2023年11月23日，中山大学孙彩军教授团队及合作者在国际著名期刊《ACS Nano》发表题为“Rapid Induction of Long-Lasting Systemic and Mucosal Immunity via Thermostable Microneedle-Mediated Chitosan Oligosaccharide-Encapsulated DNA Nanoparticles”的科研论文，首次报道一种可高效诱发系统免疫和黏膜免疫的微针纳米疫苗贴片技术，并阐释其增强免疫效果的作用机理。
众所周知，艾滋、流感、新冠、猴痘等新发突发传染病频频暴发，严重影响全球社会经济和公共卫生。疫苗接种是对抗传染病的最具经济效益比的科学技术。大多数病原体主要通过呼吸道、生殖道、胃肠道等黏膜表面感染机体，因此新一代疫苗应具有高效诱发黏膜免疫应答的能力。然而，目前临床使用的疫苗大多通过肌肉注射给药，其诱发黏膜免疫应答的能力较弱，且需苛刻的冷链条件进行运输和储存。此外，肌肉注射带来的疼痛等不适感也使得部分人因针头恐惧而不愿接种，从而加剧疫苗犹豫现象。
迄今为止，疫苗接种在控制传染病中的最成功案例是全球消灭经呼吸道传播的天花病毒。只需皮肤划痕接种一剂天花疫苗，就可获得几乎100%的终生免疫保护。中山大学孙彩军教授受此启示，提出科学设想——可否研发出兼顾皮肤接种高效诱导免疫应答但又不必粗暴“皮肤划痕”的新型疫苗接种方式？研究表明，微针载药递送系统具有常温储存、无痛、可自主给药、使用便捷等诸多优点，但尚无证据表明微针递送系统可否用于研发新型黏膜疫苗。
为探究此科学问题，该团队通力合作研发出一种新型微针纳米疫苗技术。孙彩军团队前期工作表明寡壳聚糖（COS）分子可在纳米尺度上修饰病毒载体疫苗，自组装成纳米颗粒，并有效诱发高水平的黏膜免疫应答 （Biomaterials, 2021）。基于此，为提升微针疫苗诱发黏膜免疫应答的能力，研究团队利用COS和DNA自组装成纳米颗粒疫苗（DNA@COS），实验表明DNA@COS颗粒比单独的DNA疫苗在哺乳动物细胞中的转染效率、摄取水平和溶酶体逃逸能力都得到显著提升，从而有助于其持久高水平地表达目的蛋白（图1）。
图1. 寡壳聚糖包裹的DNA纳米颗粒疫苗的表征和生化特性（Li et al. ACS Nano, 2023）
随后，将DNA@COS纳米颗粒疫苗装载到可溶性微针针头，得到新型微针黏膜疫苗贴片（图2）。该微针贴片的力学参数良好，可有效进入小鼠背部皮肤。体内外实验数据表明，该微针针尖可在20秒内完全溶解并释放出其中的DNA@COS纳米颗粒，且这些纳米疫苗仍保留先前的生化特征和表达活性。利用体内成像技术，证明该微针贴片可在体内高效持久表达目的抗原，且递送效率达88%以上。更重要地是，该微针贴片疫苗在室温干燥条件下放置一个月，仍保留其物理化学特征和生物活性。
图2. 微针纳米疫苗贴片的制备、表征和生化特性（Li et al. ACS Nano, 2023）
基于上述研究结果，研究团队进一步利用表达新冠抗原的核酸疫苗，在小鼠模型中验证该新策略的免疫效果（图3）。数据表明，荷载DNA@COS的微针贴片经皮肤接种后，可有效诱导新冠抗原特异性的结合抗体和中和抗体。而且，室温放置一个月的微针疫苗贴片亦可保持类似的免疫效果。
图3. 微针纳米疫苗贴片可有效激发抗原特异性结合抗体和中和抗体 （Li et al. ACS Nano, 2023）
更重要地是，与传统肌肉注射方式相比，该策略可在肺脏等黏膜组织诱发更强的抗原特异性细胞免疫应答（图4）。
图4. 微针纳米疫苗贴片可诱导强效的系统免疫和黏膜组织中的细胞免疫应答 （Li et al. ACS Nano, 2023）
随之的研究表明，微针皮肤免疫更高效地诱导出可分泌多种细胞因子的多功能T细胞，且可持续数月之久（图5和图6）。
图5. 微针纳米疫苗贴片可诱导更强的多功能T细胞免疫应答（Li et al. ACS Nano, 2023）
图6. 微针纳米贴片疫苗高效诱发抗原特异免疫应答的持久性（Li et al. ACS Nano, 2023）
接着，研究人员深入探索该新技术可增强细胞免疫应答的分子作用机理（图7）。数据分析表明，该策略可诱导机体细胞产生活性氧物质和应激释放出线粒体DNA，进而通过促进IRF3和STAT1的磷酸化以调控cGAS-STING信号通路，导致抗原提呈细胞的活化和成熟，从而提升所荷载疫苗激发的天然免疫和抗原特异性免疫应答。
图7. 微针纳米贴片疫苗可增强免疫效果的作用机制研究 （Li et al. ACS Nano, 2023）
总之，该团队研发出一种新型微针纳米疫苗贴片技术，可诱发高水平的系统免疫应答和黏膜免疫应答，并阐释其增强免疫效果的作用机理，预期这种新型“创可贴式疫苗”具有良好的有效性、便利性和依从性，有望广泛用于多种疫苗的研发（图8）。该技术已申请发明专利，目前正计划开展后续临床前研究，欢迎合作交流。
图8. 微针纳米贴片疫苗高效诱导系统和黏膜免疫应答的作用原理示意图（Li et al. ACS Nano, 2023）
中山大学为该工作的第一完成单位，中山大学公共卫生学院（深圳）孙彩军教授和舒跃龙教授、药学院（深圳）曾小伟副教授为共同通讯作者，博士研究生李敏超和杨莉为共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划(2022YFE0203100, 2021YFC2300103, 2022YFC2603600)，国家自然科学基金(82271786,81971927)，中国医学科学院创新基金(CIFMS)(2022-I2M-1-021)，广东省科技计划(2021B1212040017)和深圳市科技计划(JSGG20200225152008136, JCYJ2019080715500948)等项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c09521
通讯作者信息：
孙彩军，博士，教授，博士生导师。目前在中山大学公共卫生学院（深圳）工作，兼任中山大学华南生物安全高等级实验室副主任，中国疫苗行业协会疫苗学教育专业委员会副主任委员、中国疫苗行业协会疫苗学基础研究专业委员会常务委员、中国性病艾滋病防治协会艾滋病基础研究专委会委员等。主要研究方向为新型疫苗和抗病毒药物研发。近些年在 Advanced Science, ACS Nano, NPJ Vaccines, PloS Pathogens, J Virology, Advanced Materials, Biomaterials，Signal Transduct Target Ther.等期刊发表论文 90 余篇；申请发明专利15 项；作为副主编撰写《疫苗与免疫》、《疫苗与健康》等教材和专著；作为项目负责人承担国家科技重大专项子课题、国家重点研发计划项目子任务、国家自然科学基金等20余项科研项目；担任Human Vaccines & Immunotherapeutics, Viruses, Frontiers in Immunology, Microbes & Immunity, PloS One等多本期刊编委（Editorial board）。本团队长期招收博士后、专职科研人员，欢迎对病毒学、免疫学、材料学、流行病学等交叉研究方向感兴趣的有志之士加入。联系方式：suncaijun@mail.sysu.edu.cn
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