woolfson, R. F. Donnelly, Expert Rev. Med. Devices 2011, 8, 459.

[41] G. Anbazhagan, S. B. Suseela, R. Sankararajan, Microfluid Nanofluid, Microfluid. Nanofluidics 2023, 27, 25.

[42] C. O'mahony, R. Sebastian, F. Tjulkins, D. Whelan, A. Bocchino, Y. Hu, J. O'brien, J. Scully, M. Hegarty, A. Blake, I. Slimi, A. J. P. Clover, A. Lyness, A. M. Kelleher, Int. J. Pharm. 2023, 637, 122888.

[43] W. Zhang, W. Zhang, C. Li, J. Zhang, L. Qin, Y. Lai, Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 2401.

[44] H. Wei, S. Liu, Z. Tong, T. Chen, M. Yang, Y. Guo, H. Sun, Y. Wu, Y. Chu, L. Fan, React. Funct. Polym. 2022, 172, 105200.

[45] P. Zhou, R. Xing, Q. Li, J. Li, C. Yuan, X. Yan, Matter 2023, 6, 1945.

[46] Y. Liu, T. Huang, Z. Qian, W. Chen, Chin. Chem. Lett. 2023, 34, 108103.

[47] A. Mandal, A. V. Boopathy, L. K. W. Lam, K. D. Moynihan, M. E. Welch, N. R. Bennett, M. E. Turvey, N. Thai, J. H. Van, J. C. Love, P. T. Hammond, D. J. Irvine, Sci. Transl. Med. 2018, 10, eaar2227.

[48] M. C. Kim, J. W. Lee, H. J. Choi, Y. N. Lee, H. S. Hwang, J. Lee, C. Kim, J. S. Lee, C. Montemagno, M. R. Prausnitz, S. M. Kang, J. Control. Release 2015, 210, 208.

[49] I. J. Choi, H. R. Cha, S. J. Hwang, S. K. Baek, J. M. Lee, S. O. Choi, Pharmaceutics 2021, 13, 209.

[50] J. W. Lee, J. H. Park, M. R. Prausnitz, Biomaterials 2008, 29, 2113.

[51] A. M. Rodgers, A. J. Courtenay, R. F. Donnelly, Expert Opin. Drug Deliv. 2018, 15, 1039.

[52] J. Yang, X. Liu, Y. Fu, Y. Song, Acta Pharm. Sin. B 2019, 9, 469.

[53] R. Chang, C. Yuan, P. Zhou, R. Xing, X. Yan, Acc. Chem. Res. 2024, 57, 289.

[54] A. V. Boopathy, A. Mandal, D. W. Kulp, S. Menis, N. R. Bennett, H. C. Watkins, W. Wang, J. T. Martin, N. T. Thai, Y. He, W. R. Schief, P. T. Hammond, D. J. Irvine, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2019, 116, 16473.

[55] T. J. Ellison, G. C. Talbott, D. R. Henderson, Vaccine 2020, 38, 6839.

[56] C. L. Chiang, G. Coukos, L. E. Kandalaft, Vaccines 2015, 3, 344.

[57] S. Vijayanand, S. Patil, D. Joshi, I. Menon, K. Braz Gomes, A. Kale, P. Bagwe, S. Yacoub, M. N. Uddin, M. J. D’souza, Vaccines 2022, 10, 1491.

[58] E. V. Vassilieva, S. Li, H. Korniychuk, D. M. Taylor, S. Wang, M. R. Prausnitz, R. W. Compans, Front. Immunol. 2020, 11, 583251.

[59] M. Vogelbruch, B. Nuss, M. Körner, A. Kapp, P. Kiehl, W. Bohm, Allergy 2000, 55, 883.

[60] A. K. Andrianov, D. P. Decollibus, H. A. Gillis, H. H. Kha, A. Marin, M. R. Prausnitz, L. A. Babiuk, H. Townsend, G. Mutwiri, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 106, 18936.

[61] X. Chen, Int. J. Pharm. 2023, 632, 122559.

