哈佛团队推出通用DNA折纸平台，可高效开发「下一代」癌症疫苗

DNA 折纸技术（DNA origami nanotechnology）是近年来提出的一种新型 DNA 自组装方法，也是 DNA 纳米技术和 DNA 自组装领域的重大研究进展之一。与传统纳米自组装技术相比，基于 DNA 折纸技术构建的二维、三维纳米结构具有更佳的精细程度和可控性，且其实验条件要求低，操作简单、效率更高。

因此，DNA 折纸技术有潜力应用于构建纳米机器人、合成疫苗、纳米胶囊药物、DNA“硬盘”等等。利用这一技术构建癌症疫苗是一个重要的应用方向，领域内已经针对此进行了许多研究。比方说，研究人员此前发现使用 DNA 折纸等纳米结构同时向抗原呈递细胞（APC）递送佐剂和抗原分子可以增强对 APC 的激活效力。

然而，此前的这些方法尚未系统性研究佐剂分子的数量和纳米级排列如何影响下游肿瘤定向免疫。

近日，来自哈佛大学 Wyss 研究所、丹娜—法伯癌症研究所以及韩国科学技术院的研究人员针对上述问题进行了深入研究。在此，科研团队构建了一个名为 DoriVac 的 DNA 折纸平台用于开发疫苗，其核心组件是一种自组装的方形块状纳米结构。研究发现 DoriVac 疫苗平台可以通过佐剂分子纳米级精确的间距和多种抗原增强抗肿瘤反应。

（来源：Nature Nanotechnology）

在试验中，称为 CpG 的佐剂分子间隔为 3.5 纳米可对 APC 产生最强效的刺激，增强 DC 活化、抗原交叉呈递、CD8 T 细胞活化以及自然杀伤细胞活化等。研究人员还发现DoriVac 疫苗与 PD-1/PD-L1 免疫检查点抑制剂会产生协同作用，改善黑色素瘤和淋巴瘤小鼠的癌症免疫治疗效果，并诱导产生长期记忆性 T 细胞。

本研究的第一作者是Yang Zeng，通讯作者是哈佛大学 Wyss 研究所创始核心成员、丹娜—法伯癌症研究所生物化学和分子药理学教授William Shih，他的研究方向是探索自组装分子机器的设计原理，利用 DNA 纳米技术解决生物学和医学问题。

“我们的研究结果表明，DNA 折纸可以作为在疫苗中控制佐剂间隔和共同递送抗原的技术平台。”

▲图 | 左为 William Shih，右为 Yang Zeng

构建 DoriVac 疫苗，可低剂量诱发高效免疫反应

治疗性癌症疫苗的核心成分是抗原，这是肿瘤细胞产生的自身抗原，进入体内后会诱发机体的免疫反应。

不过，大多数情况下，单独这些抗原无法发挥作用，需要在佐剂分子的帮助下激活 APC 的警报信号。APC 会内化抗原和佐剂分子，并将抗原呈递给不同类型的 T 细胞，以此激活 T 细胞反应。癌症疫苗的有效性就取决于其佐剂对 APC 发出“警报”的程度和持续时间。

进一步讲，要达到成功接种疫苗的效果，需要 APC 细胞表达的 Toll 样受体（TLR）等模式识别受体参与激活免疫细胞。一类 TLR 配体是细菌和病毒中含有未甲基化的胞嘧啶-磷酸-鸟苷的 CpG 寡脱氧核苷酸（在此称之为 CpG），抗原呈递细胞中的 TLR9 与 CpG 结合可以增强抗原特异性免疫反应，因此CpG 纳米颗粒被视为一类极具潜力的癌症疫苗佐剂。

CpG 佐剂是由重复的 CpG 核苷酸基序组成的合成 DNA 链，可模仿免疫细胞入侵细菌和病毒病原体的遗传物质，与天然佐剂功能类似。已有研究显示，纳米级的 CpG 间距可以影响受体激活和随后的免疫极化，但是关于优化特定空间排列影响免疫反应的程度、持续时间和极化还有待进一步深入研究。这一点对设计针对癌症或传染病的疫苗至关重要。

“我们从此前的工作中已经了解到，如果引发强烈的炎症反应，TLR9 受体需要二聚化并聚集成与多个 CpG 分子结合的多聚体复合物。结构分析揭示了有效 TLR9 组装体中 CpG 结合域之间的纳米级距离正好落在我们假设的范围内，可以利用呈现精确间隔 CpG 分子 的 DNA 折纸结构验证这一点。”

