聚合物微针疫苗在经皮免疫中的研究进展

徐孟新,段 茹,施 雯

(1.咸宁市咸安区疾病预防控制中心体检中心,湖北 咸宁 437000;2.咸宁市第一人民医院急诊科;3.咸宁爱尔眼科视光部)

在过去几十年里,全球范围内相继爆发了多起地区性或全球性传染病,其中包括新型冠状病毒肺炎(COVID-19)、中东呼吸综合征(MERS)和埃博拉病毒(EVD)等[1],这些传染病的爆发严重危害了公众健康和经济发展。疫苗被认为是控制疫情的有效手段之一[2]。然而,如何选择最有效的疫苗递送途径,仍然是研究人员关注的热点之一。疫苗的全球普及受到多个限制因素的制约[3],其中包括需要专业医护人员进行接种、疫苗制剂的普遍热稳定性较差、对运输条件要求较高、生产和储存成本高,并且还存在部分人对针头的恐惧等现象。为克服这些问题,研究人员开发出了另一种免疫途径——经皮疫苗接种(transcutaneous immunization,TCI)[4]。

TCI利用皮肤作为免疫接触点,将免疫原物质经过皮肤途径传递给机体,以激发免疫系统产生免疫应答。相对于传统的注射免疫接种方法,TCI具有明显优势[5]。首先,它避免了注射的疼痛和不适,特别适用于儿童和注射恐惧症患者。其次,皮肤作为免疫接触点更贴近病原体入侵的自然途径,能够模拟真实感染过程,激发更加全面和有效的免疫应答。此外,TCI还可以激活皮肤的局部免疫保护,形成局部免疫屏障,预防某些皮肤相关的感染。然而,皮肤中的角质层阻碍了生物分子的经皮渗透,导致生物利用度低下[6]。为了突破这一组织屏障,实现高效的透皮给药,研究人员提出了多种方案,如化学增强剂、超声、电穿孔、热消融和微针(mironeedles,MNs),尤其是MNs,这是一种新型的递药装置,能够以低成本无痛高效地将药物递送至皮肤而引起广泛关注。MNs是一种无创给药装置,针头长100～1500μm,可有效穿透角质层[7]。此外,MNs方便且价格低廉,可以自行给药,从而提高患者的依从性。MNs已在疾病治疗、生物监测和疫苗接种方面等方面有着广泛的应用[8]。

MNs介导的疫苗接种在过去十几年中取得了长足的进步。本篇综述总结了经皮免疫的生理学基础,并回顾了基于聚合物材料的MNs用于递送疫苗的研究现状。此外,我们讨论了MNs介导的疫苗接种的技术改进,旨在使得MNs介导的疫苗递送实现更好的临床转化,并对未来发展方向进行了展望。

1 经皮免疫的生理学基础

皮肤是人类最大的器官之一,由表皮、真皮和皮下组织3个结构层次组成[9]。表皮主要由多层角质形成细胞构成,并形成皮肤的角质层。在皮肤的免疫反应中,角质形成细胞是重要的参与者之一[10]。当皮肤遭受感染或损伤时,角质形成细胞通过表面的Toll样受体识别病原体,并通过分泌细胞因子和趋化因子来招募其他免疫细胞,从而发挥免疫保护作用。

皮肤中的树突状细胞也是免疫反应的重要成分之一[11]。作为皮肤中最重要的抗原呈递细胞之一,树突状细胞可以主动在皮肤中寻找并捕获外源性抗原,然后通过MHC分子将其展示给T淋巴细胞和其他免疫细胞,从而启动免疫反应。此外,树突状细胞还可以通过分泌细胞因子来激活其他免疫细胞,从而增强皮肤免疫反应。

除了角质形成细胞和树突状细胞,皮肤中还有其他重要的免疫细胞。成纤维细胞是皮肤中最常见的细胞类型之一,它们可以通过分泌细胞因子和趋化因子来招募其他免疫细胞[12],从而增强皮肤免疫反应。肥大细胞也是皮肤免疫反应中的重要组成部分,它们通过分泌各种介质来参与过敏反应[13]。朗格汉斯细胞也发挥着重要的免疫作用[14]。皮肤免疫反应中的这些细胞和分子机制为经皮疫苗的开发提供了理论依据,并为改善透皮疫苗递送的研究提供了潜在目标。

