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程柯团队开发基于外泌体的吸入式新冠疫苗,可诱导粘膜免疫,且室温下稳定

来源:生物世界 2022-07-07 10:25

新冠肺炎(COVID-19)的全球大流行,严重影响人们的生命健康和社会经济发展。在全球范围内,目前至少有36款新冠疫苗在一个及以上的国家获得批准。

新冠肺炎COVID-19)的全球大流行,严重影响人们的生命健康和社会经济发展。在全球范围内,目前至少有36款新冠疫苗在一个及以上的国家获得批准。这些疫苗的绝大多数是通过肌肉注射进行接种,接种后产生在血液中循环的抗体。但新冠病毒(SARS-CoV-2)主要通过飞沫经呼吸道黏膜传播,经肌肉注射的新冠疫苗不一定会引发有效的黏膜反应。

此外,一些新冠疫苗需要低温冷冻状态下才能运输和储存(例如辉瑞/BioNTech和 Moderna生产的mRNA疫苗)。

如果能开发出这样一款新冠疫苗——可以有效刺激粘膜免疫,还能无创或无针接种,并且能在常温下长期稳定,就能弥补当前新冠疫苗的不足。

2022年7月4日,北卡罗莱纳州立大学程柯团队在 Nature 子刊 Nature Biomedical Engineering 发表了题为:Exosomes decorated with a recombinant SARS-CoV-2 receptor-binding domain as an inhalable COVID-19 vaccine 的研究论文【1】。

研究设计了一种基于外泌体(exosome)的可吸入的新冠疫苗,并进行了临床前测试,该新冠疫苗可在冻干后在室温下稳定超过3个月。

该新冠疫苗由与肺源性外泌体结合的重组新冠病毒受体结合域(RBD)组成,能够增强 RBD 在呼吸道和肺部的保留。

在小鼠实验中,该疫苗在小鼠肺部诱导了 RBD 特异性 IgG 抗体、粘膜 IgA 反应以及具有 Th1 样细胞因子表达谱的 CD4+ 和 CD8+ T 细胞,并在新冠假病毒攻击后清除这些假病毒。在仓鼠实验中,接种两剂疫苗能够减轻活新冠病毒攻击导致的严重肺炎并减少了炎症浸润。

因此,该研究开发的这种吸入式、室温稳定的病毒样颗粒(外泌体)疫苗,可作为有前景的新冠候选疫苗。

新冠病毒(SARS-CoV-2)的刺突蛋白(S蛋白)的  S1 亚基中的受体结合域(RBD)与宿主气道上皮细胞的血管紧张素转换酶2(ACE2)受体结合,然后通过 S2 亚基将新冠病毒和宿主细胞膜融合,进而感染宿主细胞。这使得 RBD 成为中和抗体和疫苗的特异性靶标。之前的研究也证实了 RBD 扩展为有效的中和抗体靶点,中和抗体与 RBD 结合能够抑制新冠病毒附着和进入宿主细胞。

然而,单独使用 RBD 并不能实现特定的靶向递送,也不能避免降解或快速清除。RBD 必须通过药物递送载体来保护从而增加其向抗原呈递细胞(APC)的剂量。

病毒样颗粒(VLP)和纳米颗粒(NP)都是强大的药物递送载体。外泌体(exosome)是一种在体内发现的天然存在的细胞外囊泡结构,这使其成为靶向药物递送的天然和理想的递送载体。外泌体内通常携带来自亲本细胞的 RNA、蛋白质和脂质,还表达了来自亲本细胞的表面蛋白和受体蛋白,因此在靶向相同组织的细胞上具有优势。此外,还可以通过对外泌体进行修饰使其表面表达特定的蛋白质或多肽以增强其靶向性。

在这项研究中,程柯团队从人类肺供体中提取了肺球状细胞(LSC),这些细胞的再生能力已在啮齿动物模型中得到证实,并正在人类临床试验(HALT-IPF,人类自体肺干细胞移植治疗特发性肺纤维化)中进行测试。

2020年2月,程柯团队曾在 Nature Communications 期刊发表论文【2】,在特发性肺纤维化(IPF)小鼠模型中证实,肺球状细胞来源的外泌体(LSC-Exo)能够安全有效地促进肺部修复。LSC-Exo 是一种可用于肺部治疗的天然纳米颗粒。

利用 LSC-Exo 和 RBD 的特性,程柯团队将 RBD 结合到 LSC-Exo 上,构建了表面表达 RBD 的外泌体——RBD-Exo,其可作为一种吸入式疫苗,这也是一种模拟病毒形态的病毒样颗粒(VLP)。

与已报道的肌肉注射的新冠疫苗相比,吸入式 RBD-Exo 疫苗,可诱导产生针对新冠病毒的中和抗体,并触发粘膜免疫系统产生抗原特异性分泌型 IgA(SIgA)和 T 细胞反应,并抑制肺上皮细胞对新冠病毒的摄取。

在小鼠实验中,该疫苗在小鼠肺部诱导了 RBD 特异性 IgG 抗体、粘膜 IgA 反应以及具有 Th1 样细胞因子表达谱的 CD4+ 和 CD8+ T 细胞,并在新冠假病毒攻击后清除这些假病毒。在仓鼠实验中,接种两剂疫苗能够减轻活新冠病毒攻击导致的严重肺炎并减少了炎症浸润。

当前的新冠疫苗需要低至 –20 °C 或 –70 °C 的温度进行保存和运输,以确保稳定性。然而,在保存和运输过程中保持这样的低度代价高昂,还需要具有温度控制的专用容器。此外,这些疫苗必须储存在冷冻柜中以保持效力和保质期,而许多社区医院和疫苗接种点没有合适的设施或空间来容纳这些冷冻柜,从而限制了疫苗的分发。因此,室温和可冻干疫苗在室温下稳定,延长了保质期,因此可以降低保存和运输成本,促进疫苗的分发和获取。

总的来说,该研究开发的这种吸入式、室温稳定的病毒样颗粒(外泌体)疫苗,可作为有前景的新冠候选疫苗,值得未来的研究和开发。

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