通过金属-有机框架调节抗原加工，以偏向适应性免疫

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Modulating antigen processing through metal–organic frameworks to bias adaptive immunity

疫苗诱导特异性免疫需依赖抗原递呈和加工，但纳米颗粒疫苗的抗原释放速率对免疫调节的影响尚未明确。本研究通过调控金属有机框架（MOF）的孔径尺寸（NU-1000和NU-1003），发现孔径差异导致抗原释放动力学改变：NU-1000因较大孔径使抗原释放更快，促进MHC-II途径的CD4+ T细胞激活和IgG1高产生；而NU-1003因较小孔径延迟释放，增强MHC-I途径的CD8+ T细胞应答和IgG2a比例。该现象在SARS-CoV-2 RBD抗原中同样成立，NU-1000疫苗诱导的抗体对Omicron变体仍保持有效识别，证明抗原释放速率可调控免疫应答谱系。MOF的模块化设计为开发个性化疫苗提供了新策略。

　　本文探讨了金属-有机框架（MOFs）作为可调控纳米颗粒疫苗平台的潜力，重点分析了其对细胞内蛋白抗原释放速率对下游适应性免疫反应的影响。研究发现，虽然两个NU-100x系列的MOFs能装载相似量的未修饰原生蛋白抗原，但它们表现出不同的抗原释放特性，这种差异显著影响了T细胞的增殖和活性。这一现象在体内实验中也得到了验证，即免疫接种后，两种MOFs诱导的T细胞记忆和体液免疫反应的持续时间有所不同。这些结果突显了细胞内抗原释放速率在激发个性化免疫反应中的关键作用，并表明这种发现可以广泛应用于利用原生蛋白抗原对抗传染病。

疫苗通过抗原的摄取和处理来诱导特异性免疫。然而，尽管纳米颗粒疫苗具有更高的摄取率，抗原在细胞内的释放和其对处理及后续免疫反应的影响尚未完全理解。本文揭示了通过调节未修饰抗原的释放速率，特别是通过调整MOF孔径，如何影响所诱导的适应性免疫类型和程度。研究使用了两种在NU-100x系列中孔径相差1.4纳米的MOFs，通过简便的合成后负载方法，成功将模型蛋白抗原卵白蛋白（Ova）封装到MOFs中，实现了高达1.4毫克/毫克的抗原负载量。观察到不同的抗原释放和细胞内处理模式，这与MOF孔径有关。

为了评估不同释放模式对细胞内抗原处理的影响，研究首先分析了Ova@MOFs在体外的摄取时间线。小鼠骨髓来源的树突状细胞（BMDCs）在24小时内与Ova@MOFs孵育，结果显示两种Ova@MOFs的摄取模式相似。然而，随着时间推移，Ova@NU-1000在细胞内处理和随后的MHC-I呈递中表现出更强的活性，这支持了其更快的抗原释放速率。相比之下，Ova@NU-1003则表现出较低的细胞内抗原处理率，但其释放速率更慢，这可能促进了MHC-I的交叉呈递。这些结果表明，MOF孔径的差异显著影响了抗原的释放速率和其对后续T细胞激活的偏向性。

在体外实验中，研究进一步分析了抗原释放速率如何影响T细胞的增殖和亚型分化。使用了两种经基因工程改造的转基因小鼠，其T细胞受体分别特异性识别Ova1（SIINFEKL）和Ova2（ISQAVHAAHAEINEAGR）抗原表位。结果表明，Ova@NU-1000诱导的CD8+ T细胞增殖率显著高于Ova@NU-1003，同时Ova@NU-1003在T细胞的TH1亚型分化方面表现更优。这种差异表明，抗原释放速率的变化可以通过MOF结构调控，从而影响T细胞的活性和亚型分化。

进一步的体内实验结果显示，Ova@NU-1000诱导的抗原特异性CD8+ T细胞和CD4+ T细胞反应均较强，同时表现出更强的CD4+ T细胞介导的体液免疫反应。相比之下，Ova@NU-1003则更偏向于诱导CD8+ T细胞和TH1亚型反应。这些结果表明，MOF的结构特性可以显著影响疫苗诱导的免疫反应类型和持续时间。此外，当将研究扩展到临床相关的SARS-CoV-2受体结合域（RBD）蛋白时，Ova@NU-1000诱导的RBD特异性IgG1:IgG2a比值显著高于Ova@NU-1003，且其抗原特异性抗体对Omicron RBD变异体的结合能力更强。这说明，通过调整MOF孔径，可以实现对抗原释放速率的调控，从而在体内产生更广泛和持久的免疫反应。

本文还探讨了MOF对长期体液免疫反应的影响。结果显示，Ova@NU-1000诱导的抗原特异性抗体水平在多个时间点均显著高于Ova@NU-1003。特别是在后续的免疫增强后，Ova@NU-1000的抗体水平仍然保持较高，而Ova@NU-1003的抗体水平则逐渐下降。这些结果表明，MOF的结构特性可以显著影响抗原的释放速率，从而影响免疫反应的持久性和广度。

研究还讨论了MOF结构对免疫反应的潜在影响。通过调整MOF的孔径，可以实现对抗原释放速率的控制，从而影响T细胞的增殖和分化，以及体液免疫反应的强度和持续时间。这些发现不仅展示了MOF作为疫苗平台的潜力，还为设计个性化疫苗提供了新的思路。通过利用MOF的结构特性，可以避免传统基因工程方法对关键抗原氨基酸序列的修饰，同时保持抗原的天然结构，从而提高疫苗的安全性和有效性。

此外，研究还涉及了MOF的合成和表征方法。通过调整MOF的配体和金属节点，可以实现对孔径和通道形状的调控。这些纳米颗粒能够高效封装原生蛋白抗原，并在体内保持抗原的稳定性，直到其被APCs处理并呈递给T细胞。研究还详细描述了如何通过不同的实验方法，如流式细胞术、ELISA和荧光显微镜，来评估抗原的释放速率和免疫反应的强度。

本文的发现具有重要的临床意义。通过调整MOF的孔径，可以实现对疫苗诱导免疫反应的个性化调控。这种方法不仅适用于卵白蛋白，还可以扩展到其他蛋白抗原，如SARS-CoV-2的RBD蛋白。这为开发能够应对不断演变的病毒变异体的疫苗提供了新的策略，同时也为利用天然蛋白抗原设计更安全、有效的疫苗提供了理论依据。这些结果强调了抗原释放速率在疫苗设计中的重要性，并展示了如何通过MOF的结构特性来实现对免疫反应的精确调控。