納米顆粒疫苗在腫瘤免疫治療中的研究進(jìn)展

高俊瀟

(天津大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津 300072)

癌癥免疫療法，即利用自身免疫系統(tǒng)破壞癌細(xì)胞，最近已成為治療癌癥的有效工具。免疫系統(tǒng)能夠識(shí)別和攻擊異物，從而抵御感染和疾??；還能夠識(shí)別并破壞異常細(xì)胞，并迅速做出反應(yīng)[1]。腫瘤細(xì)胞的免疫應(yīng)答是由CD8+T細(xì)胞介導(dǎo)的一個(gè)多步驟過(guò)程，包括：(1)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生腫瘤抗原(TAs)以及抗原呈遞細(xì)胞(APC)如樹(shù)突細(xì)胞(DC)處理釋放腫瘤抗原；(2)通過(guò)主要組織相容性復(fù)合物(MHCⅠ類(lèi)和MHCⅡ類(lèi)物質(zhì))在抗原呈遞細(xì)胞表面呈遞腫瘤抗原，用于識(shí)別T細(xì)胞；(3)識(shí)別腫瘤抗原后在淋巴結(jié)中引發(fā)和激活T細(xì)胞；(4)活化的T細(xì)胞通過(guò)血管遷移至腫瘤；(5)T細(xì)胞浸潤(rùn)后通過(guò)腫瘤細(xì)胞上的配體與T細(xì)胞受體(TCR)結(jié)合，對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行T細(xì)胞識(shí)別；(6)被T細(xì)胞殺死的腫瘤細(xì)胞釋放出更多的腫瘤抗原，最終增強(qiáng)免疫應(yīng)答[2]。2013年，癌癥免疫療法被Nature評(píng)為年度重大突破[3]，進(jìn)一步加速了其發(fā)展，并受到眾多研究者的極大關(guān)注。

腫瘤疫苗是一種極具免疫治療前景的新策略。該技術(shù)可誘導(dǎo)針對(duì)腫瘤抗原的特異性且持久的免疫應(yīng)答。腫瘤抗原是在腫瘤組織中以及腫瘤起始、發(fā)展和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮中心作用的過(guò)表達(dá)蛋白。主要包括兩種：一種是腫瘤特異性抗原(TSA)，即自身發(fā)生突變的蛋白；另一種是腫瘤相關(guān)抗原(TAA)，即過(guò)度或異常表達(dá)的未突變的蛋白[4]，如由致癌病毒感染后轉(zhuǎn)化的惡性細(xì)胞表達(dá)的蛋白。盡管在過(guò)去的10年里，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種腫瘤疫苗，能夠誘導(dǎo)腫瘤免疫應(yīng)答以阻止癌癥進(jìn)一步發(fā)展并防止其復(fù)發(fā)，但是治療成功仍然存在極大障礙。

隨著現(xiàn)代疫苗的發(fā)展，對(duì)增強(qiáng)免疫原性的佐劑和新型遞送系統(tǒng)的需求越來(lái)越大。病毒樣顆粒(VLP)的出現(xiàn)和納米粒子(如量子點(diǎn))的復(fù)興，標(biāo)志著蛋白質(zhì)生物技術(shù)與無(wú)機(jī)納米技術(shù)的融合，預(yù)示著納米醫(yī)學(xué)將步入一個(gè)重大進(jìn)步的時(shí)代[5]。納米顆粒是指粒徑在1～1 000 nm范圍內(nèi)的顆粒材料，可以作為疫苗用來(lái)運(yùn)送抗原并刺激初始免疫細(xì)胞，或者用作增強(qiáng)免疫原性的佐劑。基于納米顆粒的腫瘤疫苗已經(jīng)被用于癌癥的廣泛治療，且可通過(guò)改變表面性質(zhì)和成分來(lái)針對(duì)特定的癌癥。作者在此對(duì)納米顆粒疫苗在腫瘤免疫治療中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，包括聚合物納米顆粒疫苗、脂質(zhì)體納米顆粒疫苗、病毒樣顆粒疫苗以及無(wú)機(jī)納米顆粒疫苗，以期為納米顆粒疫苗的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供幫助，促進(jìn)納米生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

