基于羟基氧化铝-Poly(I:C)复合佐剂的免疫调控机制研究

文摘   科学   2024-09-04 20:03   山西  




近期,大连理工大学孙冰冰教授团队在《Journal of Controlled Release》期刊2024年第372期上发表了题为“Aluminum oxyhydroxide-Poly(I:C) combination adjuvant with balanced immunostimulatory potentials for prophylactic vaccines”的研究论文。该团队基于人工合成的双链核糖核酸(double-stranded RNA,dsRNA)——聚肌苷酸-聚胞苷酸(Polyinosinic-polycytidylic,Poly(I:C))具有与模式识别受体(PRRs)结合并激活先天免疫系统的能力,在本文中将传统佐剂羟基氧化铝(AlOOH)与Poly(I:C)联用作为复合佐剂Al-Poly(I:C)。物理化学特性机制研究表明,Al-Poly(I:C)复合佐剂是由Poly(I:C)骨架上的-PO3-和AlOOH表面的羟基共价结合形成的。通过乙肝(HBV)、人乳头瘤病毒(HPV)和水痘-带状疱疹(VZV gE)疫苗模型证明了Al-Poly(I:C)协调增强体液免疫和细胞免疫的能力和机制。Al-Poly(I:C)复合佐剂的结合机制研究为佐剂设计提供了新思路,其平衡的免疫调控能力能进一步满足预防性和治疗性疫苗的配方要求。





佐剂在重组疫苗中用于增强和形成抗原特异性免疫反应[1–4]。在不同类型的佐剂中,人工合成dsRNA——Poly(I:C),可与Toll样受体3(TLR3)在内的PRRs结合,在预防性疫苗中的添加有效补充了机体的细胞免疫应答[5–7]。基于其生物相容性和递送效率低有待提高的应用特征,团队将传统疫苗佐剂AlOOH与其复合,在降低细胞毒性的同时提高体液免疫水平,以促进平衡的体液和细胞免疫响应。此外,由于不同分子量的Poly(I:C)可激活不同信号通路[8],设计了由不同分子量的Poly(I:C)构成的Al-Poly(I:C)复合佐剂,并对其免疫应答进行探究。同时,探究了AlOOH与Poly(I:C)的结合机制,为佐剂-免疫构效关系的建立提供依据(图1)。

图1. Al-Poly(I:C)复合佐剂介导的免疫调控机制


本研究设计了具有明确理化性质的Al-Poly(I:C)复合佐剂。DLS、TEM表征其基础理化性质,并定量AlOOH和Poly(I:C)的结合率。FTIR分析显示Poly(I:C)的结合将替换AlOOH表面羟基;在逐步提高体系盐浓度的条件下,定量AlOOH和Poly(I:C)吸附率,实验排除了静电作用主导的相互作用方式。综上提出AlOOH和Poly(I:C)在结合过程中的相互作用方式为Poly(I:C)骨架上磷酸根与AlOOH上的羟基形成的共价结合。


图2. Al-Poly(I:C)复合佐剂理化性质表征和结合机制

在HBV疫苗模型中,由高剂量Poly(I:C)制备的带负电荷的Al-Poly(I:C)-H复合佐剂,显著提高血清中HBV特异性抗体(Total IgG、IgG1和IgG2c)水平。进一步机制研究发现,在腹股沟淋巴结(dLN)中,Al-Poly(I:C)-H复合佐剂组中的树突细胞(DCs)百分比与抗原组相比提高了10.2%,其中携带抗原的DCs百分比也提高了2.5%。同时,显著提高DCs表面MHC II的表达。显示出Al-Poly(I:C)-H复合佐剂介导免疫细胞迁移和抗原从外周转运到dLN的能力。


图3. Al-Poly(I:C)复合佐剂在HBV模型中的抗体滴度及淋巴结迁移


在HPV模型中,与低剂量Poly(I:C)制备的Al-Poly(I:C)-L相比,Al-Poly(I:C)-H复合佐剂显示出协调提高体液免疫和细胞免疫水平的能力。Al-Poly(I:C)-H促进了HPV特异性IgG和IgG1抗体的释放。流式细胞术显示,Al-Poly(I:C)-H提高了细胞表面CD107α和FasL的表达,证明了毒性T淋巴细胞(CTL)活性的提高。此外,Al-Poly(I:C)-H促进了B细胞的激活及记忆B细胞的形成。

图4. Al-Poly(I:C)复合佐剂HPV模型中抗体滴度和细胞免疫水平


此外,在VZV gE疫苗模型中发现由不同分子量的Poly(I:C)制备的Al-Poly(I:C)-H可以同时促进Th1和Th2免疫应答,其中高分子量Poly(I:C)制备的Al-Poly(I:C)-HHMW激发的免疫响应程度更高。血清抗体滴度研究显示,Al-Poly(I:C)-HHMW提高的VZV gE特异性IgG、IgG1和IgG2c抗体水平高于Al-Poly(I:C)-HLMW。使用流式细胞术进一步对细胞免疫响应的分析发现,Al-Poly(I:C)-HHMW的T、B细胞活化能力更强。此外,胞内流式细胞术分析显示出Al-Poly(I:C)-HHMW促进CD4 T细胞中更高水平的IL-4、TNF-α细胞因子的释放,显示出其具有更高诱导初始CD4+ T细胞分化为平衡Th1/Th2亚群的能力。此外,CD8 T细胞中高水平IL-4和TNF-α的释放、脾细胞中IL-2和IFN-γ的分泌也证明Al-Poly(I:C)-HHMW促进高水平细胞免疫响应和免疫调节的能力。

图5. Al-Poly(I:C)复合佐剂的理化性质表征及在VZV gE模型中抗体滴度和细胞免疫水平


研究亮点


  1. 证明Al-Poly(I:C)复合佐剂是由Poly(I:C)骨架上的磷酸根和AlOOH表面的羟基共价结合形成的;

     

  2. 设计并研究了由不同剂量或分子量的Poly(I:C)与AlOOH和组成的复合佐剂在HBV、HPV、VZV gE疫苗模型中的免疫响应;

     

  3. 带负电荷的复合佐剂Al-Poly(I:C)能协调增强体液免疫和细胞免疫响应;

     

  4. 构建了复合佐剂理化性质与免疫应答之间的构效关系。

     

文章信息


Volume 372, August 2024, Pages 482-493


https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2024.06.054

作者信息



 通讯作者 



孙冰冰,教授,博士生导师。2002、2005年于大连理工大学获得学士、硕士学位,2011年于美国华盛顿大学化学工程系获得博士学位,2011-2016年在美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究。入选国家级青年人才、中国工程前沿杰出青年学者及辽宁省“兴辽计划”青年拔尖人才。课题组致力于疫苗佐剂、生物材料、纳米材料-生物界面等研究。主持的科研项目包括科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金重点基金(联合基金)、国家自然科学基金面上项目及大连市科技创新基金重点学科重大课题等。



 第一作者 




要智颖,大连理工大学化工学院2021级博士研究生。




参考资料



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编辑 | 谢明心  


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