眾所周知，艾滋、流感、新冠、猴痘等新發(fā)突發(fā)傳染病頻頻暴發(fā)，嚴(yán)重影響全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)和公共衛(wèi)生。疫苗接種是對(duì)抗傳染病的最具經(jīng)濟(jì)效益比的科學(xué)技術(shù)。大多數(shù)病原體主要通過呼吸道、生殖道、胃腸道等黏膜表面感染機(jī)體，因此新一代疫苗應(yīng)具有高效誘發(fā)黏膜免疫應(yīng)答的能力。然而，目前臨床使用的疫苗大多通過肌肉注射給藥，其誘發(fā)黏膜免疫應(yīng)答的能力較弱，且需苛刻的冷鏈條件進(jìn)行運(yùn)輸和儲(chǔ)存。此外，肌肉注射帶來的疼痛等不適感也使得部分人因針頭恐懼而不愿接種，從而加強(qiáng)疫苗猶豫現(xiàn)象。
迄今為止，疫苗接種在控制（消滅）傳染病中的最成功案例是在全球徹底消滅呼吸道傳播的天花病毒。只需皮膚劃痕接種一劑天花疫苗，就可獲得幾乎100%的終生免疫保護(hù)。中山大學(xué)孫彩軍教授受此啟示，提出科學(xué)設(shè)想——可否研發(fā)出兼顧皮膚接種高效誘導(dǎo)免疫應(yīng)答但又不必粗暴“皮膚劃痕”的新型疫苗接種方式？研究表明，微針載藥遞送系統(tǒng)具有常溫儲(chǔ)存、無痛、可自主給藥、使用便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，但尚無證據(jù)表明微針遞送系統(tǒng)可否用于研發(fā)新型黏膜疫苗。為探究該科學(xué)問題，中山大學(xué)孫彩軍教授團(tuán)隊(duì)及其合作者研發(fā)出一種新型微針納米疫苗技術(shù)，可誘發(fā)高水平的系統(tǒng)免疫和黏膜免疫應(yīng)答，并闡釋其增強(qiáng)免疫效果的作用機(jī)理。近期，相關(guān)研究成果以“Rapid Induction of Long-Lasting Systemic and?Mucosal Immunity via Thermostable Microneedle-Mediated Chitosan Oligosaccharide-Encapsulated DNA Nanoparticles”為題發(fā)表在國際著名期刊ACS nano上。孫彩軍團(tuán)隊(duì)的前期工作表明寡殼聚糖（COS）分子可在納米尺度上修飾病毒載體疫苗，自組裝成納米顆粒，并有效誘發(fā)高水平的黏膜免疫應(yīng)答 （Biomaterials, 2021）。基于此，為提升微針疫苗誘發(fā)黏膜免疫應(yīng)答的能力，研究團(tuán)隊(duì)利用COS和DNA自組裝成納米顆粒疫苗（DNA@COS），DNA@COS顆粒比單獨(dú)的DNA疫苗在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的轉(zhuǎn)染效率、攝取水平和溶酶體逃逸能力都得到顯著提升，從而有助于其持久高水平地表達(dá)目的蛋白（圖1）。
圖1 寡殼聚糖包裹的DNA納米顆粒疫苗的表征和生化特性
隨后，研究人員將DNA@COS納米顆粒疫苗裝載到可溶解微針針頭，得到新型微針貼片黏膜疫苗（圖2）。該微針貼片的力學(xué)參數(shù)良好，可有效進(jìn)入小鼠背部皮膚。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該微針針尖可在20秒內(nèi)完全溶解并釋放出其中的DNA@COS納米顆粒，且這些納米疫苗仍保留先前的生化特征和表達(dá)活性。利用體內(nèi)成像技術(shù)，研究人員證明該微針貼片可在體內(nèi)高效持久地表達(dá)目的抗原，且遞送效率達(dá)88%以上。更重要地是，該微針貼片疫苗在室溫干燥條件下放置一個(gè)月，仍保留其物理化學(xué)特征和生物活性。
圖2 負(fù)載納米顆粒疫苗的微針貼片的制備、表征和生化性質(zhì)
