纳米疫苗技术发展的现状与展望

2022-02-07 10:06

纳米疫苗技术在实验研究中已显示出令人鼓舞的结果，纳米材料、免疫学、病毒学、肿瘤学和制药行业的进一步努力将共同促进纳米疫苗技术的临床转化和应用，最终使更多的传染病和肿瘤患者受益。

来源 | 小药说药

回顾人类的发展历史，疫苗是一个前所未有的医学里程碑，它通过利用人类免疫系统拯救了无数生命。在2019年COVID-19大流行期间，疫苗接种仍然是最有效的防御方式。脂质纳米颗粒COVID-19 mRNA疫苗的成功，为纳米技术在疫苗开发中的应用提供了广阔前景。

与传统疫苗相比，纳米疫苗在淋巴结积聚、抗原组装和抗原提呈方面具有优势；由于多种免疫因子的有序组合，它们还具有独特的病原体仿生特性。除了传染病之外，纳米疫苗技术还显示出治疗癌症的巨大潜力。癌症疫苗的最终目标是充分调动免疫系统的效力，以识别肿瘤抗原并消除肿瘤细胞，而纳米技术具有实现这一目标所必需的特性。作为具有可定制成分和有序整合的癌症免疫治疗候选者之一，纳米疫苗技术将可能成为实现更有效激活抗肿瘤免疫的策略和平台。

基于纳米材料的疫苗类型

近年来，人们探索了用于疫苗研发的各种纳米材料，包括脂质纳米颗粒、蛋白质纳米颗粒、聚合物纳米颗粒、无机纳米载体和仿生纳米颗粒。不同类型的纳米载体在体内具有不同的物理化学特征和行为，从而影响疫苗接种。

自组装蛋白质纳米颗粒

天然纳米材料具有良好的生物相容性和生物降解性。由天然来源蛋白质制成的几种类型的蛋白质纳米颗粒已被用于递送抗原。自组装蛋白质纳米颗粒是纳米疫苗很有希望的候选材料。自组装蛋白质纳米颗粒的典型例子包括铁蛋白家族蛋白质、丙酮酸脱氢酶（ E2 ）和病毒样颗粒（ VLP ），它们在纳米疫苗的开发中显示出巨大的潜力。

VLP是由病毒蛋白组成的自组装复合物，被认为是安全高效的抗原递送平台。VLP具有良好的免疫学特性，因为它们是自佐剂，并且可以根据病毒大小和重复的表面几何形状进行免疫学识别。基于VLPs的疫苗已成功上市，例如针对人乳头瘤病毒（ HPV ）的Cervarix®和Gardasil®和抗肝炎病毒Sci-B-Vac™。

聚合物纳米颗粒

聚合物纳米颗粒是具有宽尺寸范围（ 10–1000nm ）的胶体系统。聚合物纳米颗粒具有高免疫原性和稳定性，可有效包裹和展示抗原。聚合物纳米颗粒可通过吞噬或内吞作用提高APC摄取抗原的效率。

对于纳米疫苗的开发，天然聚合物纳米材料（如壳聚糖和葡聚糖）和合成聚合物纳米材料（如PLA和PLGA ）都是有用的工具。天然来源的聚合物纳米颗粒具有高度的生物相容性、水溶性和较低的成本。与天然聚合物相比，合成聚合物纳米颗粒通常具有更高的再现性，并且分子量组成和降解速率更可控。

脂质纳米颗粒

脂质纳米颗粒（LNP）是由两亲性磷脂分子通过自组装形成的纳米级脂质囊泡。LNP具有低毒性、高生物相容性和控释性能，是一种很有前途的核酸递送纳米载体。

LNP也是mRNA药物和疫苗的重要成分。LNP具有可控的大小、形状和电荷，这是可能影响免疫激活效果的重要性质。修饰LNPs可获得最佳免疫反应。作为纳米疫苗，LNP可以实现多种抗原和佐剂的联合传递。此外，LNPs的膜表面可以展示抗原，增强了天然构象的表达。

LNP在许多临床前和临床应用中显示出巨大的纳米疫苗开发潜力。除了COVID-19 mRNA疫苗外，还有许多其他LNP–mRNA疫苗正在进行临床试验，用于预防和治疗主要的人类健康威胁，包括病毒感染、癌症和遗传疾病。

无机纳米材料

纳米医学中常用的无机材料包括金属和氧化物、非金属氧化物和无机盐。无机材料具有较低的生物降解性，且结构稳定。许多无机纳米制剂具有固有的佐剂活性。然而，对于纳米疫苗的应用，需要对无机纳米材料的物理化学性质进行修饰以提高其生物相容性。用于抗原递送的最广泛使用的无机材料包括金、铁和二氧化硅纳米颗粒。

