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脂质体、纳米佐剂在DNA疫苗抗病毒过程中的作用简介

作者:www.willnano.com 日期:2021-07-10 点击:403
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以HIV病毒的一种DNA疫苗为例,本文将简介脂质体、纳米佐剂等递送辅助系统在DNA疫苗抗病毒过程中的作用。

疫苗(vaccine),是指接种后能够使机体自动产生免疫应答且保护机体不被疾病侵害的一类生物制品。疫苗的出现使得人类在最早抗击传染病威胁、控制传染病的传播方面取得了其所未有的成功。接种疫苗可以有效的控制传染病的传播,是现在最为主要、有效的手段,并且在人类的进程中为抵御传染病的感染威胁作出了重大的贡献。天花是人类第一次运用疫苗消灭的第一种传染病,疫苗经过长时间的研究,迄今为止,应用于临床的疫苗就有数十种,主要由传统疫苗和新型疫苗组成。

传统疫苗包括:灭活疫苗和减毒疫苗;新型疫苗包括亚单位疫苗(含多肽疫苗)、载体疫苗、核酸疫苗和DNA疫苗等。表1是三种不同疫苗比较。


不同类型疫苗比较

表1 不同类型疫苗比较

艾滋病(Acquired Immunodeficiency Syndrome,AIDS),是一种具有极大危害的传染病,由艾滋病病毒(HIV病毒)感染并传播,到目前为止,还没有可以完全治愈的方法,由于艾滋病病毒攻击人类的免疫系统(主要是CD4T细胞),严重的干扰免疫系统的正常功能,导致抵抗力下降容易感染各种疾病。

传统的疫苗不能够保护机体免受HIV感染,所以就需要找到一种对于HIV病毒有效的疫苗。DNA疫苗可以使机体产生长期的体液免疫反应和细胞免疫反应,给机体提供全方位的保护。DNA疫苗的制备原理是将外源基因通过整合到宿主基因上,与宿主细胞同时复制并表达具有免疫原性的蛋白,在一定的拷贝数下持续的表达免疫蛋白,刺激机体的免疫系统产生特异性抗体。考虑到HIV病毒本身的致病机理尚不能完全阐述清楚,想要从传统的疫苗手段获得HIV疫苗显然安全性不能够得到保证,所以,目前HIV疫苗研究的热点聚焦于DNA疫苗。1996年,美国FDA批准了第一支HIV DNA疫苗临床试验,且实验证明DNA疫苗具有良好的安全性。通过几十年HIVDNA疫苗的发展,科学家们研究HIVDNA疫苗的思路大体相同,主要在初次免疫和加强免疫的过程中提高机体的免疫应答。

DNA疫苗的优势有:(1)DNA克隆序列简单且重复性高;(2)结构稳定,制成干粉可以保存较长时间且有利于运输;(3)由于DNA较稳定可将不同组分进行混合后用于免疫,不会降低其免疫原性;(4)DNA的碱基序列不会整合到人类及其被接种对象的染色体上,不会对下一代产生影响。但是,DNA疫苗也有其自身的缺陷,例如:当DNA疫苗进入机体后容易被溶酶体降解,表达不高,只能引起极低的体液和细胞免疫应答,由于DNA分子比较大很难进入细胞内,通常情况下通过肌肉注射的免疫方式提高其浓度。佐剂的出现,很大程度上解决了这一问题,通过合理的免疫程序,可以最大程度的控制艾滋病病毒的感染和蔓延。目前运用到HIV疫苗上的佐剂有阳离子佐剂、脂质体佐剂等,这些佐剂确实可以提高DNA的载药效率,保护DNA疫苗在到达抗原提呈细胞前不被降解,在增强疫苗的免疫原性及修饰免疫反应方面也发挥了作用。但是,脂质体对正常细胞有毒副作用,造成细胞损伤。脂质体的载药能力又差,所以目前能够找到一种高效且安全的载药系统仍然是一件富有挑战的事情。

提高DNA疫苗效率的方法可选:基因枪递送、脂质体包裹、纳米粒递送等。

基因枪递送:用DNA质粒包裹金纳米颗粒,在高压的情况下将免疫原注入细胞中。由于高的压力,这些金粒子能够穿透产生有效的细胞摄取,比单纯用DNA免疫的效率高很多。与单纯注射DNA疫苗相比,极少的量就能够诱导显著的免疫应答。

脂质体是小的脂质囊泡,由相互作用之间的疏水性脂质体尾巴和亲水性脂质体头形成,将DNA有效的封装其内。脂质体可以是阴离子、阳离子或者中性离子,阴离子或中性脂质体的细胞毒性相比阳离子脂质体低,因此更适合于DNA疫苗递送。一些研宄表明,无论是体内还是体外与裸DNA疫苗相比,转染效率都有提升。此外,通过胞外降解与细胞膜相互作用,脂质体可以增加DNA进入树突状细胞转染效率,从而增加DNA疫苗的免疫原性。

