癌细胞重组成纳米疫苗可有效预防(100%)和治疗(25%)多种癌症

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苏州大学药学院药剂系刘密作为通讯作者在Advanced Materials在线发表题为“Immunotherapy and Prevention of Cancer by Nanovaccines Loaded with Whole-Cell Components of Tumor Tissues or Cells” 的研究论文 (Featured),发明了一种所有类型癌症可以通用的预防性和治疗性癌症疫苗的制备方法。该方法将癌细胞或肿瘤组织全细胞组分通过PLGA纳米粒重新组装成纳米级的纳米疫苗。所制备的纳米疫苗对肺癌和黑色素瘤预防痊愈率为100%和70%。并可有效治疗黑色素瘤和三阴性乳腺癌。刘密课题组已为该纳米疫苗的制备方法、相关疫苗系统和药物剂型系统申请了10余项国际和国内发明专利。后续相关研究成果正在投稿中。
本论文也被列为药物递送领域的热点话题(Hot topic in drug delivery). https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1002/(ISSN)1860-7187.hottopic-drugdelivery

癌症疫苗是癌症免疫治疗和预防的主要手段之一。癌细胞和肿瘤组织内含有各种癌症特异性和癌症相关的突变和新生抗原(Neo-antigens),所以癌细胞和肿瘤组织本身尤其是癌细胞和肿瘤组织全细胞组分是最好的抗原库,也是制备预防性和治疗性癌症疫苗的最佳抗原原料。

最近几年兴起的癌细胞全细胞基因组分析或蛋白质组分析,可以通过与健康细胞比较分析找到某些癌细胞内的突变产生的新生抗原(Neo-antigen),采用这些抗原制备的个体化定制疫苗在临床实验中表现出了不错的治疗效果。但是上述疫苗费时、费力且费钱,而且一个病人只能找到有限的几种新生抗原,并且分析的癌细胞数量有限而肿瘤组织内部癌细胞之间差异性又很大,所以其临床应用和治疗效果受到了一定的限制。
癌症疫苗所负载的癌症抗原种类越多,疫苗能刺激产生的癌细胞特异性免疫反应就会越广泛,疫苗的效果也会越好。虽然癌细胞或肿瘤组织含有所有的癌症新生抗原,是最好的疫苗制备材料,但是由于传统疫苗制备技术的局限,无法制备全细胞组分的癌症疫苗。这主要是由于全细胞组分中除了水溶性组分以外还有很多非水溶性组分,而非水溶性组分无法溶于水和常用有机溶剂的特点使得其无法被负载于疫苗剂型内进行有效的药物递送。而细胞内这些大量的非水溶性组分(如膜蛋白等)中含有很多癌症特异性和癌症相关的突变和新生抗原(Neo-antigens),这就使得传统的疫苗制备方法无法发挥癌症疫苗最大的功效。本研究采用8M尿素增溶癌细胞或肿瘤组织裂解产生的非水溶性组分,并将水溶性组分和非水溶性组分均负载于纳米疫苗中,这样就成功的将癌细胞或肿瘤组织的全细胞组分重组成了纳米疫苗(图1a和b)。

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图 1:(a)将癌细胞或肿瘤组织全细胞组分重组为纳米疫苗的示意图;(b)将癌细胞或肿瘤组织全细胞组分重组为纳米疫苗的制备方案;(c)纳米疫苗引起癌细胞特异性免疫反应的作用机理图。

为了最大程度的增加癌症抗原的负载量,全细胞组分被同时负载于纳米疫苗内部和表面。为了增加疫苗的功效,免疫佐剂被和全细胞组分共负载于纳米疫苗中,这样就极大地增强了纳米疫苗激活抗原特异性T细胞的能力。抗原提呈细胞(APCs)喜欢吞噬纳米级的物质,所以纳米疫苗更容易被抗原提呈细胞吞噬并进而激活癌细胞特异性免疫反应(图1c)。

癌症预防性实验结果表明(图2),本研究所制备的纳米疫苗可以有效的预防小鼠肺癌(100%)和黑色素瘤(70%)。癌症治疗性实验结果发现(图3),纳米疫苗可以有效的治疗小鼠的黑色素瘤和三阴性乳腺癌,并可使部分小鼠(25%)痊愈。而PD-1抗体可将纳米疫苗治疗黑色素瘤荷瘤小鼠的痊愈率提高到40%。此外,二甲双胍也可以进一步提高纳米疫苗的治疗效果。
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图 2:纳米疫苗预防肺癌和黑色素瘤实验结果。(a)小鼠模型中纳米疫苗预防肺癌时,疫苗给药及肿瘤接种时刻表;(b)小鼠模型中纳米疫苗预防肺癌时,肺癌肿瘤生长曲线;(c)小鼠模型中纳米疫苗预防肺癌时,小鼠生存曲线;(d)小鼠模型中纳米疫苗预防黑色素瘤时,疫苗给药及肿瘤接种时刻表;(e)小鼠模型中纳米疫苗预防黑色素瘤时,黑色素瘤肿瘤生长曲线;(f)小鼠模型中纳米疫苗预防黑色素瘤时,小鼠生存曲线。

