GSK最新发文|如何开发靶向免疫细胞的mRNA疫苗递送系统？

2024-02-23

疫苗信使RNA

导读：随着对适应性免疫在细胞和分子水平上的认识，靶向免疫细胞的抗原因其可能提高疫苗效力和/或调节免疫反应质量，同时减少脱靶效应，被证明是开发创新、强效疫苗的成功策略。随着mRNA疫苗的发展，近几年已经探索了几种将包裹mRNA的纳米颗粒递送系统靶向免疫细胞（树突状细胞DC）的方法，DC是最有效的抗原呈递细胞，也是B细胞和T细胞免疫的关键介质，被认为是细胞特异性抗原递送的理想靶标。那么如何设计mRNA疫苗递送系统以靶向免疫细胞呢？2023年11月，GSK团队在Front Immunol期刊发表综述文章：《Straight to the point: targeted mRNA-delivery to immune cells for improved vaccine design》。文章汇总了mRNA定向递送免疫系统的潜在特异性靶点、靶向受体-配体类别以及递送系统的研究进展。一、免疫细胞靶向由于常规疫苗（抗原、灭活病原体）开发周期长（5-10年），针对新发和再发疾病的疫苗开发难度大，科学家们致力于探索新的疫苗平台，最近，mRNA疫苗在设计和疗效方面有较大突破，其之所以能脱颖而出，与以下特性有关：1、安全性：mRNA的非感染性和非整合性避免感染或插入诱变的潜在风险。2、稳定性：mRNA疫苗可通过纳米载体（如LNPs）实现体内递送，使其免于降解、快速摄取和细胞质递送，避免抗载体免疫。3、高产量：由于体外转录反应的高产量，mRNA疫苗具有经济高效、可扩展生产的潜力。4、可修饰性：可进行快速修饰调节半衰期和免疫原性特征，用于个性化治疗或紧急适应新出现的病原体。但同时mRNA疫苗具有以下不足：1、潜在的脱靶效应：肌肉注射后，会有少部分到达血流，最终主要进入肝脏和脾脏，出现脱靶效应。2、非特异性：mRNA-LNPs的给药会诱导中性粒细胞、单核细胞和DCs快速和局部浸润到给药部位及引流淋巴结（LNs），但主要是单核细胞和DCs翻译mRNA并上调关键的共刺激受体（CD80和CD86）和细胞因子产生。3、针对某些蛋白（如刺突蛋白）的抗体反应持久性较短，需要连续给予加强剂量以保持对感染的保护。mRNA选择性靶向免疫细胞因可增强免疫应答、减少疫苗使用剂量、增加保护时长、最大程度减少脱靶及副作用的特性，成为解决上述问题的关键技术。而抗原呈递细胞（APCs），尤其是DCs，因其通过启动幼稚T细胞来启动适应性免疫的独特能力成为mRNA靶向递送的候选细胞。研究表明，即使在低抗原剂量下，DC靶向也能增强和加速特异性抗体反应。使用与特定细胞表面的受体特异性相互作用的配体可实现靶向，不同受体的参与会影响所诱导免疫反应的类型，从而获得特定的结果。DCs可表达多种靶向递送疫苗的受体，包括C型凝集素受体（CLRs）、Toll样受体、清道夫受体、趋化因子受体、补体受体和Fc受体等。DC靶向不仅可提高mRNA疫苗的功效，还能扩大其作用的病原体范围。除DC亚群，参与免疫反应的其他细胞类型（如巨噬细胞）也可作为靶标。图1. APC靶向LNP-mRNA作用机制二、靶细胞下表从起源、分布、特征/功能等方面对多种抗原呈递细胞（APC）进行比较：每种APC都有优点和局限性：与pDCs相比，cDCs在抗原呈递和T细胞活化方面更有效；与巨噬细胞相比，DCs因其拥有卓越的抗原呈递及从外周组织迁移到淋巴结的能力而具有更强引发抗原特异性免疫反应的能力，使其在进行靶向递送方面更具优势。最终靶向何种APC还取决于要靶向的病原体或抗原的特征，多种APCs（如DCs和巨噬细胞）的组合可引发协同效应并产生更强大和多功能的免疫反应。三、靶受体免疫反应的类型和程度取决于捕获抗原的环境，包括用于内化的受体。因此，靶向递送平台的成功取决于配体-受体对的正确选择。