[62] H. Shirota, D. M. Klinman, Expert Rev. Vaccines 2014, 13, 299.

[63] M. Dupuis, D. M. Mcdonald, G. Ott, Vaccine 1999, 18, 434.

[64] S. Ito, S. Hirobe, T. Kawakita, M. Saito, Y.-S. Quan, F. Kamiyama, K. J. Ishii, M. Nagao, T. Fujisawa, M. Tachibana, N. Okada, Pharmaceutics 2020, 12, 267.

[65] W. C. Weldon, V. G. Zarnitsyn, E. S. Esser, M. T. Taherbhai, D. G. Koutsonanos, E. V. Vassilieva, I. Skountzou, M. R. Prausnitz, R. W. Compans, PLoS One 2012, 7, e41501.

[66] S. G. Reed, M. T. Orr, C. B. Fox, Nat. Med. 2013, 19, 1597.

[67] W. C. Wang, E. E. Sayedahmed, S. Sambhara, S. K. Mittal, Viruses 2022, 14, 1684.

[68] P. C. Soema, R. Kompier, J. P. Amorij, G. F. A. Kersten, Eur. J. Pharm. Biopharm. 2015, 94, 251.

[69] A. Choi, A. García-Sastre, M. Schotsaert, Ann. Allergy Asthma Immunol. 2020, 125, 28.

[70] M. R. Sandbulte, K. B. Westgeest, J. Gao, X. Xu, A. I. Klimov, C. A. Russell, D. F. Burke, D. J. Smith, R. a. M. Fouchier, M. C. Eichelberger, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2011, 108, 20748.

[71] J. A. Stinson, A. V. Boopathy, B. M. Cieslewicz, Y. Zhang, N. W. Hartman, D. P. Miller, M. Dirckx, B. L. Hurst, E. B. Tarbet, J. A. Kluge, K. M. Kosuda, Vaccine 2021, 39, 5410.

[72] W. Zhu, W. Pewin, C. Wang, Y. Luo, G. X. Gonzalez, T. Mohan, M. R. Prausnitz, B.-Z. Wang, J. Control. Release 2017, 261, 1.

[73] D. G. Koutsonanos, M. Del Pilar Martin, V. G. Zarnitsyn, J. Jacob, M. R. Prausnitz, R. W. Compans, I. Skountzou, J. Infect. Dis. 2011, 204, 582.

[74] C. Li, Y. Guo, Z. Fang, H. Zhang, Y. Zhang, K. Chen, Front. Immunol. 2022, 13, 804945.

[75] R. S. Patel, B. Agrawal, Front. Immunol. 2022, 13, 952229.

[76] X. Hao, F. Yuan, X. Yao, Front. Cell. Infect. Microbiol. 2024, 14, 1406091.

[77] M. S. Lee, C. X. Pan, V. E. Nambudiri, Ther. Adv. Vaccin. Immunother 2021, 9, 25151355211039073.

[78] D. Xia, R. Jin, G. Byagathvalli, H. Yu, L. Ye, C. Y. Lu, M. S. Bhamla, C. Yang, M. R. Prausnitz, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2021, 118, e2110817118.

[79] Y. Yin, W. Su, J. Zhang, W. Huang, X. Li, H. Ma, M. Tan, H. Song, G. Cao, S. Yu, D. Yu, J. H. Jeong, X. Zhao, H. Li, G. Nie, H. Wang, ACS Nano 2021, 15, 14347.

[80] C. L. D. Mcmillan, A. Azuar, J. J. Y. Choo, N. Modhiran, A. A. Amarilla, A. Isaacs, K. E. Honeyman, S. T. M. Cheung, B. Liang, M. J. Wurm, P. Pino, J. Kint, G. J. P. Fernando, M. J. Landsberg, A. A. Khromykh, J. Hobson-Peters, D. Watterson, P. R. Young, D. A. Muller, Vaccines 2022, 10, 578.

[81] J. L. Excler, Expert Rev. Vaccines 2006, 5, 167.

[82] A. C. S. De Oliveira, C. M. Abreu, Front. Cell. Infect. Microbiol. 2024, 14, 1434507.

