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浅谈纳米疫苗、纳米佐剂

作者:www.willnano.com 日期:2021-07-05 点击:470
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近些年来,纳米技术与材料学、免疫学和生物医学等学科的广泛交叉,促进了纳米疫苗、纳米佐剂和纳米递送系统的快速发展。纳米技术有着诸多优势,使原先传统的研究方式发生了重大改变,为以前未能解决的问题提供了新的思路,尤其是在生物领域,纳米技术的应用取得了许多突破性的成果。

纳米颗粒注射后会很快被包裹在可溶性因子中,包括补体和免疫球蛋白,这表明纳米颗粒能够迅速被局部天然免疫细胞如中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞识别和吸收,病原体识别受体(pathogen recognition receptor , PRR)包括位于抗原提呈细胞(antigen presenting cell, APC)表面、内体或细胞质中的Toll 样受体(Toll-like Receptor, TLR),可以增强这种吸收。纳米颗粒向淋巴结(LN)转运的动力学很大程度上取决于纳米颗粒的大小,较小的颗粒能够自由地转向 LN,而较大的颗粒需要 APC 的细胞传输,除了增强 LN 的引流,纳米颗粒在 LN 中的滞留时间也比可溶性抗原长,从而有更大的机会与免疫细胞相互作用。

疫苗佐剂作用机制图-png.jpg

The activation of immune cells by antigen-loaded nanoparticles

纳米疫苗:从牛痘脓液的粗提取物到精确设计的纳米颗粒,疫苗的概念在过去 200 年里发生了巨大的变化。最早被广泛使用的是用加热或化学处理杀死的整个生物体,或者是可以交叉保护的活的减毒菌株,这些疫苗虽然具有强大的免疫原性但它们可能具有高度的反应原性,有可能单独引发某些疾病。随后,由蛋白质、多糖或其他病原体组成的亚疫苗被开发出来,这些疫苗虽然具有良好的安全性,但往往免疫原性较差,需要与佐剂和增强剂联合使用。 现代以纳米颗粒为基础的疫苗开发工作,结合了信息学、材料科学、遗传学和分子生物学,纳米颗粒材料的组成极为多样化,类病毒颗粒 (Virus-like particle vaccines , VLP)利用病毒抗原的自组装特性,形成缺乏遗传物质的非感染性颗粒,VLPs 本身可以是抗原,也可以作为支架用于传递异种抗原,虽然到目前为止,生物纳米颗粒已经主导了纳米疫苗的临床试验,但无机和化学合成的纳米颗粒,包括金属和合成聚合物正在进行临床前研究。

20 世纪 80 年代末上市的第一批病毒样颗粒疫苗是 Recombivax-HB 和Engerix-B,它们都是由乙型肝炎病毒(hepatitis B virus, HBV)表面抗原(HBsAg)重组表达形成的自组装颗粒。HBsAg-VLP 方法的成功明显推动了纳米疫苗的研发,广泛使用的用于预防人乳头瘤病毒(Human papilloma virus, HPV)疫苗也是 VLP 疫苗。截至 2017 年,71 个国家将此疫苗纳入其国家免疫计划,疫苗中包含的 HPV 株预防感染的有效率接近 100%,安全性记录良好。 

除 VLPs 外,纳米疫苗还可以由病毒体和自组装重组蛋白组成。与 VLPs 一样,病毒体具有类似病毒的微粒结构,但无法复制,与 VLPs 不同的是病毒体是在体外组装的,而不是由基因工程宿主细胞组装的。目前只有含有流感病毒包膜中的血凝素和神经氨酸酶蛋白的病毒体才被批准用于人类疫苗,该方法已经用于如流感疫苗和甲型肝炎疫苗的使用,此外自组装蛋白也可用作抗原支架 控制负载抗原是纳米粒子疫苗的一个关键优势,因为它可以优化提供集中和持续的抗原剂量。抗原可以通过多种方式附着在纳米颗粒上,包括共表达、化学结合、共价、吸附或包封,纳米颗粒疫苗也可通过添加靶向部分(如抗体)或直接掺入分子佐剂来进一步功能化。例如,将 TLR7/8 激动剂 R848或 TLR9 激动剂 CpG 寡脱氧核苷酸(CpG-ODN)添加到聚乳酸-乙酸(PLGA)为基础的疟疾抗原 Pfs25 的合成纳米粒子中,此纳米疫苗在非人类灵长类动物模型中表现出增强免疫细胞活化和细胞因子生成的作用[22],在人体中,CpG-ODN被添加到包含黑色素瘤特异性肽的 VLP 中,增强了效应 CD8+ T 细胞和记忆 CD8+ T 细胞的功能。

纳米药物抗肿瘤应用 CAR-T 等免疫疗法已经成功使一部分患者的病症得到长期缓解,证明了免疫治疗在癌症中的潜力,但癌症免疫治疗的一个挑战就是能够在正确的时间和正确的地点安全的作用,现有大多数癌症药物采用系统给药的方式来确保能够作用于病灶部位,在有效的同时也增加了毒副作用,一种潜在的解决方案就是打破传统的药物开发模式和药物递送体系,将药物作用集中于肿瘤或肿瘤淋巴结等靶组织。基于纳米医学的方法将制剂药物进行纳米化包装,可以提高许多免疫疗法的治疗效果和安全性,促进药物在肿瘤中的积聚、增强免疫器官和免疫细胞的吸收以及改变单细胞水平上的信号传递。此外,纳米材料也在免疫治疗中提供了新的作用机制,包括向免疫细胞暴露配体的能力、调节细胞内不渗透化合物的传递以及控制药物释放和/或激活的时间。 

