自2019年底由SARS-CoV-2感染引起的2019年全球冠狀病毒病（新冠肺炎）大流行開始以來，各種針對該疾病的疫苗已經研發并上市。然而，這些疫苗的應用并沒有完全限制大流行的傳播，流行病學調查中發現的抗體水平顯示，持續時間有限，對病毒變種的效力較低。這些發現表明，SARS-CoV-2與宿主免疫系統之間的相互作用在很大程度上是未知的，需要開發新的疫苗。幸運的是，基于脂質納米遞送系統的成功開發，mRNA疫苗的突破提供了新的技術可能性。脂質納米顆粒（LNP）通過人工脂質膜和細胞質膜的融合將編碼抗原的mRNA遞送到細胞中，導致病毒刺突蛋白（S蛋白）抗原在細胞中的有效表達，并誘導隨后的S抗原呈遞，以通過樹突狀細胞（DC）和巨噬細胞激活先天/適應性免疫。
根據病毒免疫學研究，在宿主免疫應答的抗原信號刺激的第一個事件中，在細胞中病毒復制期間產生的結構和或非結構抗原可以被先天免疫系統的細胞模式識別受體識別。這意味著mRNA具有通過這種自然免疫途徑引發免疫反應的優勢；其策略在某種程度上類似于膜性病毒SARS-CoV-2的感染機制，盡管活病毒通常利用病毒膜中的S蛋白與細胞膜中的ACE2受體特異性結合，進行病毒基因組內化。因此，當包裹mRNA分子的脂質遞送顆粒表面負載S蛋白時，這些脂質顆粒可能具有能夠通過受體靶向細胞的病毒樣結構（VLS）。特別是，發現SARS-CoV-2的S蛋白與在DC和巨噬細胞表面表達的ACE2或DC-SIGN受體相互作用。這些發現導致了一個合理的推論，即如果能夠構建所提出的VLS系統，它不僅會與肌肉細胞或注射局部組織的上皮細胞相互作用，還會與攜帶ACE2受體或DC-SIGN的先天免疫細胞（例如DC和巨噬細胞）相互作用。此前，有報道稱，一種可吸入納米疫苗具有模仿病毒遺傳物質的仿生冠狀病毒結構，由脂質體包裹，脂質體表面負載S蛋白的受體結合域（RBD）作為“刺突”，以模擬病毒結構，這表明VLS的可能性。
成果簡介
鑒于此，威瑞生物科技（昆明）有限責任公司李琦涵、馬開利等研究人員設計一種VLS顆粒來包裹mRNA分子和負載蛋白質，并研究其免疫特性，特別是其通過表面S1蛋白特異性結合DC和巨噬細胞上的DC-SIGN在小鼠模型中引發免疫反應的能力。所獲得的數據表明，與常規mRNA疫苗相比，這種通過VLS結構將mRNA特異性遞送到DC中的策略非常重要。
圖|VLSs疫苗與宿主免疫系統相互作用并引發小鼠免疫反應的推測機制
VLSs的表征
研究人員設計了一種新型脂質納米顆粒（LNP）載體，用于同時攜帶mRNA和蛋白質，以開發針對SARS-CoV-2 XBB.1變異株的疫苗。LNP由兩種陽離子脂質、一種中心磷脂和一種聚乙二醇（PEG）分子組成，通過微流控技術制備，具有典型的mRNA疫苗特征。實驗結果表明，LNP能夠劑量依賴性地將mRNA遞送到細胞中，并表達出S1重組蛋白。通過電子顯微鏡觀察，發現S1蛋白的裝載過程不可逆，形成的病毒樣結構（VLS）表面有凸起，與單獨的LNP-mRNA不同。加入特異性S抗體后，VLS通過抗體橋接聚集。免疫沉淀分析顯示，沉淀的VLS包含mRNA分子和S1蛋白。這些數據支持VLS顆粒在設計模型中的使用。
圖|VLSs和LNPs的表征
VLSs 促進細胞轉染并靶向 ACE2/DC-SIGN 分子
研究人員比較了mRNA疫苗的LNPs與VLSs在mRNA遞送能力上的差異，發現VLSs在表面裝載蛋白后能提高mRNA的遞送效率。VLSs通過S1蛋白與細胞表面的ACE2或DC-SIGN分子結合，可能實現對表達這兩種受體的局部組織細胞的靶向。實驗結果顯示，VLSs不僅能有效轉染293細胞，還能在16HBE和THP-1細胞中增強mRNA表達，并通過特異性抗體的加入恢復表達。這些增強的表達可能源于S1蛋白與ACE2或DC-SIGN的相互作用。此外，特異性抗DC-SIGN抗體的處理干擾了VLSs mRNA在THP-1細胞中的表達，表明VLSs通過S1與ACE2和DC-SIGN受體的相互作用，將mRNA遞送至人巨噬細胞。在小鼠DCs和RAW264.7巨噬細胞中也觀察到類似的結果，表明VLSs與ACE2或DC-SIGN受體的相互作用可能參與了先天免疫的激活。這些發現為開發新型mRNA疫苗提供了重要信息。
