近期，纽约州立大学布法罗分校生物医学工程系JONATHAN F. LOVELL团队在《Journal of Controlled Release》期刊2024年第369期上发表了题为“The predominant Quillaja Saponaria fraction, QS-18, is safe and effective when formulated in a liposomal murine cancer peptide vaccine”的研究论文。该团队聚焦皂树皂苷(QS)最丰富的提取物QS-18，评估其替代QS-21用于疫苗开发的潜力，旨在降低疫苗开发成本并提供更优秀的佐剂特性。QS-18与QS-21结构相似，与细胞膜胆固醇相互作用引起细胞毒性，该团队研究发现，QS-18和QS-21能够自发插入含磷酸化六酰基二糖(PHAD)和胆固醇的脂质体(CoPoP/PHAD)中，中和溶血活性，在小鼠脚掌注射后未引起局部反应原性，具有良好的安全性。并且QS-21和QS-18的加入不影响脂质体与抗原肽配位结合。与QS-21脂质体递送的肽疫苗比，QS-18脂质体递送的肽疫苗能诱导更高水平的肿瘤新表位特异性和肿瘤相关抗原特异性CD8+T细胞，且毒性没有明显增加，在肾癌Renca、宫颈癌TC-1两种肿瘤模型中均能有效抑制肿瘤生长。![]()
图文摘要
Quil-A (QA)是一种未纯化的皂苷提取物混合物，包括QS- 21、QS-18、QS-17、QS-7等成分[1]。其中QS-21已经成为AS佐剂系统的关键部分，尤其是AS01[2]，含有该佐剂的疟疾疫苗RTS,S/AS01 (Mosquirix)、带状疱疹疫苗Shingrix和RSV疫苗Arexvy已被获批使用，然而从皂树皮中天然提取的QS-21产量有限，限制其在临床上的广泛应用[3]。QS-18是含量最高的皂树皮皂苷天然提取物，与QS-21结构相似，但在皂石酸部分的寡糖结构上存在细微的差异(图1)，但是由于皂苷与细胞膜胆固醇相互作用，毒性较大，其应用一直被忽视。
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图1. QS-18和QS-21结构差异
该研究利用皂苷与胆固醇相互作用的特性，将QS-21和QS-18分别与磷酸化六酰基二糖(PHAD)和含胆固醇的脂质体CoPoP/PHAD结合，得到均一的100nm左右的CoPoP/PHAD/QS-21(CPQS-21)、CoPoP/PHAD/QS-18(CPQS-18)脂质体(图2)。![]()
图2. QS-21和QS-18插入脂质体形成CPQS21、CPQS18
(A) 不同质量比下QS21或QS18插入脂质体的比例; (B) 脂质体的粒径; (C) 脂质体的多分散性指数(PDI)。
皂苷插入脂质体后能中和溶血活性(图3A)，在脚掌注射后未引起局部反应原性(图3B)。高剂量肌肉注射后，体重短暂轻微减轻，相比不含QS-18的脂质体疫苗佐剂系统，QS-18并没有引起显著更多的体重减轻(图3C)。在注射后两天，小鼠血清中未检测到炎症细胞因子的升高(图3D)，具有良好的安全性。![]()
图3. QS-21和QS-18插入脂质体后具有良好安全性
(A) 中和溶血活性; (B) 注射后脚掌厚度变化; (C) 单次注射后小鼠的体重变化; (D) 单次注射后小鼠血清细胞因子浓度。
CoPoP/PHAD脂质体能通过钴离子和抗原肽上的组胺残基配位结合[4]，实验表明，QS-18和QS-21的加入没有干扰CoPoP/PHAD脂质体和肿瘤抗原肽的结合(图4B)。免疫接种后，相比QS-21脂质体递送的肽疫苗，QS-18脂质体递送的肽疫苗诱导了更高水平的肿瘤新抗原特异性和肿瘤相关抗原特异性CD8+ T细胞(图4C, D)，且没有更高的毒性。![]()
图4. 比较CPQS21和CPQS18脂质体的抗原结合能力和佐剂性
(A) 接种及样本采集时间表; (B) 抗原肽与脂质体的结合动力学; (C) 总CD8+T细胞中Nes2LR抗原特异性CD8+T细胞占比; (D) 总CD8+T细胞中E7抗原特异性CD8+T细胞占比。
接着，考察了CPQS21或CPQS18脂质体递送的肽疫苗对细胞毒性T细胞分化和增殖的诱导作用，发现CPQS18组诱导了更高水平的抗原特异性的CD8+T细胞(图5A, B)，对抗原特异性CD8+ T细胞的T细胞受体测序显示，CPQS18组的TCR转录本总量显著高于CPQS21组，并能够提高T细胞克隆多样性(图5C-H)。![]()
