Nature子刊：人工DNA为个性化癌症免疫治疗铺平了道路

　　

治疗性癌症疫苗是一种正在开发的免疫疗法，它不仅可以摧毁患者体内的癌细胞，还可以防止癌症复发和扩散。多种治疗性癌症疫苗正在临床试验中进行研究，但尽管它们很有前景，临床肿瘤学家还没有常规地使用它们来治疗患者。

治疗性癌症疫苗的核心成分是抗原，它是肿瘤细胞优先产生或新产生的(新抗原)，使患者的免疫系统能够搜索并摧毁癌细胞。在大多数情况下，这些抗原不能单独起作用，需要佐剂分子的帮助，佐剂分子会触发免疫细胞中被称为抗原呈递细胞(APCs)的一般警报信号。APCs内化抗原和佐剂分子，并将抗原呈递给不同类型的T细胞。然后，这些T细胞立即对肿瘤发起攻击，或者为将来的防御保留对肿瘤更持久的记忆。

癌症疫苗的有效性取决于佐剂在APCs中发出的“警报”的水平和持续时间。此前，研究人员发现，使用DNA折纸等纳米结构同时将佐剂和抗原分子传递给APC可以增加APC的激活。然而，这些方法都没有系统地研究佐剂分子的数量和纳米级排列如何影响下游肿瘤定向免疫。

现在，哈佛大学Wyss研究所、丹娜-法伯癌症研究所(DFCI)、哈佛医学院(HMS)和韩国科学技术研究所(KIST)的一个研究小组创造了一个名为DoriVac的DNA折纸平台，其核心组件是一个自组装的方形块状纳米结构。在方形块的一面，可以以高度可调的纳米精度模式附着一定数量的佐剂分子，而另一面可以结合肿瘤抗原。研究发现，一种被称为CpG的佐剂分子彼此间隔正好3.5纳米，导致APCs最有益的刺激，诱导高度理想的T细胞，包括那些杀死癌细胞的T细胞(细胞毒性T细胞)，那些引起有益炎症的T细胞(Th-1极化T细胞)，以及那些提供肿瘤长期免疫记忆的T细胞(记忆T细胞)。DoriVac疫苗使荷瘤小鼠能够更好地控制肿瘤的生长，并且比对照组小鼠存活的时间明显更长。重要的是，DoriVac的效果还与免疫检查点抑制剂协同作用，这是一种非常成功的免疫疗法，已经广泛应用于临床。研究结果发表在《Nature Nanotechnology》杂志上。

“DoriVac的DNA折纸疫苗技术融合了我们多年来开发的不同纳米技术能力，以及对癌症抑制免疫过程的不断深入的了解，”Wyss核心教员William Shih博士说，他与第一作者Yang (Claire) Zeng医学博士一起领导了Wyss研究所的团队。“我们设想，在未来，在不同类型肿瘤患者中发现的抗原可以快速加载到预制的、含有佐剂的DNA折纸上，从而实现高效的个性化癌症疫苗，可以与fda批准的检查点抑制剂在联合治疗中配对。”

Shih也是HMS和DFCI癌症生物学系的教授，和其他一些作者一样，他也是美国国立卫生研究院资助的基于Wyss的跨机构“改善免疫治疗的免疫工程”(i3)中心的成员。

DNA折纸原理

CpG佐剂是一种合成的DNA链，由重复的CpG核苷酸基序组成，模仿免疫细胞入侵细菌和病毒病原体的遗传物质。就像它的天然对应物一样，CpG佐剂与免疫细胞中称为TLR9的“危险受体”结合，进而诱导炎症(先天)免疫反应，与抗原诱导的(适应性)免疫反应协同工作。

“我们从之前的工作中知道，为了引发强烈的炎症反应，TLR9受体需要二聚化并聚集成与多个CpG分子结合的多聚体复合物。结构分析揭示的有效TLR9组装中CpG结合域之间的纳米级距离正好落在我们假设的范围内，我们可以用DNA折纸结构反映精确间隔的CpG分子，”Zeng解释说，他在研究时是医学讲师，现在是DFCI和哈佛医学院(HMS)的高级科学家。除了Shih之外，曾还受到了KIST首席研究员Ju Hee Ryu博士和Wyss创始核心教师David Mooney博士的指导，David Mooney博士也是哈佛大学John a . Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的教授，也是i3中心的首席研究员之一。

