紅細胞占人體細胞的80％以上，起著向組織輸送氧氣的主要功能。除氧氣運輸外，紅細胞還具有多種與免疫學高度相關的附加功能。例如，一旦達到其自然壽命，衰老的紅細胞在脾臟中以非炎癥途徑被吞噬。這一獨特的機制已經被巧妙地開發用于自身免疫性疾病和減少抗藥物抗體產生的抗原耐受性。具體地說，附著在紅細胞膜上的抗原肽與衰老的紅細胞一起被捕獲在脾臟中，由于紅細胞固有的捕獲的非炎性途徑，因此對抗原產生了耐受性應答。
近來，紅細胞涉及到另一種有趣的、相反的先天免疫功能。具體而言，它們捕獲循環的免疫復合物和細菌在其表面上，并將其交給肝臟中的庫普弗細胞和脾臟中的專業抗原呈遞細胞（APCs），而不會捕獲載體紅細胞。血液中的細菌物種（如葡萄球菌和丙酸桿菌）由于靜電吸引而附著在紅細胞膜上，并通過載體紅細胞的oxycytosis（氧化攝取）作用而被殺死。此后，紅細胞將其移交給肝臟和脾臟中的細胞，而不會被隔離。雖然尚不清楚APCs選擇性攝取貨物的確切機制，但細菌性貨物誘導的瞬時膜改變與紅細胞和APCs之間串擾增加有關。
分子附著在紅細胞上已被用于多種生物醫學應用。一系列的有效載荷，包括蛋白質、治療藥物和納米顆粒被附著在紅細胞表面或包裹在紅細胞內，用于各種治療應用。通過化學結合、與特定受體（如糖蛋白A）結合、分選或被動吸附，將貨物附著到紅細胞表面，而不會損害其氧轉運的生理功能。以前所有的紅細胞搭便車的方法都是基于對載體紅細胞的最小擾動誘導，這導致紅細胞的循環延長或在注射后被捕獲在毛細血管內皮中。
成果簡介：
鑒于此，美國兩院院士、哈佛大學教授Samir Mitragotri等人利用紅細胞固有的獨特能力在脾臟中呈遞抗原，從而開發出仿生策略來產生針對抗原的細胞和體液免疫反應（圖1）。即研究人員設計了一個搭便車系統，誘導附著的納米顆粒主要輸送到脾臟而不是肺部，從而實現細胞免疫和體液免疫，這一過程稱之為紅細胞驅動的免疫靶向（EDIT）。相關成果發表在國際頂級期刊PNAS上。
示意圖
整體合成步驟
研究人員選擇卵清蛋白（OVA）作為模型抗原，并使用EDC化學方法將其覆蓋在200 nm聚苯乙烯羧酸鹽（PS-COOH）的表面上，以生成附著在紅細胞上的蛋白質封端的納米顆粒（NP）。所有顆粒都是單分散的，并且能很好地被樹突狀細胞內化，且可以活化樹突狀細胞。
納米顆粒的搭便車通過兩個物理步驟來實現：納米顆粒吸附在紅細胞表面以引發接觸，以及膜在納米顆粒周圍的擴散以增強粘附強度。其中任何一個都是不夠的。如果納米顆粒不與紅細胞接觸，粘附就不會啟動；如果膜擴散受到抑制，則粘附力較弱，納米顆粒在洗滌過程中會脫落。在附著過程中引入競爭蛋白（血清）基本上抑制了搭便車。
圖|蛋白質封端的納米顆粒的表征
多顆粒致硬而耐剪切
傳統上，紅細胞搭便車被用于肺靶向應用，因為肺毛細血管中拉伸的紅細胞所經受的剪切應力能夠將肺部的顆粒物去除。這使得將貨物運送到脾臟具有挑戰性。改變納米顆粒從肺到脾的分布的主要因素是納米顆粒與紅細胞的初始投料比。調節這一參數有助于改善肺部的剪切阻力，從而允許較小比例的納米顆粒在肺部分離，并使更多的納米顆?？捎糜谄渌胤降陌邢?。同時，紅細胞膜的輕微改變使脾臟成為天然靶點。
體外剪切研究表明，增加NP：紅細胞飼料比可以顯著減少剪切誘導的脫離。更高的NP：紅細胞飼料比的高納米顆粒密度可能是這種抗剪切性能提高的原因。高負荷的紅細胞更加堅硬，從而抵抗肺毛細血管的生物力學拉伸，從而減少肺的積聚。該系統通過控制飼料中NP：紅細胞比率和評估磷脂酰絲氨酸上調的暫時性損傷來實現這一特性。磷脂酰絲氨酸上調被認為可以促進樹突狀細胞與紅細胞的相互作用。