图5. 考察CPQS21或CPQS18佐剂对细胞毒性T细胞分化和增殖的诱导作用
(A) IFN-y水平; (B) 抗原特异性CD8+ T细胞比例; (C) CDR3氨基酸序列长度分布; (D) 前30个高丰度T细胞克隆比例; (E) TCR转录总量; (F) 独特的CDR3克隆数; (G) 抗原特异性基因库的克隆性估计; (H)Shannon克隆性。
在肾癌Renca、宫颈癌TC-1两种肿瘤模型中，接种QS-18脂质体递送的肽疫苗对肿瘤的治疗效果与QS-21脂质体递送的肽疫苗相似，且毒性没有增加(图6A, B, D, E)。在肿瘤微环境中，特异性CD8+ T细胞中PD-1表达水平升高(图6CF)。![]()
图6. QS-18和QS-21抗肿瘤效果相似
(A) Renca肿瘤体积; (B)Renca肿瘤长度在10mm以内的小鼠百分比; (C)肿瘤和脾脏中Nes2LR特异性CD8+ T细胞PD-1表达的百分比; (D)TC-1肿瘤体积; (E)TC-1肿瘤长度在10mm以内的小鼠百分比; (F)肿瘤与脾脏中E7特异性CD8+ T细胞PD-1表达的百分比。
最后该研究探索了QS18佐剂增强免疫应答的机制，发现QS-18佐剂能有效激活骨髓来源树突状细胞(BMDC)，促进Th1免疫反应相关细胞因子和促炎细胞因子分泌(图7)，提示了QS18佐剂如何通过激活树突状细胞来增强抗原特异性免疫反应。
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图7. QS-18激活BMDCs增强免疫应答
综上，该研究提出含有QS-18的脂质体是一种安全有效的佐剂，可以在小鼠模型中诱导抑制肿瘤的细胞免疫应答，有潜力用于疫苗开放，并降低疫苗佐剂的生产成本。- 构建了含有QS-18和QS-21脂质体，研究二者在递送肽抗原后诱导的免疫应答和抑制肿瘤生长方面的效果；
- 深入探索QS18和QS-21在诱导抗原特异性T细胞群中的差异；
- 提出QS-18替代QS-21作为佐剂，在保留疫苗的免疫刺激特性的基础上，能降低成本、改进佐剂特性，强调了基于皂苷的佐剂在癌症免疫治疗策略中的潜力。
Volume 369, May 2024, Pages 687-695
https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2024.04.002
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Jonathan Lovell，UB生物医学工程系的副教授。2012年获加拿大多伦多大学生物材料与生物医学工程研究所博士学位。此前，他在安大略省汉密尔顿的麦克马斯特大学(McMaster University)获得生物化学硕士学位，并在滑铁卢大学(University of Waterloo)获得系统设计工程学士学位。
（图片及信息源自https://www.acsu.buffalo.edu/~jflovell/people.html）
Kensil, C.R., Patel, U., Lennick, M. & Marciani, D. SEPARATION AND CHARACTERIZATION OF SAPONINS WITH ADJUVANT ACTIVITY FROM QUILLAJA-SAPONARIA MOLINA CORTEX. JOURNAL OF IMMUNOLOGY 146, 431-437 (1991).
- Didierlaurent, A.M. et al. Adjuvant system AS01: helping to overcome the challenges of modern vaccines. EXPERT REVIEW OF VACCINES 16, 55-63 (2017).
- Jiang, X. et al. Where does the toxicity come from in saponin extract? Chemosphere 204, 243-250 (2018).
- Shao, S. et al. Functionalization of cobalt porphyrin–phospholipid bilayers with his-tagged ligands and antigens. Nature Chemistry 7, 438-446 (2015).
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