Zeng和他的团队制作了多利瓦疫苗，其中不同数量的CpG链在正方形块的一面以2.5、3.5、5或7纳米的间隔排列，模型抗原附着在另一面。他们使用一种化学修饰方法来保护它们的结构不被体内降解，这种方法是Shih的团队早些时候开发的。当被不同类型的APCs(包括协调肿瘤定向T细胞反应的树突状细胞(DC))内化时，与由游离抗原分子组成的对照相比，DoriVac疫苗提高了抗原的摄取。3.5纳米的CpG间距在APCs中产生最强和最有益的应答，并且显著优于仅含有游离CpG分子的对照疫苗。Zeng说:“我们很兴奋地发现，DoriVac疫苗优先诱导了一种支持抗肿瘤免疫的免疫激活状态，这是研究人员通常希望在一种好的疫苗中看到的。”

除了间隔外，DoriVac疫苗中CpG分子的数量也很重要。该团队测试了含有12至63个最佳间隔CpG分子的疫苗，发现18个CpG分子提供了最佳的APC激活。这意味着他们的方法也可以帮助限制CpG分子的剂量，从而最大限度地减少佐剂常见的毒副作用。

在(肿瘤)翻译中获得

重要的是，这些体外趋势转化为体内小鼠肿瘤模型。当在小鼠皮肤下预防性注射时，DoriVac疫苗在最近的淋巴结中积累，在那里它们刺激树突细胞。一种含有黑色素瘤抗原的疫苗阻止了随后注射的侵袭性黑色素瘤细胞的生长。在实验的第42天，所有的对照组动物都死于癌症，而DoriVac保护的动物都还活着。DoriVac疫苗还抑制了已经形成黑色素瘤的小鼠的肿瘤生长，18个CpG分子的3.5纳米间距再次对DC和T细胞产生了最大的影响，并且对肿瘤生长的抑制作用最强。

接下来，研究小组询问DoriVac疫苗是否也可以增强黑色素瘤肿瘤中出现的小“新抗原”产生的免疫反应。新抗原是理想的靶标，因为它们完全由肿瘤细胞产生。然而，它们本身往往不具有很强的免疫原性，这使得高效佐剂成为新抗原疫苗的重要组成部分。由四种新抗原定制的DoriVac疫苗使研究人员能够显著抑制产生新抗原的小鼠体内肿瘤的生长。

最后，研究人员询问DoriVac是否可以与免疫检查点疗法协同作用，免疫检查点疗法可以重新激活肿瘤中沉默的T细胞。在老鼠身上，这两种治疗方法结合起来导致黑色素瘤肿瘤完全消退，并在四个月后再次暴露于相同的肿瘤细胞时阻止它们重新生长。这些动物已经建立起了对肿瘤的免疫记忆。该团队在小鼠淋巴瘤模型中获得了类似的疫苗接种效率。“我们认为，DoriVac在确定佐剂递送的最佳位点以及增强偶联抗原的递送和效果方面的价值，可以为开发更有效的临床癌症疫苗铺平道路，用于各种癌症患者。”第一作者Yang (Claire) Zeng医学博士说。

该团队目前正在将DoriVac平台转化为临床应用，这得到了该研究对疫苗分布和疫苗定向抗体在小鼠中的评估以及免疫细胞对体内疫苗反应产生的细胞因子的支持。

“DoriVac平台是我们追求分子机器人技术的第一个例子——具有可编程形状和功能的合成生物启发分子——可以带来全新的强大治疗方法。这项技术为开发具有适应特定临床挑战的特性的设计疫苗开辟了一条全新的道路。我们希望看到它迅速转化为临床，”Wyss研究所创始主任Donald Ingber说，他也是HMS和波士顿儿童医院血管生物学的Judah Folkman教授，以及SEAS的Hansj?rg Wyss生物启发工程教授。