仿生纳米材料

仿生纳米材料具有多功能性，可以实现有效的靶向传递或与生物系统的有效相互作用。生物激发的纳米颗粒具有高生物相容性和独特的抗原性，可用于开发有效的疫苗制剂。

一种简单的仿生设计使用天然配体或肽，如RGD和CDX肽，来修饰纳米颗粒并增强结合，以提高靶向性，从而实现高效递送。此外，分子印迹聚合物也可用于模拟抗体以开发仿生纳米颗粒。

在对抗感染和癌症的纳米疫苗设计中，还出现了其他几种仿生策略。病毒体是一种脂质体单倍体纳米载体（ 60–200nm ），利用了脂质体概念，但其结构类似于去除核衣壳的包膜病毒。病毒体是一种新兴的仿生纳米颗粒，用于开发抗病毒感染的纳米疫苗。外膜囊泡（ OMV ）是细菌衍生的纳米囊泡，携带各种类似于细菌外膜的蛋白质。OMV因其多抗原特性而成为天然抗菌疫苗。

提高纳米疫苗免疫应答的策略

纳米材料的灵活设计赋予纳米疫苗更好的特异性免疫反应，这主要得益于纳米药物独特的药物/抗原传递特性和纳米免疫调节。

向关键细胞和组织定向输送抗原

纳米技术应用最有希望的领域之一是药物输送。至于疫苗接种，将抗原运送到免疫系统的正确位置也非常重要。与其他类型的精确细胞类型的药物递送不同，抗原疫苗递送过程涉及多种细胞类型的时空相互作用，包括抗原呈递细胞（ APC ）、B细胞、各种T细胞、巨噬细胞和中性粒细胞。此外，上述相互作用往往发生在特定的组织或位置，使抗原传递更加复杂。因此，一些有前途的策略已被用于设计纳米疫苗，如跨越生物屏障、淋巴结（ LN ）转运、抗原的控制释放、APC靶向、交叉呈递等。

例如，20–200nm纳米颗粒更容易被一种常见的APC，树突状细胞（ DC ）内化。通过修饰基于亲和性的靶向DC亚群的特定配体，如C型凝集素受体，可以实现向DC的靶向纳米颗粒输送。此外，还发现多价抗原结构可以增强另一种APCs，B细胞的抗原识别和激活。

纳米疫苗的多价效应

有证据表明，多价效应在自组装多肽纳米颗粒、多抗原结合纳米颗粒和其他多价组合中可以引发更强的体液和细胞免疫反应。令人鼓舞的是，纳米技术在操纵抗原密度和方向方面具有绝对优势，为研究多价效应的潜在机制及其优化策略提供了良好的平台。

例如，研究发现含有多价HIV三聚体的脂质体可增加针对目标抗原蛋白质区域的抗体反应强度。进一步的研究表明，抗体反应可以通过编程特定的表位来形成；疫苗的特异性可以通过掩埋不需要的表位和暴露需要的表位来提高，从而减少对HIV三聚体的免疫显性非中和区域的反应。

携带核酸在体内表达抗原

COVID-19疫苗的成功应用证明了mRNA疫苗的无限潜力，基于核酸的疫苗的效力主要取决于DNA或RNA分子的传递，DNA或RNA分子可上调目标编码抗原的表达，并在目标免疫细胞中引发特异性、强烈的免疫反应。

DNA疫苗简单、稳定，并且批量生产成本低廉。然而，低效率的质粒DNA（ pDNA ）体内传递损害了其有效性并限制了进一步的临床前应用。相比之下，mRNA疫苗具有更显著的有点，具有更好的抗原表达和更快的清除率，其中，纳米技术起着重要作用。阳离子脂质是最常用的纳米材料，其有助于保护mRNA免受降解和免疫识别。

原位触发肿瘤抗原释放

除了通过疫苗接种引入抗原，还可以触发体内肿瘤抗原的释放。其中一种机制是触发免疫原性细胞死亡（ ICD ），导致肿瘤相关抗原（ TAA ）、损伤相关分子模式（ DAMP ）和促炎因子的释放，从而引发适应性抗肿瘤免疫。

通过利用纳米药物优越的输送能力，ICD诱导剂的作用可以与其他免疫治疗剂协同放大，如免疫检查点抑制剂、吲哚胺2,3-双加氧酶1（ IDO-1 ）抑制剂和干扰素基因刺激蛋白（ STING ）激动剂，以对抗免疫抑制。因此，ICD诱导剂和免疫治疗剂的共递送是纳米疫苗治疗实体肿瘤的一种有前途的设计策略。

