新一代疫苗：基于纳米技术的平台
本文节选自《COVID-19 vaccine development and a potential nanomaterial path forward》，详细内容，请参考原文或往期文章“COVID-19：当前疫苗策略详解”。
病毒是纳米级的物体，因此可以视为自然产生的纳米材料；根据这个定义，LAV、IV和病毒载体都是纳米技术。纳米颗粒和病毒在相同的长度范围内 - 这也是为什么疫苗开发和免疫工程中的纳米技术方法如此强大。纳米颗粒，无论是天然的还是合成的，都模拟了病毒的结构特征，而化学生物学、生物技术和纳米化学的发展使开发新一代疫苗技术设计成为可能。从疫苗技术发展的角度来看，这是一个令人兴奋的时代，新的技术和方法将首次产生临床影响。
核酸疫苗。提供基因编码、以“在位”生产病毒蛋白的方式是一种非常有希望的传统疫苗替代方法。DNA疫苗和mRNA疫苗都属于这一类，在目前COVID-19大流行的背景下，这也是追求的方向。尽管这些平台在安全性、速度、稳定性和可放大性方面很有吸引力，但它们在临床开发中失败的风险明显更高，这与之前其它新技术的情况类似。到目前为止还没有得到批准的DNA或RNA疫苗。然而，这些疫苗的一个特别优势是，除了抗体和CD4+ T细胞应答外，DNA或RNA疫苗还引发CD8+细胞毒性T细胞应答，这对病毒根除起到了关键作用。在DNA疫苗方面，该领域的领先者是Inovio Pharmaceuticals，其I期临床试验已于2020年4月6日开始。另一家有望进行I期临床试验的新兴公司是位于加拿大艾伯塔省的Entos Pharmaceuticals, Inc.。mRNA疫苗可通过体外转录生产，这消除了对细胞的需求及其相关的监管障碍。Moderna基于mRNA的技术是美国最快进行I期临床试验的公司，该临床试验于2020年3月16日开始。此外，BioNTech和辉瑞最近宣布，德国监管机构批准了I/II期临床试验，以测试其四种领先的候选mRNA疫苗。
虽然DNA疫苗比mRNA疫苗提供更高的稳定性，但mRNA不整合，因此没有插入突变的风险。此外，mRNA的半衰期、稳定性和免疫原性可以通过已建立的修饰方式进行调整。例如，伦敦帝国理工学院和Arcturus Therapeutics的研究人员正在整合自扩增RNA技术，以延长RNA原本很短的半衰期，从而提高S蛋白表达水平。基于纳米技术的方法为将疫苗递送到适当的细胞群和亚细胞位置提供了可行的方案，解决疫苗递送方面的挑战。虽然人工合成的纳米载体，包括阳离子脂质体和聚合物纳米颗粒，已被用于跨细胞膜递送DNA疫苗，但靶向制剂可能可进一步增强质粒DNA的核转位。Moderna的mRNA疫苗基于脂质纳米颗粒平台，但其它还有许多用于核酸疫苗递送的新兴纳米技术。纳米技术平台 - 包括阳离子纳米乳、脂质体、树枝状分子或多糖颗粒，被用于提高基于mRNA的疫苗的稳定性和递送。
亚单位疫苗。亚单位候选疫苗由SARS-CoV-2的最小结构成分组成，当使用分子佐剂增强免疫原性时，可在宿主体内启动保护性免疫应答。例如，当前的SARS-CoV-2亚单位候选疫苗是由全长S蛋白或带佐剂的S1/S2亚单位组成。在开发者中，领先的是Novavax公司，其在2020年5月25日启动了I/II期临床试验。此外，赛诺菲巴斯德/GSK、Vaxine、强生和匹兹堡大学也已经宣布，将在未来几个月内陆续开始临床试验。其它的开发者，包括Clover Biopharmaceuticals（三叶草）和昆士兰大学，都在独立开发工程化亚单位疫苗，其分别使用分子钳技术和三聚体标签技术，对S蛋白进行预融合三聚体确认。此外，另有研究小组在探索仅使用S蛋白RBD的亚单位疫苗。
亚单位疫苗也可以采用蛋白质纳米颗粒或病毒样颗粒(VLP)的形式。VLP疫苗可以通过重组表达生产，并允许通过基因工程纳入配体、免疫调节剂和靶向模体。自组装蛋白质纳米颗粒和VLP均提供高度有序、稳定且单分散的疫苗剂型以及通过发酵或分子农场（植物表达体系）实现规模化生产。例如，Medicago和iBio正在使用Nicotiana benthamiana（本式烟）产生基于S蛋白的VLP，而AdaptVac / ExpreS2ion使用昆虫细胞表达系统从S2蛋白制备VLP。除了由抗原亚单位生成蛋白纳米颗粒外，它们在蛋白质生物材料支架，如铁蛋白、噬菌体VLP上的表达和/或展示也被用于实现多价抗原展示，以增强免疫原性。