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图3:纳米疫苗在小鼠模型中治疗黑色素瘤的实验结果。(a)纳米疫苗给药时刻表;(b)和(d)肿瘤生长曲线;(c)和(e)小鼠生存曲线;(f)痊愈小鼠肿瘤二次接种后的肿瘤生长曲线和(g)生存曲线;(h)纳米疫苗与αPD-1联合治疗的给药时刻表;(i)和(k)联合治疗时的肿瘤生长曲线;(j)和(l)联合治疗时的生存曲线。


通过对纳米疫苗免疫化小鼠的T细胞和肿瘤微环境进行分析(图4),研究发现纳米疫苗可以高效诱导肿瘤特异性T细胞,并同时激活针对肿瘤细胞的适应性和先天性免疫反应。荧光多靶点免疫检测分析显示(图5),纳米疫苗通过增加肿瘤微环境中免疫细胞,尤其是B 细胞,的含量等促进了肿瘤部位三级淋巴结构的形成,而最近研究表明肿瘤部位三级淋巴结构的形成对于癌症免疫治疗效果至关重要。此外,纳米疫苗增加了小鼠体内中央记忆性T细胞(Tcm)、效应记忆性T细胞(Tem)和组织驻留记忆性T细胞(Trm)的含量。这样就使得小鼠体内产生了可以识别和杀伤癌细胞的长期免疫记忆。
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图 4:纳米疫苗治疗后小鼠的T细胞和肿瘤微环境分析。(a)对治疗后肿瘤组织进行CD3(T细胞)、CD11c(树突状细胞)、B220(B细胞)、F4/80(巨噬细胞)、CD49b(NK细胞)和DAPI(细胞核)的多重荧光免疫组化检测;(b)对治疗后肿瘤组织进行CD3、CD4、CD8、FOXP3、IFN-γ和DAPI的多重荧光免疫组化检测;(c)对治疗后肿瘤组织进行F4/80、CD163、CD80、PD-1、PD-L1、DAPI的多重荧光免疫组化检测;(d)和(e)纳米疫苗免疫治疗后小鼠的脾脏中的癌细胞抗原特异性CD8+ T细胞和CD4+ T细胞含量分析。


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图5:纳米疫苗治疗后的小鼠黑色素瘤肿瘤微环境中的B细胞聚集以及多种免疫细胞形成的三级淋巴结构。CD3(T细胞)、CD11c(树突状细胞)、B220(B细胞)、F4/80(巨噬细胞)、CD49b(NK细胞)和DAPI(细胞核)。


本研究制备纳米疫苗的步骤简便,可在一天或几天内完成制备(取决于是否需要冷冻干燥)。纳米疫苗制备所使用的PLGA和尿素均为FDA批准使用的药用辅料,制备所得纳米疫苗剂型简单。这些优点使得该纳米疫苗安全性较好,便于临床转化应用。而且由于纳米疫苗剂型简单,这使得其便于生产和生产过程的质量控制。
总之,这项研究发现了一种通用型的癌症疫苗制备方法,可以制造基于癌细胞或肿瘤组织的纳米疫苗,该纳米疫苗可以用于癌症的免疫治疗,预防癌症的发生、复发和转移。

参考文献:
  • Lin Ma, Lu Diao, Zuofu Peng, Yun Jia, Huimin Xie, Baisong Li, Jianting Ma, Meng Zhang, Lifang Cheng, Dawei Ding, Xuenong Zhang, Huabing Chen, Fengfeng Mo,Honglv Jiang, Guoqiang Xu, Fenghua Meng, Zhiyuan Zhong, Mi Liu*, Immunotherapy and prevention of cancer by nanovaccines loaded with whole-cell components of tumour tissues or cells, Advanced Materials, 2021, DOI:10.1002/adma.202104849 https://doi.org/10.1002/adma.202104849 

 

通讯作者简介:

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刘密,苏州大学药学院药剂系教授。2010年北京大学药学院硕士毕业,2014年苏黎世瑞士联邦理工学院 (ETH Zürich)药学院药剂系博士毕业。2014年11月份开始哈佛大学医学院免疫系博士后。2018年12月份加入苏州大学药学院药剂系任特聘教授,博士生导师。主要从事预防性和治疗性癌症疫苗、新冠病毒治疗性中和抗体、mRNA疫苗、益生菌和免疫多靶点检测技术等的研究。曾两次获得哈佛大学医学院Mary K. Iacocca Fellowship,以通讯作者或第一作者在Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Progress in Polymer Science等国际一流杂志发表论文多篇,已申请预防和治疗性癌症疫苗、新冠病毒中和抗体、免疫多靶点检测技术等国际专利和国内专利二十多项。


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本篇文章来源于微信公众号:药时代

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