3.1 C型凝集素（CLRs）受体3.1.1 CLRs的通性CLRs是由1,000多种蛋白质组成的超家族，因其在各种免疫细胞（包括DCs、巨噬细胞和中性粒细胞等）表面大量表达，并在识别自身和非自身抗原、内化、抗原加工、启动免疫反应、调节免疫细胞间相互作用中发挥作用，被作为靶向抗原和mRNA递送的靶标：CLRs具有一个保守的结构基序-碳水化合物识别结构域（CRD），通过与保守的钙螯合结合位点的相互作用来识别病原体（病毒、细菌和真菌）相关的碳水化合物结构，促进识别和吞噬作用；CLRs信号转导可分为两组：第一组通过基于整合免疫受体酪氨酸的激活（ITAM）样基序（Clec-2、Dectin-1）转导细胞内信号，或通过与携带ITAM的FcRγ接头分子（Dectin-2、Mincle、BDCA-2）结合转导细胞内信号。磷酸化后，ITAM 基序募集并激活 Syk，Syk通过激活转录因子NF-kB复合体的亚基来诱导促炎细胞因子的转录。第二组CLRs在其胞浆末端具有基于免疫受体酪氨酸的抑制（ITIM）基序（例如 MICL）。3.1.2 甘露糖受体甘露糖受体（CD206， MR）为巨噬细胞和DCs表达的内吞受体，介导甘露糖苷（从简单甘露糖到高级甘露聚糖结构）以及岩藻糖和硫酸化LacdiNAc的可溶性配体的交叉呈递，上述特性使基于甘露糖的靶向成为最常见的CLR靶向策略之一。2006年White等人在体外模型中使用甘露糖基化脂质体来增加单核细胞来源的DCs（moDCs）对OVA的摄取。大量报告表明，基于甘露糖的策略通过受体介导的机制增加了免疫细胞中mRNA疫苗的内化和转染。2011年首次报道了MR靶向癌症疫苗的临床试验，但MR靶向mRNA疫苗的临床活性尚不清楚。3.1.3 其他C型凝集素1、DC-SIGN：钙依赖型，存在于人的DCs和巨噬细胞亚群上，可结合高甘露糖基化糖缀合物和含岩藻糖的抗原，通过促进T细胞粘附到DC表面以查找肽抗原的存在来介导DC-T细胞相互作用。DC-SIGN会诱导细胞内信号转导，从而调节其他病原体识别受体PRRs（如TLRs）的信号转导。2、DEC-205（CD205）：在DCs、单核细胞和LCs上表达，也在B细胞、T细胞和NK细胞上低水平表达，具有识别凋亡和坏死信号、参与内吞作用并增加MHC II呈递的功能。大多数DC205靶向依赖于抗体或抗体片段的使用，从而产生有效的DC靶向和增强的抗原交叉呈递，2011年进行了针对抗HIV DEC-205靶向疫苗的临床试验。3、Dectin-1：由DCs、巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞和T细胞亚群表达，能特异性识别具有不同亲和力的可溶性和颗粒性β（1-3）和/或β（1-6）连接葡聚糖，通过肌动蛋白依赖性吞噬作用促进颗粒摄取并通过ITAM样基序参与细胞活化，因可以与CD4+和CD8+T细胞结合并促进增殖被认为是一种共刺激分子。4、Langerin（CD207）：由LCs、真皮DCs和其他DCs亚型表达，已成功使用抗体或小分子糖作为靶向配体在体外进行LC靶向，Wamhoff等人发现了一种Langerin拟糖配体，并使用功能化脂质体证明了其对Langerin+细胞的选择性。Schulze等人用这种Langerin配体在体外选择性地将纳米颗粒（脂质体）靶向人LCs，该配体可用于功能化封装药物、抗原或毒素的纳米颗粒以递送至LCs中。5、DNGR-1（Clec9a）和MGL（Clec10a）：DNGR-1/Clec9a在人cDC1上选择性表达。与该受体的特异性相互作用可促进非人灵长类动物的体液免疫，最近研究发现DNGR-1特异性肽可将纳米颗粒靶向Clec9a+ DC。MGL在人cDC2（CD1c+ DCs）上特异性表达，选择性地结合GalNAc末端和具有不同糖基化谱的粘蛋白-1肽。Heger等人发现，使用Clec10a结合糖肽，可以选择性靶向PBMCs中的CD1c+细胞（cDC2），但未观察到单独的Clec10的配体可诱导CD1c+ DCs的激活或细胞因子分泌。6、hDCIR（Clec4a）：存在于外周血中的CD14+单核细胞、CD15+粒细胞、所有DC亚群（包括pDCs）和B细胞上，T细胞中未发现，使用抗体将抗原靶向DCIR可增加LCs、血液mDCs和pDCs的交叉呈递，并增强体外人细胞中CD8+ T细胞触发。