免疫佐剂和其他免疫激发策略

免疫佐剂是疫苗不可或缺的组成部分，在增强免疫系统对抗原的反应方面起辅助作用。一些纳米材料具有促进细胞因子分泌和激活免疫信号通路的固有佐剂特性。此外，纳米材料具有光疗或活性氧生成的特性，也可在癌症免疫治疗中诱导ICD效应。这些自佐剂纳米材料为纳米药物在疫苗中的应用提供了更多的可能性和潜力。

给药策略

目前，大多数疫苗采用肠外途径，这是侵入性的，依从性有限。纳米医学的发展为疫苗途径提供了多种选择，包括术后、皮内/皮下、鼻内、吸入和口服给药，用于传染病和癌症治疗。

术后用药

目前，手术仍然是实体瘤治疗的主要选择。然而，肿瘤复发仍然是一个挑战，肿瘤术后药物输送和免疫治疗的纳米医学策略正在兴起。

例如，为了提高术后T细胞免疫的效率，人们开发了一种热响应性姜黄素负载聚合物纳米颗粒与抗原肽和CpG ODN组装的水凝胶。这种策略可以诱导ICD，从而增强抗肿瘤免疫。这种免疫治疗策略促进了CTL的浸润，抑制了局部复发和肺转移。在另一项研究中，设计了一种可植入的3D多孔支架，用于去除髓系来源的抑制细胞，并用基于纳米凝胶的佐剂呈现整个肿瘤裂解物，以促进CTLs。这种免疫生态位策略调节免疫抑制环境，可以防止术后肿瘤复发和转移。

皮内/皮下给药

皮内/皮下注射是DNA疫苗的常见免疫途径。皮肤的表皮层和真皮层都含有作为免疫目标的常驻APC。由于皮肤无痛，皮内/皮下注射已广泛应用于预防接种。

近年来，这种给药策略也被用于抗癌治疗。据报道，使用与人类EGFR 2表位结合的VLP进行皮下免疫可诱导针对HER2阳性恶性肿瘤的特异性抗体滴度升高。进一步，人们还探索了用于肿瘤和传染病疫苗接种的多功能微针系统。此外，透皮疫苗可用于局部和瘤内抗黑色素瘤免疫治疗。

鼻内给药

鼻腔给药是治疗呼吸道感染性疾病的重要途径。通过纳米疫苗进行的鼻腔免疫有望通过主要影响受感染呼吸道（如结核病）来预防疾病，并可用于癌症治疗。

壳聚糖纳米粒是一种水溶性平台，可用于经鼻输送结核疫苗抗原。经鼻给药后，与N-三甲氨基乙基甲基丙烯酸壳聚糖结合的硫代OVA显示出较高的细胞摄取、颈深淋巴结转运效率和免疫反应。对于鼻内癌症纳米疫苗的递送，最近的一项研究开发了一种装载有多种OVA肽抗原的自组装纳米疫苗。这种纳米疫苗通过鼻腔给药延长了停留时间，并提高了抗原摄取效率，从而增强了抗原特异性免疫反应。

吸入给药

吸入给药也是肺传染病（如结核病）很有希望的疫苗接种途径。合成纳米颗粒是吸入制剂的有效工具。已开发出具有油核和聚合物壳的聚合物纳米胶囊，用于肺输送咪喹莫特、TLR-7激动剂和融合抗原蛋白。这种聚合物纳米胶囊的接种诱导了强烈的免疫反应。

此外，吸入给药也可用于癌症纳米疫苗，如肺转移。据报道，吸入VLPs可促进中性粒细胞在肿瘤中的浸润，并在荷瘤小鼠中增加细胞因子和趋化因子的产生以及巨噬细胞炎性蛋白1α。这种纳米疫苗治疗显著降低了各种肿瘤类型的转移性肿瘤负担。

口服给药

口服给药是一种非侵入性途径，具有良好的依从性。口服疫苗是给药、免疫、安全和储存的最佳选择。

一些纳米载体已经被开发成可以口服的结核疫苗。脂质体包裹的DNA疫苗可诱导针对TB的有效免疫应答。VLP还可用于携带HIV包膜cDNA，增强胃环境中的稳定性。这种策略导致口服给药后肠道内抗原浓度较高。

口服给药策略也可用于癌症疫苗。据报道，纳米乳剂具有很高的包封能力，可共同输送黑色素瘤抗原、热休克蛋白和葡萄球菌毒素A。这种口服给药策略显示出与皮下免疫相当的免疫反应。