1 聚合物納米顆粒疫苗

多種聚合物被用于制備納米顆粒，如聚(乳酸-乙醇酸)(PLGA)、聚己內(nèi)酯以及聚乙二醇(PEG)等。其中PLGA納米顆粒因具有良好的安全性和生物降解性被FDA批準(zhǔn)為疫苗載體而受到最廣泛的研究。2019年，有研究者[6]對(duì)陽(yáng)離子聚合物改性PLGA納米顆粒包埋Alhag蜂蜜多糖(AHPP)作為卵清蛋白(OVA)疫苗載體進(jìn)行了研究，對(duì)殼聚糖改性的PLGA納米顆粒(CS-AHPP/OVA)、聚乙烯亞胺改性的PLGA納米顆粒(PEI-AHPP/OVA)和ε-聚-L-賴(lài)氨酸改性的PLGA納米顆粒(εPL-AHPP/OVA)作為疫苗佐劑的功效進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AHPP/OVA、CS-AHPP/OVA、PEI-AHPP/OVA和εPL-AHPP/OVA納米顆粒可顯著增強(qiáng)T淋巴細(xì)胞的增殖與活化，同時(shí)提高CD4+T細(xì)胞/CD8+T細(xì)胞的比值；此外，AHPP/OVA、PEI-AHPP/OVA和εPL-AHPP/OVA納米顆粒可誘導(dǎo)細(xì)胞因子(TNF-α、IFN-γ、IL-4、IL-6)、抗體(IgG)和抗體亞型(免疫小鼠中IgG1和IgG2a)的分泌，這些納米顆粒產(chǎn)生了強(qiáng)烈的Th1免疫應(yīng)答。

2 脂質(zhì)體納米顆粒疫苗

免疫系統(tǒng)中脂質(zhì)體的研究可以追溯到20世紀(jì)70年代初。脂質(zhì)體主要由膽固醇與二肉豆蔻酰磷脂酰膽堿(DMPC)等脂類(lèi)構(gòu)成，可有效提高腫瘤抗原的免疫原性。針對(duì)特定的免疫細(xì)胞或亞細(xì)胞細(xì)胞器，脂質(zhì)體可以被抗原呈遞細(xì)胞特異性配體修飾。如將甘露糖酸鹽DSPE-PEG引入到脂質(zhì)體DOTAP中，構(gòu)建淋巴靶向甘露糖化的DOTAP脂質(zhì)體(LP-Man)，該脂質(zhì)體通過(guò)抗原呈遞細(xì)胞上的甘露糖受體實(shí)現(xiàn)靶向行為，與非靶向的LP-OVA相比，在小鼠骨髓來(lái)源細(xì)胞(BMDC)、脾臟和腹股溝淋巴結(jié)中，LP-Man在體外和體內(nèi)對(duì)OVA的攝取顯著提高[7]。此外，DC-Chol-CLS陽(yáng)離子脂質(zhì)體可通過(guò)與溶酶體的酸性相互作用，提高樹(shù)突細(xì)胞中溶酶體的pH值并減少抗原降解，從而促進(jìn)與CD8+T細(xì)胞抗原的交叉呈遞反應(yīng)[8]。Zhang研究團(tuán)隊(duì)[9]合成了蜂毒素脂質(zhì)體納米疫苗(R-melittin-NPs)，并對(duì)其抗腫瘤效果進(jìn)行了研究。將R-melittin-NPs原位注射小鼠腫瘤部位后，蜂毒素緩慢釋放誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞壞死或凋亡，同時(shí)釋放細(xì)胞內(nèi)的全腫瘤抗原和損傷相關(guān)分子模式，最終促進(jìn)CD4+和CD8+T細(xì)胞分泌具有抗腫瘤作用的細(xì)胞因子IFN-γ并產(chǎn)生大量抗體IgG，誘導(dǎo)全身性抗腫瘤免疫應(yīng)答。