生物可降解的聚合物可以用来压缩DNA进入纳米粒子,然后安全有效地将DNA导入细胞(包括细胞粘膜表面),使其编码稳定的抗原。此外,纳米技术的快速进步使得修改纳米粒子变得简单,可以增强细胞内的传递。例如,纳米颗粒用于DNA免疫素生压;HIV特异性体液免疫介导免疫应答,文献报道纳米粒子可将DNA运送肿瘤部位杀死癌细胞并延长胶质母细胞瘤小鼠的生存。因此,在未来的免疫策略中,纳米材料的应用将具有重要的意义。

免疫应答过程:当外源抗原刺激机体时,免疫系统接收到外来入侵信号后就会激活免疫系统。此过程分为三个阶段:(1)由抗原提呈细胞将抗原递送到B细胞和T细胞;(2)完成识别后,刺激免疫细胞的活化与增殖并产生杀伤细胞(如NK细胞)和效应细胞(如抗体)和具有记忆功能的细胞;(3)被激活的免疫细胞清除抗原。经过这三步在生物体内会产生免疫球蛋白,它包含五类:IgA(粘膜免疫产生);IgM(最早产生的免疫球蛋白,但在体内留存时间很短,是一过式免疫球蛋白);IgG(体内含量最多且有效时间最长);此外还有IgE和IgD免疫球蛋白。

纳米材料应用:中国是最早研究纳米科学及技术的国家,通过20年以上投资和实施项目,中国科学家在纳米科学的众多领域都有涉猎,并对新兴基础和纳米技术应用的各个领域都取得了突破进展,纳米材料一般是指材料尺寸在0.1到100nm的原子、分子等。其具有尺寸小、比表面积大、生物相容性好,毒性低等特点在生物医药领域被广泛的应用,例如:可以快速且高效的基因测序、临床的诊断和治疗,纳米制造、纳米催化、纳米仿生、制造耐用的人工组织和器官等。随着纳米材料在医药领域的不断研宄,其特殊的结构和性质在应用中凸显出优势。近年来,纳米材料在疫苗、免疫治疗和调节等方面取得了进展。在之前的工作中,就初步探宄了纳米纤维水凝胶用于HIV DNA疫苗佐剂,图2,左螺旋纳米纤维水凝胶可以增强免疫应答,作者将超分子水凝胶做为佐剂与DNA疫苗一起免疫到小鼠体内,并检测到增强的免疫应答。

水凝胶佐剂增强免疫应答

图2 水凝胶佐剂增强免疫应答

纳米佐剂作用:纳米佐剂(Nanomaterial adjuvant)能够提高机体对获得性免疫应答的水平,刺激固有免疫系统诱导免疫应答,但对宿主细胞是安全的。主要有以下几种类型:壳聚糖、聚乳酸-乙醇酸钠、聚乳酸、聚谷氨酸胺等,这些纳米材料具有良好的生物相容性及生物可降解,而且还能保护抗原不被降解,被广泛用于疫苗载体研宄。纳米颗粒本身对于机体非特异性免疫调节产生很大的影响,它可以非特异性地增强或者减弱免疫反应、参与机体免疫调节和激活补体系统对固有免疫系统产生影响。目前研宄发现,纳米颗粒不仅能影响机体的免疫细胞活性还能够激活补体系统,提高免疫应答,促进DC(树突状细胞)细胞、T细胞等免疫细胞成熟。在特异性免疫应答中,有研究表明,纳米颗粒可以促进DC细胞成熟及提高抗原递呈效率。同时,由于纳米颗粒表面带有电荷也在激活免疫系统中发挥重要的作用,表面电荷可以促进DC细胞对于纳米颗粒的摄取及吸收。随着纳米材料在医药领域的深入研究,纳米颗粒在疫苗佐剂方面受到越来越多的重视,将会成为研究疫苗佐剂的一个重要方向。

在自然界中自组装是普遍存在的,生物体内正常的自组装能够保证机体正常的运行,非正常的组装则会引起疾病。由于自然界中普遍存在蛋白质自组装的现象,近些年来,多肽自组装逐渐成为材料学和医学生物领域的研宄重点。多肽超分子自组装在结构上容易控制和调节,而且具有容易降解且无毒的特点,在生物传感器、生物医药及临床等领域都有广阔的前景。纳米佐剂目前世界上用于制备新冠疫苗的种类就包括脂质纳米粒、脂质体、纳米乳等。

 

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