纳米颗粒疫苗在肿瘤免疫治疗中的研究进展

高俊潇

(天津大学生命科学学院，天津 300072)

癌症免疫疗法，即利用自身免疫系统破坏癌细胞，最近已成为治疗癌症的有效工具。免疫系统能够识别和攻击异物，从而抵御感染和疾病；还能够识别并破坏异常细胞，并迅速做出反应[1]。肿瘤细胞的免疫应答是由CD8+T细胞介导的一个多步骤过程，包括：(1)肿瘤细胞产生肿瘤抗原(TAs)以及抗原呈递细胞(APC)如树突细胞(DC)处理释放肿瘤抗原；(2)通过主要组织相容性复合物(MHCⅠ类和MHCⅡ类物质)在抗原呈递细胞表面呈递肿瘤抗原，用于识别T细胞；(3)识别肿瘤抗原后在淋巴结中引发和激活T细胞；(4)活化的T细胞通过血管迁移至肿瘤；(5)T细胞浸润后通过肿瘤细胞上的配体与T细胞受体(TCR)结合，对肿瘤细胞进行T细胞识别；(6)被T细胞杀死的肿瘤细胞释放出更多的肿瘤抗原，最终增强免疫应答[2]。2013年，癌症免疫疗法被Nature评为年度重大突破[3]，进一步加速了其发展，并受到众多研究者的极大关注。

肿瘤疫苗是一种极具免疫治疗前景的新策略。该技术可诱导针对肿瘤抗原的特异性且持久的免疫应答。肿瘤抗原是在肿瘤组织中以及肿瘤起始、发展和转移中发挥中心作用的过表达蛋白。主要包括两种：一种是肿瘤特异性抗原(TSA)，即自身发生突变的蛋白；另一种是肿瘤相关抗原(TAA)，即过度或异常表达的未突变的蛋白[4]，如由致癌病毒感染后转化的恶性细胞表达的蛋白。尽管在过去的10年里，已经开发了各种肿瘤疫苗，能够诱导肿瘤免疫应答以阻止癌症进一步发展并防止其复发，但是治疗成功仍然存在极大障碍。

随着现代疫苗的发展，对增强免疫原性的佐剂和新型递送系统的需求越来越大。病毒样颗粒(VLP)的出现和纳米粒子(如量子点)的复兴，标志着蛋白质生物技术与无机纳米技术的融合，预示着纳米医学将步入一个重大进步的时代[5]。纳米颗粒是指粒径在1～1 000 nm范围内的颗粒材料，可以作为疫苗用来运送抗原并刺激初始免疫细胞，或者用作增强免疫原性的佐剂。基于纳米颗粒的肿瘤疫苗已经被用于癌症的广泛治疗，且可通过改变表面性质和成分来针对特定的癌症。作者在此对纳米颗粒疫苗在肿瘤免疫治疗中的研究进展进行综述，包括聚合物纳米颗粒疫苗、脂质体纳米颗粒疫苗、病毒样颗粒疫苗以及无机纳米颗粒疫苗，以期为纳米颗粒疫苗的开发应用提供帮助，促进纳米生物医学的发展。

1 聚合物纳米颗粒疫苗

多种聚合物被用于制备纳米颗粒，如聚(乳酸-乙醇酸)(PLGA)、聚己内酯以及聚乙二醇(PEG)等。其中PLGA纳米颗粒因具有良好的安全性和生物降解性被FDA批准为疫苗载体而受到最广泛的研究。2019年，有研究者[6]对阳离子聚合物改性PLGA纳米颗粒包埋Alhag蜂蜜多糖(AHPP)作为卵清蛋白(OVA)疫苗载体进行了研究，对壳聚糖改性的PLGA纳米颗粒(CS-AHPP/OVA)、聚乙烯亚胺改性的PLGA纳米颗粒(PEI-AHPP/OVA)和ε-聚-L-赖氨酸改性的PLGA纳米颗粒(εPL-AHPP/OVA)作为疫苗佐剂的功效进行了比较，结果发现，AHPP/OVA、CS-AHPP/OVA、PEI-AHPP/OVA和εPL-AHPP/OVA纳米颗粒可显著增强T淋巴细胞的增殖与活化，同时提高CD4+T细胞/CD8+T细胞的比值；此外，AHPP/OVA、PEI-AHPP/OVA和εPL-AHPP/OVA纳米颗粒可诱导细胞因子(TNF-α、IFN-γ、IL-4、IL-6)、抗体(IgG)和抗体亚型(免疫小鼠中IgG1和IgG2a)的分泌，这些纳米颗粒产生了强烈的Th1免疫应答。

