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为解决 mRNA 疫苗免疫刺激机制不明、耐受性和有效性有待提升的问题，研究人员开展了可电离脂质纳米颗粒（LNP）激活人类先天免疫细胞的研究。结果发现 LNP 通过 Toll 样受体 4（TLR4）激活 NF-κB 和 IRF，且 LNP 是主要佐剂。这为优化疫苗设计提供了依据。
近年来，mRNA 疫苗的问世在免疫领域掀起了一阵浪潮，它就像一把神奇的钥匙，为快速应对传染病等挑战带来了新的希望。在新冠疫情期间，mRNA 疫苗凭借其快速研发和高效防护的优势，成为全球抗疫的有力武器。然而，这把钥匙并非完美无缺。一方面，mRNA 疫苗的免疫原性虽然得到了验证，但它的耐久性却有些差强人意，就像一把不够坚固的锁，无法长时间有效地抵御病原体的侵袭。另一方面，接种疫苗后出现的一些副作用，就像隐藏在暗处的 “小怪兽”，让人们对它既感激又有些担忧，而这些副作用产生的原因至今仍是个未解之谜。更让人困惑的是，尽管 mRNA 疫苗能引发免疫反应，可其中具体的免疫激活机制却如同迷雾一般，让科研人员难以看清。为了更好地利用这把 “钥匙”，让它在未来的免疫领域发挥更大的作用，美国 Uniformed Services University of Health Sciences 等机构的研究人员决定深入探索，开展了关于可电离脂质纳米颗粒（LNP）激活人类先天免疫细胞的研究。他们的研究成果发表在《npj Vaccines》上，这一研究如同拨云见日，为我们理解 mRNA 疫苗的免疫机制带来了新的曙光，对优化疫苗设计、提高疫苗的安全性和有效性有着至关重要的意义。
研究人员在开展研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是细胞系实验，利用 THP-1 双报告基因人单核细胞系和 A549 双报告基因人呼吸道上皮细胞系，通过不同刺激物处理细胞，检测相关转录因子的激活情况；其次是转录组分析，对 LNP-1 刺激后的 THP-1 细胞进行 RNA 测序，分析差异表达基因，探索相关信号通路；最后还使用了基因编辑技术，构建敲除特定基因（如 TLR4、MyD88、TRIF）的细胞系，研究这些基因在 LNP 激活免疫细胞过程中的作用。
研究结果如下：
- 可电离 LNP 诱导 THP-1 细胞产生 NF-κB 和 IRF 反应：研究人员利用 THP-1 单核细胞样细胞系，通过碱性磷酸酶报告基因检测 NF-κB 激活，用荧光素酶报告基因检测 IRF 激活。结果发现，不同的可电离 LNP（LNP-1、LNP-ALC315、LNP-SM102）均能激活 NF-κB 和 IRF，且激活程度在 48 - 72 小时达到峰值。其中，LNP-1 诱导的 NF-κB 激活最强，LNP-SM102 诱导的 IRF 激活最强。进一步研究发现，去除可电离脂质成分后，NF-κB 和 IRF 的激活反应消失，这表明可电离脂质是激活这两种转录因子的主要因素。
- LNP 内吞作用与转录因子激活无关：由于 LNP 激活 NF-κB 和 IRF 的时间比 TLR 激动剂延迟，研究人员推测内吞作用可能是 LNP 激活细胞的必要条件。他们用荧光标记的 LNP 研究其被 THP-1 细胞摄取的动力学，发现细胞在 2 小时内开始摄取 LNP，48 小时达到摄取高峰。然而，使用内吞作用抑制剂处理细胞后，并未显著影响 LNP 介导的 NF-κB 和 IRF 激活，这说明 LNP 激活细胞可能不依赖内吞作用。
- 可电离 LNP 刺激引发 Toll 样受体信号上调：对 LNP-1 刺激的 THP-1 细胞进行转录组分析，发现有 10,585 个差异表达基因。其中，编码 NF-κB 亚基的 NFKB1、NFKB2 和 RELB 以及干扰素调节因子 IRF3、IRF4、IRF7、IRF9 均上调。基因集富集分析表明，Toll 样受体（TLR）信号通路被上调。通过流式细胞术检测表面标记 CD14、CD40 和 CD86 的表达，进一步证实了这一结果。这说明 LNP 激活免疫细胞与 TLR 信号通路密切相关。
- TLR4 通过 MyD88 启动对可电离 LNP 的信号传导：基于转录组数据和之前的研究，研究人员推测 TLR4 在可电离 LNP 激活单核细胞中起关键作用。通过使用 TLR4 基因敲除的 THP-1 报告细胞系，发现敲除 TLR4 后，NF-κB 和 IRF 对所有可电离 LNP 的反应显著降低，但并未完全消失，这表明 TLR4 是主要受体，但可能还有其他途径参与。进一步研究发现，MyD88 缺陷的 THP-1 细胞中，所有可电离 LNP 诱导的 NF-κB 和 IRF 激活均降低，而 TRIF 缺陷的 THP-1 细胞中，不同 LNP 诱导的反应有所不同，这说明可电离 LNP 主要通过 TLR4/MyD88 途径激活免疫细胞，但对 TRIF 的依赖程度因 LNP 不同而有所差异。此外，在不表达 TLR4 的 A549 细胞系中，未观察到对任何 LNP 的 NF-κB 或 IRF 反应，这进一步证实了 TLR4 的关键作用。同时，研究还发现血清对 LNP 介导的 THP-1 细胞激活至关重要，且 TLR4 与 LNP 的相互作用可能发生在细胞表面。
- 添加 mRNA 不会增强 LNP 诱导的 NF-κB 或 IRF 反应：研究人员原本假设 BNT162b2 mRNA 疫苗比单独的 LNP 能更强烈地激活 NF-κB 和 IRF，但实验结果却令人惊讶。在 THP-1 报告细胞系中，mRNA - LNP 与相应的空 LNP 相比，诱导的 NF-κB 和 IRF 反应相当甚至更低。在 A549 细胞系中，两者均未诱导出 NF-κB 或 IRF 反应。这表明在该模型系统中，mRNA 成分并没有提供额外的免疫刺激，LNP 才是 BNT162b2 mRNA 疫苗中激活先天免疫反应的主要佐剂。
综合研究结论和讨论部分，该研究明确了可电离 LNP 在 mRNA 疫苗中激活先天免疫细胞的机制。可电离 LNP 主要通过 TLR4/MyD88 途径激活 NF-κB 和 IRF 转录因子，不同 LNP 的激活程度因可电离脂质结构不同而有所差异，且血清在 LNP 激活细胞过程中起着重要作用。此外，研究还发现 mRNA 成分在该研究模型中并未增强免疫刺激，LNP 才是主要的免疫激活因素。这一研究成果为 mRNA 疫苗和佐剂的设计提供了重要的理论依据，未来研究人员可以通过调整 LNP 的脂质组成，如优化可电离脂质结构，来平衡疫苗的耐受性和刺激强度，从而开发出更安全、更有效、更持久的 mRNA 疫苗，为全球健康事业的发展贡献重要力量。