3 病毒樣顆粒疫苗

病毒樣顆粒是由生物相容性衣殼蛋白自組裝形成的缺乏感染性核酸的自組裝納米顆粒。病毒樣顆粒是理想的納米顆粒疫苗系統(tǒng)，它們利用病毒結(jié)構(gòu)，在避免感染的同時(shí)，自然地優(yōu)化與免疫系統(tǒng)的相互作用。人乳頭瘤病毒(HPV)疫苗已經(jīng)用于臨床研究。2019年，有研究者報(bào)道[10]HPV疫苗RG1-VLP包含HPV16衣殼蛋白L2(RG1，aa 17～36)常見(jiàn)表位，將該疫苗免疫小鼠后發(fā)現(xiàn)類(lèi)似Cervarix和Gardasil的HPV16中和作用(滴度為10 000)和針對(duì)hrHPV58陰道攻擊的交叉保護(hù)作用，并且即使與HPV18L1-VLP結(jié)合也可對(duì)異源hrHPV進(jìn)行交叉中和。這進(jìn)一步提示病毒樣顆粒疫苗具有臨床應(yīng)用前景。

4 無(wú)機(jī)納米顆粒疫苗

雖然納米顆粒疫苗的相關(guān)研究不斷取得重大進(jìn)展，但是一些挑戰(zhàn)仍然存在，包括難以重復(fù)合成具有一致性和理想性的納米顆粒，對(duì)納米顆粒的物理特性與細(xì)胞、組織甚至整個(gè)生物系統(tǒng)之間的相互作用機(jī)制缺乏基本了解[11]。因此，設(shè)計(jì)合理的、具有理想性能和功效的納米顆粒疫苗越來(lái)越重要。

在研究和設(shè)計(jì)理想疫苗策略中，選擇合適的佐劑極其重要，可以使疫苗產(chǎn)生更強(qiáng)的免疫原性，誘導(dǎo)更強(qiáng)的體液或細(xì)胞免疫反應(yīng)，增加抗原呈遞細(xì)胞對(duì)抗原的處理，減少抗原劑量，有助于形成長(zhǎng)期記憶反應(yīng)[12]。在過(guò)去的20年里，多功能無(wú)機(jī)納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如成像、腫瘤治療和藥物遞送等方向得到快速發(fā)展[13]，近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)納米顆粒疫苗佐劑的存在有利于免疫細(xì)胞的募集和成熟，從而激活免疫系統(tǒng)的功能。

4.1 鋁化合物

明礬是FDA批準(zhǔn)的唯一一種人類(lèi)使用的無(wú)機(jī)佐劑。它可促進(jìn)抗原前體細(xì)胞對(duì)抗原的攝取，增強(qiáng)免疫細(xì)胞對(duì)注射部位的募集，誘導(dǎo)體液免疫反應(yīng)，但是誘導(dǎo)細(xì)胞免疫反應(yīng)的能力較弱[14]。因此，人們?cè)诿鞯\佐劑的改性和替代佐劑的開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了大量研究。