[83] Y. Liu, C. Chen, Adv. Drug Del. Rev. 2016, 103, 76.

[84] A. Pattani, P. F. Mckay, M. J. Garland, R. M. Curran, K. Migalska, C. M. Cassidy, R. K. Malcolm, R. J. Shattock, H. O. Mccarthy, R. F. Donnelly, J. Control. Release 2012, 162, 529.

[85] Y. Ma, W. Tao, S. J. Krebs, W. F. Sutton, N. L. Haigwood, H. S. Gill, Pharm. Res. 2014, 31, 2393.

[86] S. M. Caucheteux, J. P. Mitchell, M. O. Ivory, S. Hirosue, S. Hakobyan, G. Dolton, K. Ladell, K. Miners, D. A. Price, J. Kan-Mitchell, A. K. Sewell, F. Nestle, A. Moris, R. O. Karoo, J. C. Birchall, M. A. Swartz, J. A. Hubbel, F. P. Blanchet, V. Piguet, J. Invest. Dermatol. 2016, 136, 1172.

[87] Z. Hu, P. A. Ott, C. J. Wu, Nat. Rev. Immunol. 2018, 18, 168.

[88] R. Yu, F. Zhao, Z. Xu, G. Zhang, B. Du, Q. Shu, Heliyon 2024, 10, e24404.

[89] K. K. Wong, W. A. Li, D. J. Mooney, G. Dranoff, Adv. Immunol. 2016, 130, 191.

[90] Y. Chen, J. Zhu, J. Ding, W. Zhou, Chin. Chem. Lett. 2024, 35, 108706.

[91] D. Yang, M. Chen, Y. Sun, C. Shi, W. Wang, W. Zhao, T. Wen, T. Liu, J. Fu, C. Lu, C. Wu, G. Quan, X. Pan, J. Control. Release 2023, 357, 641.

[92] Y. Hu, B. Xu, J. Xu, D. Shou, E. Liu, J. Gao, W. Liang, Y. Huang, Polym. Chem. 2015, 6, 373.

[93] Y. Zheng, Z. Li, S. Li, P. Zhao, X. Wang, S. Lu, Y. Shi, H. Chang, Acta Biomater. 2024, 185, 203.

[94] H. Chang, X. Wen, Z. Li, Z. Ling, Y. Zheng, C. Xu, Bioeng. Transl Med. 2023, 8, e10457.

[95] Y. Zhang, Z. Fang, Z. Liu, K. Xi, Y. Zhang, D. Zhao, F. Feng, H. Geng, M. Liu, J. Lou, C. Chen, Y. Zhang, Z. Wu, F. Xu, X. Jiang, S. Ni, Adv. Mater. 2024, 36, e2409857.

[96] K. J. Koh, Y. Liu, S. H. Lim, X. J. Loh, L. Kang, C. Y. Lim, K. K. L. Phua, Sci. Rep. 2018, 8, 11842.

[97] H. T. T. Duong, Y. Yin, T. Thambi, T. L. Nguyen, V. H. Giang Phan, M. S. Lee, J. E. Lee, J. Kim, J. H. Jeong, D. S. Lee, Biomaterials 2018, 185, 13.

[98] J. Zhu, R. Chang, B. Wei, Y. Fu, X. Chen, H. Liu, W. Zhou, Research 2022, 2022, 9816272.

[99] J. L. Paris, L. K. Vora, M. J. Torres, C. Mayorga, R. F. Donnelly, Drug Discov. Today 2023, 28, 103556.

[100] M. Xu, Y. Liu, H. Chen, W. Hu, Y. Li, Y. Zhang, Q. Wang, T. Ma, Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp. 2024, 693, 133987.

[101] P. Xu, W. Xiao, K. Xu, Y. He, X. Miao, Y. Dong, L. Sun, Eur. J. Pharm. Biopharm. 2024, 195, 114148.

RIGHTS & PERMISSIONS

2025 The Author(s). Smart Molecules published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Dalian University of Technology.