最后，亚单位疫苗可由整合在合成性纳米材料、蛋白笼和VLP中的病毒蛋白组成，除了每个纳米载体平台固有的好处外，其还可作为佐剂和/或递送工具。例如，流感病毒疫苗Crucell (杨森, 强生公司)是一种含有流感蛋白血凝素的脂质体制剂。下图显示了亚单位疫苗设计中使用的一些纳米技术。除了上述抗原多价用途外，纳米载体可以将抗原/佐剂共递送至二级淋巴器官，表现出粒径依赖性的淋巴贩运，并被抗原呈递细胞(APC)优先摄入，形成“仓库”效应，以达到持续的免疫刺激，促进抗原交叉递呈，使细胞外的抗原将通过MHC-I通路递呈，触发CD8 + T细胞参与。
纳米颗粒-疫苗技术平台。
基于多肽的疫苗。疫苗设计的一个重要考虑因素是安全性。许多疫苗依赖于完整结构模体的免疫递呈，例如，全长S蛋白，其将递呈大量的强效表位，导致广泛的抗体和细胞反应。然而，对SARS和中东呼吸综合征候选疫苗的早期研究指出了感染的抗体依赖性增强(ADE)风险。在前者，非中和抗体的存在有助于增加感染，而后者可导致危及生命的过敏性炎症。虽然还没有明确的证据，但来自患者的免疫学数据可能指向SARS-CoV-2潜在的ADE，表明高IgG滴度与较差的结果相关。因此，开发靶向SARS-CoV-2 S蛋白的多肽表位疫苗策略可能可产生更安全的疫苗。SARS-CoV-2 S蛋白的多种B-和T细胞表位已经在计算机分析中被鉴定和预测。重要的是，在对恢复期COVID-19患者的血清进行中和抗体筛选时，实验来源的肽表位将确定有用的表位区域，并为第二代SARS-CoV-2多肽疫苗提供更优的抗原；美国国立卫生研究院(NIH)最近资助了La Jolla免疫学研究所(LJI)进行这项研究。
多肽疫苗是最简单的疫苗形式，它易于设计，易于验证和快速生产。多肽疫苗可配制为多肽加佐剂的混合物，多肽也可以由适当的纳米载体递送，或由核酸疫苗编码。针对慢性疾病和癌症的多种多肽类疫苗以及多肽-纳米颗粒偶联物正在进行临床试验和开发。除了基于多肽的COVID-19疫苗的开发，工业和学术界利用预测的B和T细胞表位在亚单位疫苗方面对抗SARS-CoV-2；例如，OncoGen和剑桥大学/DIOSynVax在疫苗中使用源于免疫信息的S蛋白肽序列。在DNA疫苗结构域内，Immunonomic Therapeutics/EpiVax/PharmaJet利用了计算机预测的T细胞表位。相比HLA限制的T细胞特异性疫苗，B细胞表位由于其普遍性而似乎更具实际操作性。
多肽疫苗的效力依赖于佐剂和递送系统，而纳米颗粒可同时发挥这两种作用。通过纳入针对淋巴结(LN)或细胞亚群及亚细胞位置的新策略，纳米颗粒疫苗的效果可以得到改善，其免疫特征可以针对特定疾病进行定制。例如，“白蛋白便车”的创新策略利用了白蛋白天然运输到LN的能力。近年来，纳米颗粒对LN-定位树突状细胞(DC)和巨噬细胞的特异性靶向能力被用于设计双靶向乙肝病毒(HBV)疫苗。由这些细胞亚群产生的互补免疫反应导致了慢性HBV小鼠模型中病毒清除效果的增强。抗原的亚细胞定位也是随后免疫反应的一个关键决定因素。疫苗设计参数，如包封的抗原与表面展示的抗原，决定了抗原的处理和递呈。前者需要纳米载体的降解或拆卸，从而模拟病毒感染，导致细胞免疫反应，而后者主要导致由外部展示的病毒蛋白产生的体液免疫反应。此外，聚合物胶束(PEG-PE)等纳米载体可以转化抗原肽的构象，促进胞质传递，可以可靠地用于LN靶向、APC摄取和抗原交叉递呈。
来自哺乳动物病毒、昆虫病毒、植物病毒和噬菌体的VLP已被开发成多肽展示纳米技术，用于各种疫苗和免疫治疗应用。虽然VLP对哺乳动物没有传染性，但它们模仿了与病原体相关的分子模式，使它们在免疫系统中高度“可见”。VLP的展示和递送平台也可以作为佐剂，使其成为抗原特异性免疫应答的有效激活剂和扩增剂。VLP展示平台技术的优点在于可放大性和模块化；当获得SARS-CoV-2及其免疫原性信息时，这些多肽可以快速调整；如果出现新的或突变的毒株，也有可能迅速采用这项技术。在过去的几年里，科研实验室开发了基于植物病毒的纳米技术，用于癌症疫苗和免疫治疗，现在，正在将这项技术用于COVID-19疫苗的开发。一个成熟的递送平台将确保下一波SARS-CoV-2感染和其它新病毒出现时，包括新的β-冠状病毒，得到更有效和快速的响应。
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原文：M.D.Shin, S.Shukla, T.H.Chung, et al., COVID-19 vaccine development and a potential nanomaterial path forward. Nature Nanotechnology, 2020, 15:646-655.
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