有研究者[15]合成了含銅和鋅的γ-AlOOH介殼層納米顆粒疫苗復(fù)合物(Cu-和Zn-AMSs)，該復(fù)合物具有隨機(jī)起皺的形態(tài)、中等尺度的空洞或洞穴狀囊袋、高暴露的表面覆蓋位點(diǎn)以及鹽水中的正電荷等特性。體外研究證實(shí)，Cu-和Zn-AMSs可促進(jìn)THP-1分化的巨噬細(xì)胞樣細(xì)胞在體外攝取模型腫瘤抗原OVA，可增強(qiáng)體外的骨髓樹(shù)突細(xì)胞成熟和細(xì)胞因子釋放。體內(nèi)研究表明，Cu-和Zn-AMSs可明顯增強(qiáng)小鼠脾細(xì)胞的抗腫瘤免疫力并增加CD4+和CD8+T細(xì)胞。此外，有研究者[16]設(shè)計(jì)了具有受控的表面功能化和電荷的AlOOH納米棒(ALNRs)，以評(píng)估其對(duì)NLRP3炎性小體的體外激活和體內(nèi)免疫原性增強(qiáng)的影響。結(jié)果表明，NH2-官能化的ALNRs(ALNR-NH2)表現(xiàn)出較高水平的細(xì)胞攝取、溶酶體損傷和氧化應(yīng)激，這決定了NLRP3炎性小體體外激活和IL-1β分泌的水平。與原始SO3H-官能化顆粒(ALNR-SO3H)相比，ALNR-NH2顯示出更高水平的OVA特異性抗體滴度。Wang 等[17]通過(guò)化學(xué)沉淀法大規(guī)模制備了羥基氧化鋁[AlO(OH)]修飾的氧化石墨烯(GO)納米顆粒疫苗復(fù)合物[GO-AlO(OH)]，除了維持AlO(OH)誘導(dǎo)體液免疫反應(yīng)外，還可進(jìn)一步引發(fā)氧化石墨烯引起的細(xì)胞免疫反應(yīng)，并且可以使用簡(jiǎn)便的混合/吸附方法摻入抗原，最終促進(jìn)抗原的細(xì)胞攝取和胞質(zhì)釋放并促進(jìn)樹(shù)突細(xì)胞成熟，從而引發(fā)更高的抗原特異性IgG滴度，誘導(dǎo)強(qiáng)勁的CD4+和CD8+T細(xì)胞反應(yīng)，并抑制體內(nèi)腫瘤的生長(zhǎng)。

4.2 介孔二氧化硅

介孔二氧化硅(MS)具有出色的生物相容性、高負(fù)載能力和堅(jiān)固性、易于表面功能化的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于難溶性藥物遞送、癌癥的成像診斷與治療等生物醫(yī)學(xué)重要研究領(lǐng)域[18-21]。研究發(fā)現(xiàn)，介孔二氧化硅可以被樹(shù)突細(xì)胞吞噬，顯著增加CD80+和CD86+樹(shù)突細(xì)胞，通過(guò)樹(shù)突細(xì)胞信號(hào)激活初始T細(xì)胞，并誘導(dǎo)其分泌細(xì)胞因子IFN-γ，同時(shí)有利于免疫細(xì)胞表達(dá)促炎細(xì)胞因子IL-18、IL-6和IL-1β等，被作為佐劑廣泛研究[22-23]。

有研究者[24]通過(guò)聚乙烯亞胺(PEI)吸附于介孔二氧化硅微棒(MSR)合成MSR-PEI疫苗，可增強(qiáng)抗原的免疫原性，與現(xiàn)有的MSR疫苗和大劑量疫苗制劑相比，MSR-PEI疫苗能顯著增強(qiáng)宿主樹(shù)突細(xì)胞的活化和T細(xì)胞免疫應(yīng)答。單次注射MSR-PEI疫苗可完全消除小鼠中約80%的大型TC-1腫瘤，并產(chǎn)生免疫記憶。當(dāng)用B16F10或CT26新抗原庫(kù)免疫時(shí)，MSR-PEI疫苗可消除已建立的肺轉(zhuǎn)移，控制腫瘤的生長(zhǎng)并與抗CTLA4療法協(xié)同作用。Tsuji研究團(tuán)隊(duì)[25]合成了空心和非空心的介孔二氧化硅納米球，并將其用作腫瘤疫苗佐劑，發(fā)現(xiàn)介孔二氧化硅納米球的空心結(jié)構(gòu)能顯著促進(jìn)體外巨噬細(xì)胞樣細(xì)胞對(duì)模型腫瘤抗原的攝取，增加小鼠脾細(xì)胞中CD4+和CD8+T細(xì)胞，增強(qiáng)小鼠抗腫瘤免疫力。有研究者[26]報(bào)道了一種由MSR與介孔二氧化硅納米粒子(MSN)耦合組成的可注射的雙尺度介孔二氧化硅(MSR-MSN)疫苗。疫苗注射后，MSR形成三維大孔支架，與抗原和Toll樣受體9激動(dòng)劑共同負(fù)載的MSN被募集的樹(shù)突細(xì)胞內(nèi)化，從而導(dǎo)致了抗原呈遞樹(shù)突細(xì)胞的激活。與單一MSR或MSN疫苗相比，MSR-MSN疫苗可產(chǎn)生大量抗原特異性T細(xì)胞，更大程度地抑制黑色素瘤的生長(zhǎng)。Lin研究團(tuán)隊(duì)[27]合成了尺寸小于100 nm的大孔介孔二氧化硅涂覆的上轉(zhuǎn)換納米粒子(UCMS)，并將其用作新型免疫佐劑。UCMS不僅對(duì)光敏劑花菁540(MC540)、模型蛋白(OVA)和腫瘤抗原(腫瘤細(xì)胞片段，TF)表現(xiàn)出明顯更高的負(fù)載量，而且還成功地用于體內(nèi)高效疫苗。制備的UCMSs-MC540-OVA在980 nm近紅外輻射下，顯示出強(qiáng)烈的Th1和Th2免疫應(yīng)答以及較高的CD4+、CD8+和效應(yīng)記憶T細(xì)胞比例，增強(qiáng)了協(xié)同免疫治療效果。