圖|VLSs通過S1蛋白靶向ACE2/DC-SIGN分子，增強細胞轉染以實現mRNA遞送
用 VLSs 免疫小鼠引發了免疫信號傳導的差異
本研究探討了VLSs（病毒樣結構）在細胞中引起的免疫激活反應，與mRNA疫苗的LNPs（脂質納米顆粒）相比，VLSs通過S1蛋白與受體結合，可能降低其活性。實驗結果顯示，在16HBE細胞中，VLSs處理后某些與天然/適應性免疫激活有關的分子表達量增加；在THP-1細胞中，免疫調節因子表達增加，而炎癥介質如腫瘤壞死因子（TNF）表達減少。在小鼠DCs的JAWSII株中，包括TNF和GATA-3在內的分子表達量減少，而干擾素（IFN）表達量增加。在RAW264.7小鼠巨噬細胞中，免疫調節因子和炎癥因子的轉錄譜呈現溫和且平衡的上調。有趣的是，上皮細胞中IFN的上調表達與DCs和巨噬細胞中相似。這些結果表明，VLSs在天然免疫中可能具有與mRNA/LNPs不同的免疫激活作用，并支持我們的假設：S1蛋白在VLS表面的效應不僅促進mRNA的遞送，還可能激活DCs中的DC-SIGN信號通路。
圖|用LNPs和VLSs轉染的細胞中免疫學基因的轉錄
VLSs 在小鼠中引發了更強烈的免疫反應
研究人員調查了VLSs與免疫系統的相互作用。研究發現，VLSs攜帶的mRNA在小鼠局部組織中表達，類似于mRNA疫苗。VLSs組小鼠的S1抗原與DCs或巨噬細胞的共定位率高于單獨mRNA或蛋白組。VLSs組小鼠脾臟中成熟DCs的比例和特異性記憶T細胞的比例也更高，表明VLSs通過S1蛋白與DC-SIGN受體結合，增強了DCs的激活效率和T細胞的激活。此外，VLS預處理的DCs在注射后21天的抗體滴度也更高。免疫后24-48小時，VLS疫苗注射的小鼠局部組織中與DCs和巨噬細胞激活相關的分子表達增加。免疫后不同時間點收集的淋巴細胞轉錄組分析顯示，VLS組與mRNA和蛋白組相比具有不同的免疫反應特征。這些結果表明，VLSs可能通過特定的受體結合和mRNA表達，激活免疫系統，與mRNA或蛋白疫苗相比，具有不同的免疫激活機制。
圖|VLSs在小鼠中誘導的先天免疫反應
圖|VLSs在小鼠中誘導的適應性免疫反應
在用 VLSs 免疫的 ACE+/+ 小鼠中激發了有效的免疫保護
研究人員還比較了VLS疫苗與現有mRNA疫苗的免疫效果。結果表明，VLS疫苗在小鼠中誘發了更強的免疫反應，對Omicron株S抗原的抗體水平遠高于單獨mRNA或蛋白疫苗，且維持超過八個月。VLS疫苗還能誘導對其他變異株的免疫反應，并產生高水平的中和抗體。此外，VLS疫苗免疫后小鼠的IgA分泌水平增加，活化B細胞比例更高，T細胞反應也更強。血清細胞因子分析顯示，VLS疫苗組的細胞因子水平低于mRNA或蛋白疫苗組。這些結果表明，VLS疫苗通過激活先天免疫，可能誘發與現有mRNA或蛋白疫苗不同的免疫反應。
圖|VLSs對C57-hACE+/+小鼠中Omicron BA.5和XBB.1株挑戰的效果
小結
在COVID-19大流行期間，mRNA疫苗技術推動了疫苗研究的新發展。本研究基于此技術，開發了一種新型的VLS疫苗，通過結合mRNA和蛋白，利用特定的脂質系統進行包裹。VLS疫苗表面攜帶的S1蛋白能夠與細胞表面的ACE2/DC-SIGN受體結合，促進mRNA的有效遞送和抗原表達。與現有mRNA疫苗相比，VLS疫苗在小鼠中誘發了更強的免疫反應，包括更高的抗體水平、更強的T細胞反應以及特異性IgA的分泌。此外，VLS疫苗還能誘導更有效的保護性免疫，對抗不同變異株。這些結果表明，VLS疫苗可能通過激活先天免疫和促進抗原呈遞，誘發更全面的免疫反應。盡管VLS疫苗顯示出良好的應用前景，但其與細胞相互作用的具體機制和免疫過程仍需進一步研究。
參考文獻：
Zhang, J., Li, Y., Zeng, F. et al. Virus-like structures for combination antigen protein mRNA vaccination. Nat. Nanotechnol. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01679-1