2 脂质体纳米颗粒疫苗

免疫系统中脂质体的研究可以追溯到20世纪70年代初。脂质体主要由胆固醇与二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱(DMPC)等脂类构成，可有效提高肿瘤抗原的免疫原性。针对特定的免疫细胞或亚细胞细胞器，脂质体可以被抗原呈递细胞特异性配体修饰。如将甘露糖酸盐DSPE-PEG引入到脂质体DOTAP中，构建淋巴靶向甘露糖化的DOTAP脂质体(LP-Man)，该脂质体通过抗原呈递细胞上的甘露糖受体实现靶向行为，与非靶向的LP-OVA相比，在小鼠骨髓来源细胞(BMDC)、脾脏和腹股沟淋巴结中，LP-Man在体外和体内对OVA的摄取显著提高[7]。此外，DC-Chol-CLS阳离子脂质体可通过与溶酶体的酸性相互作用，提高树突细胞中溶酶体的pH值并减少抗原降解，从而促进与CD8+T细胞抗原的交叉呈递反应[8]。Zhang研究团队[9]合成了蜂毒素脂质体纳米疫苗(R-melittin-NPs)，并对其抗肿瘤效果进行了研究。将R-melittin-NPs原位注射小鼠肿瘤部位后，蜂毒素缓慢释放诱导肿瘤细胞坏死或凋亡，同时释放细胞内的全肿瘤抗原和损伤相关分子模式，最终促进CD4+和CD8+T细胞分泌具有抗肿瘤作用的细胞因子IFN-γ并产生大量抗体IgG，诱导全身性抗肿瘤免疫应答。

3 病毒样颗粒疫苗

病毒样颗粒是由生物相容性衣壳蛋白自组装形成的缺乏感染性核酸的自组装纳米颗粒。病毒样颗粒是理想的纳米颗粒疫苗系统，它们利用病毒结构，在避免感染的同时，自然地优化与免疫系统的相互作用。人乳头瘤病毒(HPV)疫苗已经用于临床研究。2019年，有研究者报道[10]HPV疫苗RG1-VLP包含HPV16衣壳蛋白L2(RG1，aa 17～36)常见表位，将该疫苗免疫小鼠后发现类似Cervarix和Gardasil的HPV16中和作用(滴度为10 000)和针对hrHPV58阴道攻击的交叉保护作用，并且即使与HPV18L1-VLP结合也可对异源hrHPV进行交叉中和。这进一步提示病毒样颗粒疫苗具有临床应用前景。

4 无机纳米颗粒疫苗

虽然纳米颗粒疫苗的相关研究不断取得重大进展，但是一些挑战仍然存在，包括难以重复合成具有一致性和理想性的纳米颗粒，对纳米颗粒的物理特性与细胞、组织甚至整个生物系统之间的相互作用机制缺乏基本了解[11]。因此，设计合理的、具有理想性能和功效的纳米颗粒疫苗越来越重要。

在研究和设计理想疫苗策略中，选择合适的佐剂极其重要，可以使疫苗产生更强的免疫原性，诱导更强的体液或细胞免疫反应，增加抗原呈递细胞对抗原的处理，减少抗原剂量，有助于形成长期记忆反应[12]。在过去的20年里，多功能无机纳米材料在生物医学领域如成像、肿瘤治疗和药物递送等方向得到快速发展[13]，近年来研究发现，无机纳米颗粒疫苗佐剂的存在有利于免疫细胞的募集和成熟，从而激活免疫系统的功能。

4.1 铝化合物

明矾是FDA批准的唯一一种人类使用的无机佐剂。它可促进抗原前体细胞对抗原的摄取，增强免疫细胞对注射部位的募集，诱导体液免疫反应，但是诱导细胞免疫反应的能力较弱[14]。因此，人们在明矾佐剂的改性和替代佐剂的开发方面进行了大量研究。

有研究者[15]合成了含铜和锌的γ-AlOOH介壳层纳米颗粒疫苗复合物(Cu-和Zn-AMSs)，该复合物具有随机起皱的形态、中等尺度的空洞或洞穴状囊袋、高暴露的表面覆盖位点以及盐水中的正电荷等特性。体外研究证实，Cu-和Zn-AMSs可促进THP-1分化的巨噬细胞样细胞在体外摄取模型肿瘤抗原OVA，可增强体外的骨髓树突细胞成熟和细胞因子释放。体内研究表明，Cu-和Zn-AMSs可明显增强小鼠脾细胞的抗肿瘤免疫力并增加CD4+和CD8+T细胞。此外，有研究者[16]设计了具有受控的表面功能化和电荷的AlOOH纳米棒(ALNRs)，以评估其对NLRP3炎性小体的体外激活和体内免疫原性增强的影响。结果表明，NH2-官能化的ALNRs(ALNR-NH2)表现出较高水平的细胞摄取、溶酶体损伤和氧化应激，这决定了NLRP3炎性小体体外激活和IL-1β分泌的水平。与原始SO3H-官能化颗粒(ALNR-SO3H)相比，ALNR-NH2显示出更高水平的OVA特异性抗体滴度。Wang 等[17]通过化学沉淀法大规模制备了羟基氧化铝[AlO(OH)]修饰的氧化石墨烯(GO)纳米颗粒疫苗复合物[GO-AlO(OH)]，除了维持AlO(OH)诱导体液免疫反应外，还可进一步引发氧化石墨烯引起的细胞免疫反应，并且可以使用简便的混合/吸附方法掺入抗原，最终促进抗原的细胞摄取和胞质释放并促进树突细胞成熟，从而引发更高的抗原特异性IgG滴度，诱导强劲的CD4+和CD8+T细胞反应，并抑制体内肿瘤的生长。

