疫苗在全球传染病的抗击中至关重要。然而不幸的是，由于各种原因，针对很多传染性疾病的疫苗很难开发，这些原因包括抗原免疫原性差、针对快速突变的抗原靶标的保护范围差或免疫保护的持久性差等。为了获得持久的保护性抗体反应，疫苗必须在正确的时间和空间与适当的细胞相互作用。在自然感染的情况下，免疫系统暴露于抗原中往往长达1-2周，而单次注射大剂量亚单位疫苗产生的作用仅持续1-2天。可溶性抗原的持续释放对刺激B细胞产生大量高亲和性抗体和体液免疫记忆至关重要。缓释技术是解决上述问题的很好方案但也面临一些限制如：对不同的化学性质的物质负载及缓释时间的控制等。
为了解决上述问题，斯坦福大学生物工程系Eric A. Appel团队创造性开发了一种聚合物纳米粒子（PNP）水凝胶，PNP水凝胶通过聚合物与纳米粒子间的非共价结合在疫苗递送上显示出了巨大的优势。通过它对疫苗组分进行简单的封装，可实现物理化学性质不同的疫苗组分持续共递送。当混合组分注射到小鼠的皮下后，可持续性的释放抗原和佐剂。与接种传统疫苗的对照组小鼠相比，这些小鼠产生了更多的抗体，并且该组产生的抗体对抗原的亲和力要比传统的疫苗给药平台高出1000多倍。
PNP水凝胶为亚单位疫苗的持续递送提供了一个简单有效的平台，以提高体液免疫反应的效力和持久性。通过改善疫苗输送的动力学，从而最大限度地提高免疫反应的效力、持久性和质量。该研究以题为“Injectable Hydrogels for Sustained Codelivery of Subunit Vaccines Enhance Humoral Immunity”近期发表在了《ACS Central Science 》上。
【材料的设计与合成】
如图1所示，将羟丙基甲基纤维素衍生物（HPMC-C12）的水溶液与由聚乙二醇—b-聚乳酸（PEG-PLA）组成的可生物降解的聚合物纳米粒子混合后，即可迅速形成PNP水凝胶。该凝胶形成迅速，且能够实现多化学组分的完全封装。该设计中通过调节HPMC-C12与PEG-PLA的比例，能够合成不同机械性能的凝胶。剪切速率扫描结果显示，随着剪切速率的增加，这些PNP水凝胶的粘度降低了2个数量级以上证明了它们剪切变稀的能力，意味着这些凝胶在注射过程中呈流动态，而当注射完成后在注射部位 快速形成固体凝胶结构 ，防止混合组分从注射部位流出，这有助于形成局部炎症。
图1 PNP水凝胶设计及疫苗递送体内反应
【疫苗缓释动力学研究】
亚单位疫苗一般由 两个主要成分组成 :抗原（刺激抗体产生）和佐剂（增强先天免疫反应）。这些生物分子的大小和理化性质可能有很大不同，这些性质通常决定了化合物的扩散率及其在体外和体内从水凝胶材料中的释放动力学，为共递送的可控释放带来了挑战。为了了解PNP水凝胶如何用于递送各种疫苗组分，该研究过程中疫苗组分以 卵清蛋白（OCA）为模型抗原，Poly(I:C)为佐剂 ，形成疫苗负载的PNP水凝胶。和传统凝胶不同，PNP凝胶以非共价键连接可动态变化，两种药物的扩散受到网络的限制，虽然两者理化差异较大，仍然可以实现共递送。皮下滞留动力学表明，1：5凝胶保留半衰期为3.4天，2：10凝胶有7.7天的保留半衰期。这些结果表明PNP水凝胶在疫苗共递送及时间延长上具有显著优势（图2）。
图2 材料特性与控释动力学表征
【动物实验】
为了评价体液免疫的实际效果，研究人员将小鼠进行皮下注射后对其血清中的抗原特异性抗体进行了研究，发现相比于接受标准PBS推注接种相同疫苗的小鼠，以PNP水凝胶为递送平台接种疫苗的小鼠，其OVA特异性血清抗体的峰值浓度高2-3倍。为了研究体液反应的质量，研究人员还使用竞争性结合酶联免疫吸附试验(ELISA)测定了90天后血清抗体对卵清蛋白的亲和力，基于PNP凝胶接种的疫苗所产生抗体的亲和力 至少增强1000倍 （图3）。研究人员还对渗入凝胶中的细胞进行了分析，以了解凝胶除了持续暴露疫苗组分外是否还产生了炎症，将不含疫苗组分的凝胶注射体内，流式细胞术表明，装载疫苗的凝胶没有显著地招募更多的中性粒细胞，但是能募集更多的单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞，特别的是有大量cDC2细胞，其在激活Tfh细胞启动体液免疫应答有关键作用。而且，在免疫早期，装载疫苗的凝胶中存在的大量抗原呈递细胞（APC）表明，该凝胶可作为免疫激活的有益炎症部位。疫苗在注射部位的长期保留可延长APC激活并增强抗原呈递，提高记忆B细胞的产生和抗体亲和力成熟度的程度与持续时间（图4，图5）。
图3 免疫后抗体浓度和亲和力
图4 局部炎症部位的特征
图5 生发中心对单一疫苗接种的反应
【结论】
作者设计合成了一种非共价结合的PNP水凝胶，其负载的疫苗组分可在体内产生持续的免疫刺激，增强了淋巴结中生发中心反应的强度和持续时间。 与传统的注射免疫相比，这种增强的生发中心反应促进抗原特异性抗体亲和力提高了1000倍以上。总之，这项工作引入了一个简单有效的疫苗输送平台，可提高亚单位疫苗的效力和耐用性。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscentsci.0c00732
来源：高分子科学前沿
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