中科院过程工程所马光辉院士、魏炜研究员团队 Nature: 开发新型干粉吸入式疫苗研制平台技术

为进一步验证效果，研究人员利用该平台技术制备出新冠疫苗，即利用生物正交系统将病毒抗原正确展示于黏膜佐剂蛋白自组装形成的纳米颗粒表面（ R-CNP），进一步封装于聚乳酸-聚乙醇酸共聚物（PLGA）多孔自愈合微球（M）内部，随后经冷冻干燥制成干粉剂型（R-CNP@M）。单次吸入后，在小鼠、仓鼠及非人灵长类动物上实现了诱导快速、长期和高效的“黏膜-体液-细胞”三重免疫应答。随后，研究人员与中国医学科学院医学生物学研究所研究员和占龙团队开展合作，模拟真实传播场景，构建了空气传播保护模型、密切接触保护模型、空气传播阻断模型，证明单剂干粉吸入疫苗均高效阻断了病毒的侵染与传播。此外，鉴于该体系的纳微颗粒组分分别采用了天然蛋白和已批准的高分子材料，并且疫苗的有 效性和安全性已在非人灵长类动物上进行了系统性研究，因此具备临床转化潜力。

研究介绍

该疫苗将包含显示SARS-CoV-2 RBD抗原的蛋白霍乱毒素B亚基（CTB）的组装纳米颗粒封装在最佳空气动力学尺寸的微胶囊中，这种独特的纳-微耦合结构支持有效的肺泡递送、持续的抗原释放和抗原呈递细胞摄取，这是诱导免疫应答的有利特征。

图1. 下一代新冠肺炎疫苗

      气道输送的疫苗通常以鼻喷雾剂的形式施用到上呼吸道（URT），或者通过吸入气雾剂通过口腔到达下呼吸道（LRT），绕过URT。 尽管雾化疫苗可以通过鼻腔输送，但它们可以扩散到动物大脑的一部分（嗅球），因此如果用于人类，会带来潜在的安全问题。除了少数正在开发用于吸入气雾剂输送的 COVID-19 候选疫苗外，大多数临床开发中的疫苗都是基于病毒载体系统并通过鼻子输送。所有这些都是液体配方，需要冷链进行运输和储存。

      为了满足这一冷链要求， 研究人员使用基于肽的纳米颗粒制作了一种针对冠状病毒刺突蛋白的疫苗，这些纳米颗粒被封装在直径达 4 微米的多孔球体中。  作者使用冷冻方法生产了在室温下稳定的干粉形式的疫苗。他们通过口腔将其给予小鼠、仓鼠和非人类灵长类动物，动物将其吸入肺部的末梢气道（称为细支气管的小气道分支和称为肺泡的气体交换囊）。用于疫苗配方的微球结构延长了免疫系统对称为抗原的 SARS-CoV-2 刺突片段的可用性。

      已经证明，干粉注射剂在室温下至少可以保持一个月的稳定性，但有必要确定这种稳定性在室温及以上温度下能持续多久，以及疫苗的降解如何影响免疫效力。 除了安全考虑之外，鼻内疫苗和吸入气雾剂疫苗的不同之处还在于它们的分布部位以及组织中产生免疫力的部位。 鼻内疫苗分布和粘膜免疫仅限于 URT，而吸入将疫苗沉积在 LRT 中，从而在整个肺部主要气道中产生粘膜免疫。 因此，通过口腔吸入气雾剂递送是呼吸道粘膜免疫途径的优选方法。

图2. 可吸入疫苗的构建和肺部递送评估

     已经在动物模型中显示，并且在临床上有充分记录，递送至 LRT 的病毒载体疫苗可诱导强大的保护性粘膜免疫， 其中包括抗体、称为 T 细胞的免疫细胞以及来自免疫先天分支的“训练有素”的防御系统（训练有素的先天免疫）。目前尚不清楚该研究开发的疫苗类型是否会诱导经过训练的先天免疫。即便如此， 基于蛋白质的制剂可以在需要时重复施用。相比之下，病毒载体疫苗不能重复使用 ，因为针对病毒载体疫苗的病毒骨架的预先存在的免疫力可能会在使用相同类型的疫苗重复免疫后削弱其效力。

      将原始（祖先）SARS-CoV-2型刺突抗原的受体结合部分包装到疫苗纳米颗粒中。单剂吸入后，将疫苗沉积在LRT中，并诱导抗体和T细胞，在动物模型中对严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型感染提供有效保护。它还显著阻断了仓鼠模型中宿主间的病毒传播。

     为了潜在地扩大疫苗对新出现的SARS-CoV-2变异株的有效性，作者证明了将祖先和奥密克戎变异株病毒的刺突抗原包装到疫苗中的可行性，但没有评估其保护效力。然而，频繁更新疫苗中的刺突抗原可能不是新毒株出现的可行解决方案，因为SARS-CoV-2进化迅速，从而避开了抗体的靶向。在这方面，T细胞免疫对新冠肺炎保护的关键作用越来越得到认可。 因此，至关重要的是，在下一代疫苗设计中不仅包括刺突抗原，还包括来自病毒内部区域的抗原，这些抗原已知在基因上更稳定和进化上更保守，以增强产生的T细胞免疫的强度和广度。

图3. 疫苗在食蟹猴中的表现

      临床上评估用于呼吸道粘膜递送的基于蛋白质的候选载体比基于病毒的候选载体更少的一个原因是，疫苗配方中需要包括免疫兴奋剂（佐剂）。注射疫苗中的许多佐剂不适合用于呼吸道免疫。 研究人员将一种名为CTB的无毒细菌蛋白作为佐剂 。CTB已被安全地用于口服人类霍乱疫苗，但有必要查明它在被人类吸入时是否安全有效。鼻内给药后，在小鼠的嗅球中观察到CTB佐剂疫苗。一些临床试验的人类参与者在接受含有不同类型细菌毒素（LKT63）作为佐剂的鼻内疫苗后，患上了一种短暂型面瘫（Bell’s麻痹）。

图4. 疫苗的免疫学评估和抗SARS-CoV-2传播的性能

     现在是开发下一代疫苗的时候了，这种疫苗不仅可以输送到呼吸道，不仅可以对抗SARS-CoV-2，还可以对抗其他感染。将该研究开发的有前景的候选药物从试验台转移到临床试验将是向前迈出的关键一步。到目前为止，很少有临床新冠肺炎疫苗试验评估呼吸道免疫后LRT的粘膜免疫诱导。未来的试验需要通过使用支气管镜对LRT的免疫细胞进行采样，并在血液中寻找与呼吸道粘膜免疫相关的生物标志物来填补这一空白。此外，还需要考虑可吸入的基于蛋白质的纳米颗粒疫苗的递送设备、可扩展性和可负担性。

     该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家重点研发计划、北京市自然科学基金等项目大力支持。该工作还得到了中国食品药品检定研究院、北京化工大学生命科学与技术学院、首都医科大学附属北京佑安医院、北京科兴中维生物技术有限公司、昆士兰大学医学院等单位的支持。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06809-8