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、高负载能力和坚固性、易于表面功能化的特点，被广泛应用于难溶性药物递送、癌症的成像诊断与治疗等生物医学重要研究领域[18-21]。研究发现，介孔二氧化硅可以被树突细胞吞噬，显著增加CD80+和CD86+树突细胞，通过树突细胞信号激活初始T细胞，并诱导其分泌细胞因子IFN-γ，同时有利于免疫细胞表达促炎细胞因子IL-18、IL-6和IL-1β等，被作为佐剂广泛研究[22-23]。

有研究者[24]通过聚乙烯亚胺(PEI)吸附于介孔二氧化硅微棒(MSR)合成MSR-PEI疫苗，可增强抗原的免疫原性，与现有的MSR疫苗和大剂量疫苗制剂相比，MSR-PEI疫苗能显著增强宿主树突细胞的活化和T细胞免疫应答。单次注射MSR-PEI疫苗可完全消除小鼠中约80%的大型TC-1肿瘤，并产生免疫记忆。当用B16F10或CT26新抗原库免疫时，MSR-PEI疫苗可消除已建立的肺转移，控制肿瘤的生长并与抗CTLA4疗法协同作用。Tsuji研究团队[25]合成了空心和非空心的介孔二氧化硅纳米球，并将其用作肿瘤疫苗佐剂，发现介孔二氧化硅纳米球的空心结构能显著促进体外巨噬细胞样细胞对模型肿瘤抗原的摄取，增加小鼠脾细胞中CD4+和CD8+T细胞，增强小鼠抗肿瘤免疫力。有研究者[26]报道了一种由MSR与介孔二氧化硅纳米粒子(MSN)耦合组成的可注射的双尺度介孔二氧化硅(MSR-MSN)疫苗。疫苗注射后，MSR形成三维大孔支架，与抗原和Toll样受体9激动剂共同负载的MSN被募集的树突细胞内化，从而导致了抗原呈递树突细胞的激活。与单一MSR或MSN疫苗相比，MSR-MSN疫苗可产生大量抗原特异性T细胞，更大程度地抑制黑色素瘤的生长。Lin研究团队[27]合成了尺寸小于100 nm的大孔介孔二氧化硅涂覆的上转换纳米粒子(UCMS)，并将其用作新型免疫佐剂。UCMS不仅对光敏剂花菁540(MC540)、模型蛋白(OVA)和肿瘤抗原(肿瘤细胞片段，TF)表现出明显更高的负载量，而且还成功地用于体内高效疫苗。制备的UCMSs-MC540-OVA在980 nm近红外辐射下，显示出强烈的Th1和Th2免疫应答以及较高的CD4+、CD8+和效应记忆T细胞比例，增强了协同免疫治疗效果。

4.3 其它无机纳米颗粒

随着纳米生物医学的发展，新的无机纳米颗粒疫苗不断被发现。有研究者[28]发现用TLR配体功能化的基于可生物降解的磷酸钙纳米粒子靶向B细胞的疫苗可以有效诱导和调节体内体液免疫反应。近期，有报道[29]显示杂化铜簇纳米颗粒(Cu-HVs-OVA)疫苗显著刺激BMDC细胞表面高度表达共刺激分子CD80+与CD86+以及抗原呈递分子MHC Ⅰ与MHC Ⅱ，同时激活细胞内炎性通路，促进IL-6和IL-1β的分泌，在小鼠肿瘤模型中显示出较好的抗肿瘤效果。Jiang等[30]合成的NaCl纳米颗粒(SCNP)溶解在肿瘤细胞内时，会引起渗透压升高和细胞快速裂解，导致免疫原性细胞死亡，将垂死的肿瘤细胞转化为原位疫苗，并且在原发肿瘤中观察到激活的树突细胞(CD80+、CD86+)、引流淋巴结归巢树突细胞(CD80+、CD86+、CCR7+)、效应T细胞(CD8+、IFN-γ+)亚群的增加。Wu研究团队[31]首次发现Fe3O4纳米颗粒作为免疫增强剂，可帮助纳米复合疫苗(Fe3O4-OVA)有效刺激骨髓来源的树突细胞的成熟以及T细胞的活化，还潜在活化了巨噬细胞。并且该治疗性和预防性Fe3O4-OVA疫苗对皮下和转移性B16-OVA肿瘤的生长起到了较好的抑制效果。

5 展望

纳米材料作为调节免疫系统的有效工具，为现代疫苗的发展提供了强大的可能性。然而，如果想充分发挥纳米颗粒疫苗的优势，需要详细研究其组成、粒径、形貌、疏水性、表面电荷、抗原负载能力等因素对其性能的影响，以开发高效、安全的纳米颗粒疫苗；同时，还要全面了解无机纳米佐剂与免疫细胞和器官的相互作用以及相应的体内外分子机制，针对靶向特定部位疾病设计新型纳米颗粒疫苗，促进纳米生物医学的发展。