基于上述研究發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用表達(dá)新冠抗原的核酸疫苗，在小鼠模型中驗(yàn)證該新策略的免疫效果（圖3）。數(shù)據(jù)表明，負(fù)載DNA@COS的微針貼片經(jīng)皮膚接種后，可有效誘導(dǎo)新冠抗原特異性的結(jié)合抗體和中和抗體。而且，室溫放置一個(gè)月的微針貼片疫苗亦可保持類似的免疫效果。
圖3?負(fù)載納米顆粒疫苗的微針貼片可有效激發(fā)抗原特異性結(jié)合抗體和中和抗體
更重要地是，與傳統(tǒng)肌肉注射方式相比，該策略可在肺臟等黏膜組織誘發(fā)更強(qiáng)的抗原特異性細(xì)胞免疫應(yīng)答（圖4）。
圖4?負(fù)載納米顆粒疫苗的微針貼片可誘導(dǎo)強(qiáng)效的系統(tǒng)免疫和黏膜組織中的細(xì)胞免疫應(yīng)答
隨之的研究表明，微針皮膚免疫可以更高效地誘導(dǎo)出可分泌多種細(xì)胞因子的多功能T細(xì)胞，且可持續(xù)數(shù)月之久（圖5、圖6）。
圖5?負(fù)載納米顆粒疫苗的微針貼片可誘導(dǎo)更強(qiáng)的多功能T細(xì)胞免疫應(yīng)答
圖6?負(fù)載納米顆粒疫苗的微針貼片高效誘發(fā)抗原特異免疫應(yīng)答的持久性
接著，研究人員深入探索該新技術(shù)可增強(qiáng)細(xì)胞免疫應(yīng)答的分子作用機(jī)理（圖7）。數(shù)據(jù)分析表明，該策略可誘導(dǎo)機(jī)體細(xì)胞產(chǎn)生活性氧物質(zhì)和應(yīng)激釋放出線粒體DNA，進(jìn)而通過促進(jìn)IRF3和STAT1的磷酸化以調(diào)控cGAS-STING信號(hào)通路，導(dǎo)致抗原提呈細(xì)胞的活化和成熟，從而提升所負(fù)載疫苗的天然免疫和抗原特異性免疫應(yīng)答。
圖7?負(fù)載納米顆粒疫苗的微針貼片可增強(qiáng)免疫效果的作用機(jī)制研究
綜上所述，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型微針貼片納米疫苗技術(shù)，可誘發(fā)高水平的系統(tǒng)免疫應(yīng)答和黏膜免疫應(yīng)答，并闡釋其增強(qiáng)免疫效果的作用機(jī)理，預(yù)期這種新型“創(chuàng)可貼式微針疫苗”具有良好的有效性、便利性和依從性，有望廣泛用于多種疫苗的研發(fā)（圖8）。
圖8?負(fù)載納米顆粒疫苗的微針貼片高效誘導(dǎo)系統(tǒng)和黏膜免疫應(yīng)答的作用原理示意圖
中山大學(xué)為該工作的第一完成單位，中山大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院（深圳）孫彩軍教授和舒躍龍教授、藥學(xué)院（深圳）曾小偉副教授為共同通訊作者，博士研究生李敏超和楊莉?yàn)楣餐谝蛔髡摺Ｔ撗芯康玫絿抑攸c(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFE0203100, 2021YFC2300103, 2022YFC2603600），國家自然科學(xué)基金（82271786,81971927），中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院創(chuàng)新基金（CIFMS）（2022-I2M-1-021），廣東省科技計(jì)劃（2021B1212040017）和深圳市科技計(jì)劃（JSGG20200225152008136, JCYJ2019080715500948）等項(xiàng)目的資助。論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c09521
延伸閱讀：
《給藥應(yīng)用的微針專利態(tài)勢(shì)分析-2020版》
《腫瘤免疫治療領(lǐng)域初創(chuàng)公司調(diào)研》