在此，研究团队构建了 DNA 折纸平台 DoriVac，其核心组件是一种自组装的方形块状纳米结构。方形块的一个面上可以连接着不同数量的高精度可调节的佐剂分子，另一面可以结合肿瘤抗原。试验中设计的 DoriVac 疫苗由三部分组成，即肿瘤抗原、佐剂和载体（递送颗粒）。

▲图 | 采用不同间距的 CpG 佐剂制备了基于 SQB-DNA 折纸的疫苗 DoriVac（来源：上述论文）

在试验中，研究团队利用 SQB DNA 折纸结构比较了不同数量的 CpG 链在方形块的一个面上彼此间隔 2.5 nm、3.5 nm、5 nm 或 7 nm 的效果。与由游离抗原分子组成的对照组相比，DoriVac 疫苗改善了抗原摄取能力，其中 3.5 纳米 CpG 间距的疫苗增强了 Th1 极化免疫应答；另一方面，通过 DoriVac 同时呈递抗原和佐剂强烈会刺激 DC，并通过增加 MHC I 交叉呈递改善 CD8 T 细胞活化。

除了间距之外，DoriVac 疫苗中 CpG 分子的数量也很重要。研究小组，测试了含有 12 至 63 个最佳间隔 CpG 分子的疫苗，发现 18 个 CpG 分子激活 APC 的效力最佳，肿瘤杀伤作用最为明显。这意味着这种方法能够以最少的佐剂量引发有效的免疫反应，从而最大限度减少佐剂常见的毒副作用。

更通用的疫苗平台，已成立公司转化

在新闻稿中，研究人员指出，探索 DoriVac 作为疫苗潜力非常关键的一点是，将体外试验成果转化到肿瘤小鼠体内。

在试验中，研究团队首先通过体内荧光成像评估疫苗进入体内的生物分布。当 CpG 间距为 3.5 nm 且 数量 18 个 CpG 分子（CpG2 组）时，DoriVac 疫苗可以显著增强 DC 活化和 CD8+T 细胞活化，且该小组只有 1 只小鼠死亡，与其他组相比寿命更长。DoriVac 疫苗还抑制了已经形成黑色素瘤的小鼠体内肿瘤的生长，CpG2 组抑瘤效果最好，这表明 DoriVac 在小鼠中具有预防侵袭性黑色素瘤的作用。

（来源：哈佛大学 Wyss 研究所）

接下来，研究小组探索了 DoriVac 疫苗是否也可以增强黑色素瘤小鼠中出现的少量“新抗原”诱导的免疫反应。新抗原是理想的癌症靶标，该团队用四种新抗原定制的 DoriVac 疫苗能够显著抑制产生新抗原小鼠体内肿瘤的生长。

最后，研究人员探索了 DoriVac 是否可以与免疫检查点疗法协同作用。在小鼠模型中，两种疗法相结合使得黑色素瘤完全消退，并在四个月后再次暴露于相同的肿瘤细胞时阻止这些肿瘤细胞重新生长。这表明，这些动物已经建立了对肿瘤细胞的免疫记忆。

此外，研究小组在淋巴瘤小鼠模型中获得了类似的疫苗接种效率。这项研究结果表明，由于DoriVac 平台能够产生强效持久的 CD4 和 CD8 记忆 T 细胞反应，该平台不仅可以应用于多种癌症，还可以扩展到癌症之外，用于设计传染病疫苗。

“我们认为，DoriVac 在确定佐剂递送的最佳点以及增强偶联抗原的递送和效果方面的价值为更有效的临床癌症疫苗铺平道路，也为设计疫苗开辟了全新的方法。我们目前正在将 DoriVac 平台转化到临床应用中。”Yang Zeng说。

（来源：哈佛大学 Wyss 研究所）

Yang Zeng继续解释道，我们设想将患者特异性抗原/新抗原快速装载到预制、含有佐剂的 DNA 折纸上，高效设计个性化癌症疫苗，并寻求与 FDA 批准的免疫检查点抑制剂联用。

事实上，Yang Zeng等已经成立了一家新公司 DoriNano 推进这项研究的转化工作，这家哈佛大学 Wyss 研究所衍生的公司正在利用 DNA 折纸纳米粒子作为递送平台开发联合免疫疗法。Yang Zeng 已作为创始人兼首席执行官全职加入这家位于波士顿的初创公司，她在西安交通大学获得临床医学学士，并在清华大学获得细胞生物学博士学位，后续在哈佛医学院从事博士后研究。

素材来源官方媒体/网络新闻

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