4.3 其它無(wú)機(jī)納米顆粒

隨著納米生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，新的無(wú)機(jī)納米顆粒疫苗不斷被發(fā)現(xiàn)。有研究者[28]發(fā)現(xiàn)用TLR配體功能化的基于可生物降解的磷酸鈣納米粒子靶向B細(xì)胞的疫苗可以有效誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)體內(nèi)體液免疫反應(yīng)。近期，有報(bào)道[29]顯示雜化銅簇納米顆粒(Cu-HVs-OVA)疫苗顯著刺激BMDC細(xì)胞表面高度表達(dá)共刺激分子CD80+與CD86+以及抗原呈遞分子MHC Ⅰ與MHC Ⅱ，同時(shí)激活細(xì)胞內(nèi)炎性通路，促進(jìn)IL-6和IL-1β的分泌，在小鼠腫瘤模型中顯示出較好的抗腫瘤效果。Jiang等[30]合成的NaCl納米顆粒(SCNP)溶解在腫瘤細(xì)胞內(nèi)時(shí)，會(huì)引起滲透壓升高和細(xì)胞快速裂解，導(dǎo)致免疫原性細(xì)胞死亡，將垂死的腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)化為原位疫苗，并且在原發(fā)腫瘤中觀察到激活的樹(shù)突細(xì)胞(CD80+、CD86+)、引流淋巴結(jié)歸巢樹(shù)突細(xì)胞(CD80+、CD86+、CCR7+)、效應(yīng)T細(xì)胞(CD8+、IFN-γ+)亞群的增加。Wu研究團(tuán)隊(duì)[31]首次發(fā)現(xiàn)Fe3O4納米顆粒作為免疫增強(qiáng)劑，可幫助納米復(fù)合疫苗(Fe3O4-OVA)有效刺激骨髓來(lái)源的樹(shù)突細(xì)胞的成熟以及T細(xì)胞的活化，還潛在活化了巨噬細(xì)胞。并且該治療性和預(yù)防性Fe3O4-OVA疫苗對(duì)皮下和轉(zhuǎn)移性B16-OVA腫瘤的生長(zhǎng)起到了較好的抑制效果。

5 展望

納米材料作為調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的有效工具，為現(xiàn)代疫苗的發(fā)展提供了強(qiáng)大的可能性。然而，如果想充分發(fā)揮納米顆粒疫苗的優(yōu)勢(shì)，需要詳細(xì)研究其組成、粒徑、形貌、疏水性、表面電荷、抗原負(fù)載能力等因素對(duì)其性能的影響，以開(kāi)發(fā)高效、安全的納米顆粒疫苗；同時(shí)，還要全面了解無(wú)機(jī)納米佐劑與免疫細(xì)胞和器官的相互作用以及相應(yīng)的體內(nèi)外分子機(jī)制，針對(duì)靶向特定部位疾病設(shè)計(jì)新型納米顆粒疫苗，促進(jìn)納米生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展。