近年来，将纳米技术应用于预防和治疗性癌症疫苗的设计中取得了重大进展。然而，由于纳米疫苗的组成复杂，抗原呈递细胞（APC）激活和抗原交叉呈递的时空协调困难，纳米疫苗的临床转化仍然受到限制。开发具有天然刺激活性的疫苗载体为进一步提高癌症纳米疫苗的效率和转化潜力提供了一个有前景的方向，既可以简化疫苗的设计和生产流程，从而加快疫苗系统投放市场的速度；又有望更好地协调抗原交叉呈递和APCs激活，引发更强的免疫应答。
图1：PEI-M的设计和作用机制示意图
长春应用化学研究所宋万通副研究员、陈学思院士团队设计了一种极简的二元纳米疫苗（BiVax），将天然刺激活性整合到载体中以引发强大的抗肿瘤免疫。首先制备了一系列唑类分子封端的聚乙烯亚胺(PEI-M)，超过60%的PEI-M聚合物通过激活干扰素基因刺激因子(STING)通路而具有天然的刺激活性。其中，PEI-4BImi，PEI-M库中表现最好的聚合物之一，通过简单地与卵清蛋白(OVA)抗原混合，可用作皮下注射的纳米疫苗引发强大的抗肿瘤免疫反应。通过将PEI-4BImi与自体肿瘤细胞膜蛋白抗原复合，实现了个性化BiVax的快速制备，与免疫检查点抑制剂联合使用时，术后治愈率达到60%。这种BiVax系统的性能比传统的“三元”疫苗系统以及商业化的含铝佐剂要好得多，能用于个性化医疗，有望进行癌症疫苗的临床转化。该研究以题为“A Minimalist Binary Vaccine Carrier for Personalized Postoperative Cancer Vaccine Therapy”发表在最新一期的《Advanced Materials》上。
【PEI的设计与筛选】
对STING激动剂的结构分析表明，对于与同型二聚体STING蛋白复合物的结合并在配体结合口袋中形成氢键进行相互作用，含氮杂环结构至关重要。用50 μg/mL的PEI-M培养小鼠DC 2.4细胞24小时后，通过检测培养液中IFN-β的浓度来评价这些PEI-M聚合物在细胞中的固有刺激效应。在测量的15个结构中，其中6种PEI-M聚合物可诱导DC 2.4细胞分泌400 pg/mL以上的IFN-β，而无论是PEI还是这些小分子都不能在相同浓度下诱导DC 2.4细胞分泌可检测到的IFN-β。评估了PEI-M中唑分子接枝次数对刺激效果的影响。PEI-4Imi的刺激效果随着接枝率的增加而增加，而PEI-5Thi和PEI-4BImi则以接枝数40为最佳，当接枝数增加到60时，刺激效果急剧下降。这可能是由于PEI上修饰了过多的疏水基团，溶解性较差所致。
图2：PEI-M库的筛选
使用OVA蛋白作为模型抗原制备BiVax。通过简单的混合，PEI-M与OVA蛋白产生静电相互作用，很容易组装成纳米颗粒，水动力直径约为50-100 nm。在系列稀释过程中，PEI-4Imi/OVA复合物可耐受52倍的稀释直到解体，说明了其对稀释的稳定性。评估了皮下注射PEI基BiVax后，局部淋巴结(LNs)中APCs的成熟情况。与游离OVA相比，PEI-M负载增加了淋巴结内抗原的积累。其中，PEI-4BImi似乎是BiVax设计中表现最好的聚合物，选择了PEI-4Imi进行后续的体内治疗评价。
图3：BiVax的制备及体内鉴定
【BiVax的治疗效果】
评估了使用PEI-4BImi作为疫苗载体设计的BiVax在B16-OVA黑色素瘤模型中的治疗效果。与其它组相比，PEI-4Imi /OVA对B16-OVA的抑制效果最好，第22天的肿瘤抑制率为83.2%。PEI-4BImi/OVA处理的小鼠脾细胞在脉冲孵育OVA肽或蛋白时比其他组分泌更多的IFN-γ，这表明PEI-4BImi/OVA处理组诱导了更多的抗原特异性T细胞。分析了不同配方的OVA疫苗接种健康小鼠外周血的免疫反应。与其他治疗组相比，PEI-4BImi/OVA接种后的IFN-γ +、CD4 + T细胞和IFN-γ +、CD8 + T细胞的比例要高得多，证实PEI-4BImi/OVA接种提高了小鼠强烈的T细胞应答。PEI-4BImi/OVA免疫小鼠的抗原特异性裂解率达80%以上，远高于其他各组，说明PEI-4BImi作为疫苗载体能高效诱导抗原特异性免疫应答。
图4：作为BiVax的PEI-4BImi/OVA体内治疗相关表征
【BiVax个性化疫苗平台】
建立了小鼠的术后复发的结肠肿瘤模型，从切除的肿瘤中提取MC38肿瘤细胞膜蛋白，获得个性化的肿瘤抗原(MAg)，并将PEI-4BImi与MAg简单混合制备个性化的BiVax (4BImi/MAg)。与其他组相比，4BImi/MAg BiVax对术后肿瘤复发的抑制效果更好，术后第19天的肿瘤抑制率为88.6%，治愈率为33%。当4BImi/MAg BiVax联合免疫检查点抑制剂aPD-L1抗体时，第19天观察到肿瘤抑制率为96.9%，60%的小鼠完全治愈；且治愈小鼠未见肿瘤复发，提示BiVax治疗后有效记忆作用的建立。这些结果表明，基于PEI-4BImi的BiVax系统用于术后治疗的有效性和必要性。
图5：基于PEI-4BImi的BiVax作为个性化疫苗平台
【小结】
综上所述，作者提出了一种用于BiVax设计和术后癌症疫苗治疗的极简疫苗载体。发现了将一种五元环唑衍生物封端PEI（PEI-M）后，可以通过STING途径有效刺激DC细胞分泌IFN，并且只需将PEI-M与蛋白质抗原混合即可制备BiVax。这种类型的BiVax优于传统的三元纳米疫苗和商用铝基疫苗。此外，该BiVax平台能够快速制备用于术后癌症治疗的个性化疫苗，当BiVax与aPD-L1联合用于术后MC38肿瘤治疗时，60%的小鼠完全治愈。该基于PEI-M的BiVax平台具有巨大的临床转化潜力。
来源：高分子科学前沿
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