纳米疫苗技术的临床应用

纳米疫苗已经被开发用于治疗各种疾病。包括癌症和多种传染病，如艾滋病、疟疾和结核病（ TB ）。目前有多项纳米疫苗处于临床阶段。

传染病的预防和治疗

传染病疾病疫苗的开发有一些相似之处，抗原传递仍然是疫苗接种的关键，自组装蛋白质纳米颗粒是抗原递送的有效手段。RTS,S是市场上第一个也是目前唯一的疟疾疫苗，它使用VLP传递抗原。此外，VLP也被测试用于展示HIV包膜蛋白，如V1V2环，并可在小鼠中产生特异性IgG。

聚合物纳米材料因其合成的可行性、低免疫原性和高生物降解性而作为疫苗平台受到广泛关注。最近，带有3M-052（一种TLR-7/8激动剂）的HIV-1衍生gp140免疫原被装入PLGA纳米颗粒中，并在恒河猴中诱导高频率和持续的HIV包膜特异性免疫应答。

无机纳米颗粒和仿生纳米颗粒也是开发抗感染纳米疫苗的有效平台。例如，HIV的gag p17通过结合到高甘露糖苷修饰的GNPs上增加CD8+T细胞的增殖；由HIV-1 gp41亚单位开发的病毒体疫苗可诱导针对HIV的强粘膜抗体。

抑制肿瘤复发和转移

各种纳米材料已被探索用作有效的肿瘤疫苗递送平台。VLPs已直接用于肿瘤相关抗原的递送，VLPs疫苗可与放射治疗、化疗或免疫治疗联合使用。为了全面刺激抗肿瘤免疫反应，研究设计了模拟高密度脂蛋白的纳米盘，用于向淋巴器官输送抗原和佐剂。纳米盘治疗显示新抗原特异性CTL的频率显著提高，并在联合免疫检查点阻断治疗中消除了肿瘤。

传统的LNP也是提供肿瘤疫苗的高效平台。在最近的一项研究中，编码肿瘤抗原的mRNA被整合到阳离子C1 LNP中，该阳离子C1 LNP具有佐剂性质，用于有效地递送和呈递到树突状细胞。c1 mRNA纳米疫苗对肿瘤具有显著的预防和治疗作用。

展望

在过去几十年中，纳米技术的快速发展为纳米医学和疫苗的开发奠定了基础。与传统疫苗相比，纳米疫苗利用了多种纳米颗粒，在传递效率、剂量方案、给药途径、佐剂和接种效果方面具有显著优势。除了纳米材料设计外，新型免疫原的开发对于实现理想的传染病预防性免疫应答具有重要意义；而对于癌症纳米疫苗的开发，安全性、靶向性和疫苗完整的有效级联对于治疗免疫应答至关重要。

关于纳米疫苗的安全性，免疫原性和毒性是两个主要问题。纳米颗粒可能在给药后激活宿主免疫反应，此外，纳米颗粒衍生物可能在生物降解后引起意外的非特异性免疫反应。阳离子和可电离纳米颗粒都可能通过增加促炎细胞因子水平而具有免疫原性。纳米颗粒的细胞毒性与纳米材料的类型和剂量密切相关。因此，选择生物可降解成分用于开发具有更好生物相容性的纳米疫苗是未来的方向。

目前，脂质体和脂质纳米颗粒在纳米疫苗的临床应用中发挥了主导作用，表明纳米材料良好的生物相容性和生物安全性仍然是下一代纳米疫苗竞争中不可忽视的指标。值得一提的是，具有不同潜在免疫机制的疾病将进一步推动纳米疫苗亚型的发展。纵观目前正在临床开发的疫苗纳米技术，基于mRNA的纳米疫苗在癌症治疗和传染病预防方面具有巨大的前景。

许多问题，包括理化性质、生物界面和质量控制，仍有待于纳米疫苗的成功临床转化。此外，还应考虑纳米疫苗的实施人群和成本效益；而对于癌症纳米疫苗，患者特异性抗原是个性化疫苗面临的挑战。

综上所述，纳米疫苗技术在实验研究中已显示出令人鼓舞的结果，纳米材料、免疫学、病毒学、肿瘤学和制药行业的进一步努力将共同促进纳米疫苗技术的临床转化和应用，最终使更多的传染病和肿瘤患者受益。

参考文献：

Emerging vaccine nanotechnology: Fromdefense against infection to sniping cancer. Acta Pharm Sin B. 2022 Jan 4

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