3.2 用于mRNA靶向递送的其他受体1、Toll样受体（TLRs）：由先天免疫系统细胞（如巨噬细胞和DCs）、适应性免疫细胞亚群表达，通过识别病原体相关分子模式PAMPs在先天免疫系统中发挥关键作用，研究使用Pam3CSK4（一种TLR-2激动剂）作为靶向配体将纳米颗粒靶向DCs。2、X-C基序趋化因子受体1（XCR1）：可识别XCL1的趋化因子受体，在cDC1上选择性表达。Fossum等人研究Clec9a、DEC-205和XCR-1作为靶标，使用编码与抗原融合的单链可变片段（scVf）的DNA疫苗注射到小鼠体内，发现靶向XCR-1导致脾脏和肺中IFN-γ+CD8+ T细胞反应增强，细胞毒性更强，尽管Clec9a和XCR1都是cDC1特异性的，但导致不同的结果，因此不仅细胞亚型，受体本身也决定了靶向的结果和疗效。表1 免疫细胞靶向案例、靶向策略和结果四、纳米颗粒作为靶向mRNA递送载体将mRNA与载体结合以保护其免于降解并实现胞内递送。目前输送系统简单分为病毒和非病毒载体。病毒载体利用其自然进化的能力将遗传物质有效地转移到细胞中，实现高效率翻译，但其自身的趋向性并不总是满足治疗需求，且诱导的免疫反应可转化为反应原性损害治疗效果。目前纳米颗粒（特别是脂质纳米颗粒LNP）为首选的非病毒载体，提供了定制其特性以优化其作为转染剂性能的可能性。脂质纳米颗粒（LNPs）已从脂质体和脂质复合体进化为更有效的mRNA载体，出现了可电离脂质，其优势在于：1、可电离脂质在酸性pH值下带正电，在生理pH值下带中性电，该特性大大改善了永久性阳离子脂质的固有缺点，如耐受性差和细胞毒性；2、可电离脂质在内体中酸化后，胺基团被质子化并促进氯离子转运以平衡膜电荷和渗透压，直到膜被破坏并将遗传物质递送到胞质溶胶中；3、通过增加可电离脂质疏水尾部的不饱和度以及调整其pKa，可增加内体逃逸，增强疫苗效力；4、可电离脂质能实现高速率mRNA包封，由于生产过程中水相的pH值较低，可电离脂质带正电，从而促进了与带负电荷的mRNA骨架的相互作用。LNPs另一个成分是聚乙二醇化脂质，由亲水性PEG聚合物与疏水脂质偶联而成。聚乙二醇化脂质可阻止调理素结合，增加LNP循环时间并防止颗粒融合。通过改变PEG脂质锚定长度，可调整其从LNP表面的脱落速率，对促进细胞摄取和内体逃逸至关重要。另外LNPs中的磷脂和胆固醇有助于mRNA包封及增强稳定性。对LNPs脂质成分和/或比例进行多种修饰，实现其优先在特定器官中积累的特性，Goswami等人表明，甘露糖化胆固醇可改善抗RSV自扩增mRNA疫苗（SAM）的内化和效力，一些MR靶向siRNA的例子（配体直接连接到siRNA 或siRNA包封颗粒）也被报道。图2 LNP 结构、组成和靶向配体加入策略五、结论靶向先天免疫相关细胞上的特异性受体可以产生针对疫苗量身定制的更强大、更持久的免疫反应，不同先天免疫细胞亚群的联合靶向策略更令人期待，因为它们在免疫反应中起着独特而核心的作用。如巨噬细胞驱动炎症反应，而树突状细胞在抗原呈递给T细胞中起关键作用，若同时靶向两种细胞类型可能有助于启动改善的抗原特异性免疫反应。需要进一步的研究来识别不同细胞类型中潜在的共同关键受体，或配制具有多种靶向配体组合的LNPs。对于开发RNA递送载体，应在载体配方步骤中考虑组分的相容性，以及保持有效的内体逃逸和充分的多价配体展示的必要性。eGFP mRNA和mCherry mRNA在293T细胞中实现高表达参考文献[1] Clemente B, Denis M, Silveira CP, Schiavetti F, Brazzoli M, Stranges D. Straight to the point: targeted mRNA-delivery to immune cells for improved vaccine design. Front Immunol. 2023 Nov 27;14:1294929. doi: 10.3389/fimmu.2023.1294929.识别微信二维码，添加生物制品圈小编，符合条件者即可加入生物制品微信群！请注明：姓名+研究方向！版权声明本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点，不代表本站立场。