Nature子刊：毛海泉团队筛选到增强抗肿瘤活性的新型LNP

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

两款mRNA疫苗在新冠大流行中的成功应用，明确验证了脂质纳米颗粒（LNP）作为mRNA疫苗模式的安全性和有效性。LNP还可以通过促进抗原呈递细胞的摄取、刺激这些细胞的成以及调节佐剂的活性，来增强癌症免疫治疗效果。然而，mRNA-LNP的组成、治疗效果和免疫激活谱之间的相关性，特别是1型T辅助细胞（Th1）和12型T辅助细胞（Th2）反应之间的平衡以及与NK细胞介导的细胞杀伤的协调，仍然难以理解。

2023年12月11日，约翰霍普金斯大学医学院毛海泉教授团队在Nature子刊Nature Biomedical Engineering上发表了题为：Screening for lipid nanoparticles that modulate the immune activity of helper T cells towards enhanced antitumour activity 的研究论文。

该研究报告了一种LNP筛选方法，用于优化辅助脂质类型和脂质组分比例，以增强肿瘤抗原编码mRNA向树突状细胞（DC）的递送及其免疫激活谱，从而增强抗肿瘤活性。该方法涉及筛选能够在体外增强骨髓来源的树突状细胞（BMDC）成熟和抗原呈递的LN，然后在皮下或肌内给药后评估小鼠黑色素瘤模型中的免疫激活和肿瘤生长抑制期刊。

该研究发现，最有效的抗肿瘤活性，特别是与免疫检查点抑制剂联合使用时，是由T细胞和NK细胞的协同攻击引起的，这种攻击是由LNP触发的，在1型T辅助细胞和2型T辅助细胞中都产生了强烈的免疫活性。这项研究结果强调了优化基于mRNA的肿瘤的LNP 组成以定制抗原特异性免疫激活谱的重要性。

毛海泉，约翰霍普金斯大学医学院教授、纳米生物技术研究所所长。他于1988年获得武汉大学化学学士学位，1993年获得武汉大学高分子化学博士学位，此后在约翰霍普金斯大学医学院梁锦荣实验室从事博士后研究并在随后担任副研究员。2003年，毛海泉加入约翰霍普金斯大学任助理教授，并于2009年和2013年分别晋升为副教授和正教授。

毛海泉实验室的研究方向包括再生医学的生物材料工程、分子和细胞治疗的递送以及免疫工程。他的实验室用合成和天然生物材料开发了纳米纤维支架，用于工程、干细胞递送和软组织再生。他的实验室还建立了纳米颗粒制造平台，用于控制纳米治疗药物的组装，以提高DNA、RNA和蛋白质治疗药物和疫苗的递送效率。

作为一种有效的介导编码目标抗原的mRNA表达的递送载体，LNP已证明能够诱导强烈的抗体和记忆B细胞反应。在这种情况下，抗原由注射部位的免疫细胞和非免疫细胞（例如肌细胞和脂肪细胞）的组合表达。

在抗原呈递细胞（APC）内翻译的抗原直接处理并呈递给CD8+T细胞，这有助于激活细胞免疫反应。而非APC内翻译的抗原被APC内化并呈递给CD4+T辅助细胞。这种在非APC内翻译的蛋白质机制也可能有助于B细胞分化和抗体产生。这种强大的效力被归因于LNP的佐剂活性，特别是它们诱导生发中心形成和滤泡辅助性T细胞（Tfh）反应的能力。此外，还有发现支持了一种观点，即为COVID-19 mRNA疫苗优化的LNP也可以产生CD4+ Th1和CD8+细胞介导的细胞免疫，这可能有助于产生强大的体液反应所需的Th2反应，从而产生高水平的中和抗体。

虽然Th2和Th17反应对于产生强大的体液反应和消除细胞外病原体至关重要，但越来越多的研究表明，将强大的Th2反应与Th1介导的细胞免疫结合起来，可以有助于清除SARS-CoV-2感染细胞并增强疫苗效力。Th1偏向的细胞因子分泌激活了针对病毒病原体的巨噬细胞和吞噬细胞依赖性免疫，从而驱动保护性的细胞免疫反应。在疫苗设计中利用这种Th1驱动的细胞成分应该有助于提高感染控制的有效性，并增强疾病预防和治疗。

之前已经测试了LNP递送的mRNA疫苗用于治疗癌症和预防其他感染（包括寨卡病毒、流感、黄病毒、HIV等）。这些研究证明了诱导有效的抗原特异性免疫反应需要专门定制的免疫激活谱。当递送的抗原在树突状细胞（DC）或其他抗原呈递细胞（APC）中表达时，它会生成肽表位，并在MHC-I类分子的背景下加载和显示，导致CD8 + T细胞的激活。强大的细胞毒性CD8 + T细胞反应和1型辅助性T细胞（Th1）免疫反应对于设计有效的肿瘤疫苗至关重要，从而清除细胞内的病原体和癌细胞。

研究表明，LNP配方可以促进树突状细胞、巨噬细胞和中性粒细胞的转染和成熟，并调节佐剂活性，以增强CD8 + T细胞反应和抗肿瘤效果。然而，mRNA-LNP的组成、治疗效果和免疫激活谱之间的相关性，特别是Th1和Th2反应之间的平衡以及与NK细胞介导的细胞杀伤的协调，仍然难以理解。

LNP系统在结构多样性方面具有明显的优势，其脂质组成多样，转染能力广泛，适用于多种细胞群。大多数市售或临床研究中的LNP核酸递送工具由四组分或五组分脂质组成：辅助磷脂、可电离脂质、胆固醇，PEG化脂质，以及选择性器官靶向脂质。最近的研究表明，脂质组分的选择和配方中脂质组分的相对比例，对体内转染效率和组织特异性递送有很大影响。

尽管mRNA-LNP疫苗取得了许多进展，但对于辅助脂质电荷和LNP组分的相对比例对给药部位不同细胞群的转染效果，还缺乏深入分析，这可能在确定APC中的抗原表达水平、免疫激活谱和治疗效果方面发挥重要作用。

在这项研究中，研究团队推测，通过调整LNP的组成来调节转染细胞群，可以产生独特的免疫激活谱。

研究团队筛选了1080种LNP配方，以在抗原呈递细胞（APC）中转染效率为目标，以诱导强大的细胞免疫，并确定了在骨髓来源的树突状细胞（BMDC）中具有最高转染效率和抗原呈递能力的配方队列。在皮下或肌肉注射后，进一步检查了这些配方的转基因表达水平和免疫反应诱导水平。展示了通过改变LNP组分来调节Th1和Th2免疫反应之间的免疫刺激平衡的能力。

筛选结果显示，C10 LNP能够诱导Th1和Th2免疫反应，在促进强大的细胞毒性T淋巴细胞反应和Th1反应对抗癌症方面发挥双重作用，并促进体液免疫反应和Th2免疫反应，这可能通过抗体依赖的细胞毒性途径激活NK细胞，从而促进抗肿瘤效应。该研究还证实了将这种优化的mRNA-LNP疫苗和全身免疫检查点阻断疗法相结合，在治疗黑色素瘤模型中的协同效应，并探讨了增强免疫反应的机制以及与细胞转染活性和局部免疫激活谱的相关性，为 增强癌症疫苗效果提供了一种新方法。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41551-023-01131-0