促进抗肿瘤免疫反应的肿瘤细胞死亡事件被称为免疫原性细胞死亡(immunogenic cell death,ICD),纳米制剂可以通过促进药物更有效地传递到肿瘤细胞促进 ICD 增强抗肿瘤免疫。例如,临床批准的蒽环类化疗药物多柔比星,脂质体聚乙二醇化制剂多柔比星与检查点抑制剂协同作用,用于结肠腺癌和纤维肉瘤小鼠模型的治疗,与游离多柔比星治疗相比,具有更强的抗肿瘤活性。多柔比星能够诱导肿瘤内 CD8+ T 细胞浸润增加,调节性 T 细胞(Treg 细胞)比例降低,髓细胞(包括树突状细胞)CD80 表达增加。纳米材料也被用于联合治疗,无论是将多种药物共包埋在同一颗粒中以保证协同传递到靶细胞,还是与药物协同作用以产生更佳效用,纳米颗粒还被设计成既能与外部能源相互作用,又能携带免疫刺激药物。

许多关键的免疫调节都有受体参与,特别是发生在细胞-细胞连接处 T 细胞和自然杀伤细胞的共刺激信号。纳米药物具有模拟接触界面的潜力,例如结合到脂质体表面的 anti-CD137 抗体激活 CD8+ T 细胞的能力约是同等浓度可溶性 anti-CD137 抗体的 10 倍;纳米颗粒也可以呈现多种配体,既可以与目标免疫细胞上的多种受体协同作用,也可以与多种细胞类型同时作用,anti-PD1 和 anti-OX40抗体的纳米颗粒在治疗小鼠黑色素瘤和乳腺肿瘤时,与使用相同药物作为简单药物混合物进行治疗相比,显著增强 T 细胞活化和治疗效果。 

纳米材料在医学上的主要应用之一是促进细胞内药物的释放。亲水性和带电荷的化合物,如核酸,通常通过细胞内吞作用被细胞内化,但随后仍被困在内溶体途径中。纳米材料作为天然病毒的替代物已被广泛研究,以促进核酸和其他药物进入细胞溶胶。有报道称,聚合物囊泡(polymersomes)包裹了环二核苷酸激动剂 STING,以传递到细胞质。一旦被细胞内化,这些多聚体会因内体酸化而破坏内体膜,将刺激剂释放到细胞质中,纳米环状二核苷酸的表观效价提高了 100倍以上,并且在肿瘤内给药后的黑色素瘤模型中显示出显著的抗肿瘤效果。纳米颗粒也可以携带高浓度信号分子如 TLR 激动剂,这些免疫刺激剂被髓细胞和抗原提呈细胞吸收,比游离的 TLR 配体更有效,从而导致免疫刺激增强。 

无论是在肿瘤(或肿瘤引流淋巴结)中免疫刺激存在和活跃的持续时间,还是在联合治疗中传递线索的顺序,时间安排都很重要。纳米颗粒长期以来被用于向组织或循环中提供药物的缓释,并在免疫治疗中发挥类似作用。此外,纳米药物制剂可以被设计成与外部能源(如光或热)相互作用,以便精确控制药物释放的时间。例如近红外光激活的纳米颗粒与含有 TLR9 激动剂 CpG 复合,将纳米颗粒注射到患有乳腺肿瘤的小鼠体内,可观察到纳米颗粒在肿瘤内堆积,随后,肿瘤在近红外光照射下释放出活性的 CpG-ODN,并在没有全身副作用的情况下触发肿瘤微环境(Tumor microenvironment, TME)局部炎症,增加肿瘤内免疫细胞浸润,提高小鼠的存活率

纳米佐剂:佐剂是预先或与抗原同时注入体内用来增强机体对抗原的免疫应答或是改免疫应答类型的非特异性免疫增强性物质。佐剂作用的主要机制包括三个方面:(1)抗原混合佐剂后抗原的物理状态改变,能够帮助抗原释放,延缓抗原的讲解和清除,从而延长抗原在体内的滞留时间;(2)刺激单核/巨噬细胞等抗原提呈系统,增强其对抗原的加工和提呈作用;(3)直接或间接刺激淋巴细胞增殖分化,增强和放大免疫应答。 传统的免疫佐剂包括铝盐佐剂和油乳佐剂,作为最初的佐剂,铝盐佐剂不耐低温也难以长时间保存,而且在与高纯度的小分子蛋白抗原共同使用时抗体应答会减弱,此外铝金属元素在人体内逐渐累积到一定水平,会对神经系统产生不可逆转的不良影响,因此铝盐佐剂正在被新型佐剂逐步取代。油乳佐剂最开始是矿物油代表的弗氏佐剂,因为矿物油佐剂粘稠且性质不稳定,毒副作用大,后来逐渐被角鲨烯代替。佐剂的另一类代表是多糖佐剂,菊粉、壳聚糖、葡聚糖都被证明能够作为免疫佐剂,且毒副作用极小,不会引起任何的不良反应。随着科学研究对佐剂的认识不断提升,以 CpG-ODN 为代表的新型佐剂和纳米佐剂的研究逐渐增多,并陆续进入临床实验。 含有免疫刺激性 CpG 基序的人工合成寡脱氧核苷酸(ODN)触发能够免疫调节级联反应,涉及 B 细胞和 T 细胞、自然杀伤细胞(NK 细胞)和专业抗原呈递细胞。CpG ODN 的应答使宿主的免疫环境偏向于 T 辅助因子 1(TH1)的细胞应答和促炎性细胞因子的产生,这种效应是作为免疫保护剂、疫苗佐剂和抗过敏原使用的基础。 

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