紅細胞膜繼續循環！
基于NP：紅細胞比例對體外剪切阻力和瞬時磷脂酰絲氨酸表達的影響，選擇了最佳的NP：紅細胞比例為300：1。本研究的顆粒僅遞送至脾臟，而紅細胞繼續保持循環，表明對紅細胞膜的損害是暫時的，足以進行脾臟的移交，但不會使紅細胞本身被隔離。吞噬細胞耗竭研究表明，脾臟中的顆粒并不位于吞噬細胞內，這表明它們存在于APCs中，可用于免疫調節。
圖|工程化納米粒子-紅細胞-搭便車參數以實現脾臟靶向
強大體液和細胞免疫反應
為了對體液和細胞免疫應答進行治療性評估，在給予治療并監測治療結果后，分別接受了OVA挑戰。因此，通過這些實驗的設計，研究人員能夠追蹤對預防性疫苗接種的記憶反應。體液和細胞免疫反應顯示出強大的疫苗接種潛力，與游離納米粒子相比，EDIT抗體滴度高3倍，抗原經歷的中央記憶T細胞高2.2倍，調節性T細胞低2.5倍。此外，通過酶聯免疫吸附測定（ELISA）（針對抗OVA IgG抗體）和特異性細胞殺傷測定（針對脾細胞的細胞毒性）評估了結果，表明這些反應具有高度特異性。
圖|納米粒子脾臟移交的免疫學結果
優于CpG
作為概念的證明，由EDIT產生的免疫反應已成功用于預防模型中的治療反應。EDIT介導的免疫能夠通過增加癌癥免疫周期的平衡階段來顯著減慢腫瘤的生長，其表現與外來佐劑CpG一樣好，從而增加了治療干預的范圍。在CpG和EDIT的策略之間可以注意到一些差異。與非天然分子CpG不同，此處的RBC是體內的天然細胞類型。此外，CpG通常與疫苗混合，從而使其從注射部位擴散開。相反，只有當納米顆粒附著在受擾動的紅細胞上時，EDIT才有效。最后，研究證實EDIT可以合并200 nm PS以外的納米顆粒，包括不同尺寸的納米顆粒、合成材料或生物材料。
圖|搭車納米顆粒疫苗免疫調節的治療擴展
小結：
基于人體“自我”細胞的無佐劑療法代表了推動疫苗研發的獨特方式。雖然未來的研究可以集中于理解EDIT與其他佐劑之間的異同，但其他佐劑的可用性，尤其是基于自身的佐劑，如受干擾的紅細胞，可能會極大地有益于從事佐劑和疫苗研究的科學界。
綜上所述，已經開發了一種仿生策略，該策略利用了紅細胞的先天免疫功能來設計有效的納米顆粒向脾臟的轉移。從根本上講，它代表了將納米顆粒輸送到脾臟的另一種途徑，該途徑不涉及對納米顆粒本身的大量修飾。EDIT進行的納米粒子傳接導致強大的免疫記憶，可以驅動治療反應。通過進一步的研究和進行更具體的免疫學研究，該平臺可以用作一種通用策略，無需經過特殊修飾即可將幾種現成的納米粒子靶向脾臟。
值得注意的是，今年4月份，Mitragotri課題組為巨噬細胞背著一個可以分泌細胞因子的“背包”顆粒，使得巨噬細胞在到達腫瘤部位后，可以保持殺死腫瘤的狀態長達5天，并已經發現在具有侵襲性乳腺癌的小鼠中可以減緩腫瘤生長和減少轉移，相關成果于發表在4月29日發表在Science Advances上。（深度解讀）
圖自Science Advances
參考文獻：
AnvayUkidve el al., Erythrocyte-driven immunization via biomimicry of their naturalantigen-presenting function, PNAS (2020).
https://doi.org/10.1073/pnas.2002880117
