国家纳米中心丁宝全Nature Materials：DNA纳米疫苗，为癌症免疫治疗提供新思路！

NanoLabs

2020-09-09

理想的抗癌免疫疗法是通过控制免疫系统来有效地消灭恶性细胞。然而，癌症疫苗的抗肿瘤效果仍然不高，部分原因是抗原和佐剂没有足够的运输到免疫反应在时空上协调的地方。另一个主要障碍是，在所需的作用部位进行可控地释放这些功能元件。尽管在这一领域已经取得了一些进展，但有效地提供精确剂量和按需释放的疫苗是非常具有挑战性的。

基于可编程分子系统的结构明确的递送平台的开发，为癌症疫苗接种提供了巨大的潜力。一种最新发展的方法是合理设计和生产DNA纳米结构，使其具有可控的尺寸、形状和刺激响应的机械重构，作为精确分子传递的平台。

成果简介

鉴于此，国家纳米科学中心丁宝全等人描述了一种利用基于DNA的纳米技术来引发针对癌症治疗的强大的肿瘤特异性免疫应答的策略。即设计了一种DNA机器纳米结构，既可以保护抗原/佐剂有效载荷免受细胞外核糖核酸酶的干扰，又可以介导其有效转运至引流淋巴结（dLNs）。成果以题为“A DNA nanodevice-based vaccine for cancer immunotherapy”发表于Nature Materials上。

杂交载入货物和pH响应锁

研究人员制备了一个矩形的DNA折纸结构，然后在预定位置延伸三种不同的捕获链，以进行载不同的货物。

1）对抗原进行DNA修饰，然后与绿色的捕获链进行DNA杂交组装到矩形折纸上。

2）选择了长度和分子量确定的dsRNA序列（TLR3激动剂）作为佐剂1，可识别DNA矩形上的捕获链（蓝色）并与之杂交。

3）还设计了一个包含三个CpG基序（TLR9激动剂）作为佐剂2的环结构，可与DNA矩形上的延伸捕获链（橙色）杂交。

最后为了屏蔽抗原和佐剂，然后在矩形边上加了一个DNA锁链，根据特定的pH范围执行锁定和解锁功能。

图|抗原/佐剂功能化的DNA纳米器件疫苗的设计和表征

所以，抗原（肽）和toll样受体（TLR）激动剂（双链RNA（dsRNA）和CpG-DNA）以精确控制的成分排列在DNA纳米器件上。当定位在dLN抗原呈递细胞（APCs）内时，由于共组装pH响应性DNA锁，纳米器件在其亚细胞功能部位被触发以机械地暴露抗原和佐剂，从而导致TLR通路激活和抗原肽呈递。

图| DNA纳米器件用于有效的癌症免疫治疗的示意图

触发纳米器件的打开并增强APC激活

荧光标记和AFM测试结果表明纳米器件可响应pH而打开。接下来，研究了打开的纳米器件和纳米管装配方在体外对APC激活、DC激活以及抗原呈递的影响。实验数据表明，纳米器件促进了抗原/两种佐剂的胞内传递，机械地暴露内体中的有效负载以促进体外APC成熟和抗原呈递。

图|纳米器件疫苗向APCs的传递及触发激活

体内dLN靶向和抗原特异性CTL反应

在评估体内淋巴递送效果实验中，体内淋巴结成像表明，在注射后24 h内，纳米器件在dLNs中积累的效率是游离CpG链的约5倍，表明该纳米器件促进了疫苗向dLNs的体内递送。且与物理混合物组相比，用纳米器件处理的小鼠的dLNs中CD80和CD86阳性DC的数量增加，OVA肽（SIINFEKL）呈递DC的百分比也相对高。此外，两次剂量的纳米装置疫苗接种引起的抗原特异性CD8⁺ T细胞富集度比物理混合组高45倍，可诱导了最高的OVA特异性脾细胞杀伤率（约75％），比物理混合物组引起的CTL反应高约30倍。这些结果表明，DNA纳米器件有效地靶向淋巴组织，以诱导强大的肿瘤抗原特异性CTL反应。

图|纳米器件的淋巴结靶向性及体内CTL反应的激发

抑制肿瘤生长和转移

体内抑制肿瘤生长实验中，纳米器件疫苗接种产生了最大的治疗效果，并导致小鼠体内不同程度的肿瘤消退，其中60％的动物存活超过40天。在肺部肿瘤转移实验中，用纳米器件进行两次免疫后，肺组织中没有可观察到的转移灶。

图|纳米器件疫苗抑制肿瘤生长，提高荷瘤小鼠的存活率

110天后还能继续特异性保护！

另外，在已经消除了B16-OVA肿瘤的小鼠体内重新植入B16-OVA和B16F10肿瘤细胞，这时已经距离第一次接种癌细胞有110天了，观察到这些小鼠中有100％拒绝了重新接种的B16-OVA细胞，而B16F10肿瘤会随着时间逐渐形成，这表明纳米器件提供的保护是OVA特异性免疫应答，而且可以产生针对特定肿瘤抗原的持久免疫记忆。

图|纳米器件疫苗抑制肿瘤转移和复发

小结

综上所述，该课题组开发了一种基于DNA纳米器件的癌症免疫治疗疫苗，以有效抗击肿瘤生长、转移和复发。该DNA纳米器件疫苗以惊人的但可控制的免疫原性精确组装抗原和佐剂，减少了由于非特异性递送TLR激动剂而引起的不良反应。

可以通过大量生产DNA折纸结构来大大降低折叠式DNA纳米器件的成本，从而可以进行未来的临床研究。该DNA纳米器件可能会激发更多纳米平台的设计，以有效地共同递送和控制释放多种治疗性货物，从而实现安全有效的联合治疗。刺激响应性纳米器件系统也可以为生产个性化的癌症疫苗开辟一条道路。

参考文献：

Liu, S., et al. A DNA nanodevice-based vaccine for cancer immunotherapy. Nat. Mater. (2020). 

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0793-6

简介：

丁宝全，2000年毕业于吉林大学化学系获学士学位。2006年9月在美国纽约大学化学系获博士学位，导师Nadrian C. Seeman 教授。其后在美国劳伦斯伯克利国家试验室进行博士后研究，合作者为 Jeffrey Bokor 教授。2009年10月到2010年10月在亚利桑那州立大学作研究助理教授，合作者Hao Yan教授。2010年11月进入国家纳米科学中心，被评为博士生导师。

研究工作包括：

1）核酸及多肽等生物大分子自组装体系，包括DNA自组装结构的合理设计及其与多种纳米材料复合结构的可控制备与性能研究。

2）可控组装复合生物纳米材料的功能探索，包括药物递送、生物催化及纳米光子电子学等领域的应用。