当接触到疫苗时,皮肤表皮和真皮中抗原呈递细胞(APC)会活化,并迁移到皮肤引流淋巴结,从而激活并诱导T细胞和B细胞的免疫作用。由于MNs可以直接输送疫苗至充满APC的表皮和真皮,有效增强免疫反应,提高了免疫接种的效果,为现代免疫接种提供了一种更为理想的解决方案。

2 聚合物MNs介导的疫苗接种

由于TCI需要突破角质层屏障,因此,MNs是TCI的理想递送技术。基于MNs组成材料的不同,用于疫苗递送的MNs通常分为金属MNs、无机非金属MNs和聚合物MNs[15]。其中,金属MNs通常由不锈钢、铝、钛等金属材料制成,它们的优点是非常坚固,可以达到非常小的尺寸,适合大量生产,缺点是不能容易地包含药物或疫苗[16]。无机非金属MNs主要是指硅基MNs,其具备高机械强度和良好的生物相容性的特性,然而硅基MNs制造成本相对较高,需要专门的设备和工艺,这妨碍了其大规模制备[17]。聚合物阵列MNs具有生物相容性好、载药量可控、机械强度高、成本低廉、易于加工等优点,被认为是最具应用前景的一类阵列MNs[18]。

用于疫苗递送的聚合物MNs通常由含有疫苗的高分子溶液制成。当这些MNs刺入皮肤时,疫苗会随着MNs的溶解逐渐释放。高分子材料需要满足机械强度高且生物相容性良好的性质,如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)和透明质酸(HA)、羧甲基纤维素、海藻糖等[19]。使用的抗原包括灭活疫苗、亚单位疫苗、多糖疫苗和DNA疫苗等,可以实现对流感、乙型肝炎、埃博拉等疾病疫苗的递送[20]。

Sullivan等[21]使用了一种基于可溶聚合物的MNs,用于流感疫苗的接种。该MNs的设计长度为650μm,每个贴片可负载3μg灭活抗原。在室温下用光交联单体N-乙烯基吡咯烷酮形成聚合物PVP,这种方式的优势在于避免使用有机溶剂或者高温,有利于保护抗原稳定性。PVP聚合物的优点是生物相容性好、机械强度高和水溶性高[22]。MNs插入小鼠背部皮肤后5min内,(89±3)%的MNs溶解释放抗原[21]。由于疫苗在聚合物针尖中处于冻干状态,因此,避免了重新溶解的步骤。在验证了负载抗原的稳定性之后,该MNs贴片可以诱导有效的体液免疫应答。28d后,小鼠体内IgG滴度与肌肉注射相比统计学差异不明显。90d后对小鼠进行攻毒后发现,与未接种疫苗的感染小鼠相比,肌肉内注射免疫的小鼠肺部病毒滴度下降了103倍,而MNs免疫的小鼠肺部病毒滴度则显著下降了106倍,明显增加肺病毒清除效果[21]。Yan等[23]报道使用可溶性MNs负载含有编码结核分枝杆菌分泌蛋白Ag85B的DNA疫苗,在小鼠体内实验中显示出比肌肉注射引发更好的抗体反应。Thanh等[24]报道了一种利用高通量3D打印法制备的聚合物MNs,通过使用不同丙交酯和乙交酯比例(50∶50或75∶25)、不同分子量(15～85kD)以及不同比例(50%～100%),具有可调节的降解动力学曲线,单次给药后可实现疫苗的可编程释放。该MNs负载临床可用的抗肺炎链球菌疫苗(Prevnar-13)诱导免疫保护反应,与多次皮下注射的免疫反应相似,并且可以对致死剂量的攻毒细菌产生更佳的免疫保护。

此外,一种基于可溶胀聚合物水凝胶的新型MNs也被用于疫苗递送。此类MNs在插入皮肤之前具备一定的机械强度,当插入皮肤等组织之后,聚合物网络吸收组织间隙液(interstitial fluid,ISF)发生溶胀,组成MNs的材料转化为凝胶态,疫苗可从水凝胶网络中的连续通道扩散进入皮肤[25]。常见的可溶胀基底包括明胶甲基丙烯酰基(GelMA)[26]和甲基丙烯酸化透明质酸(MeHA)[27]。可溶胀MNs的溶胀率可通过MNs制备时调控交联率来控制。Courtenay等[25]制造了一种新型可溶胀MNs,其主要成分为聚甲基乙烯基醚-马来酸(Gantrez S-97)和聚乙二醇(PEG),并与含有OVA的冻干储层结合。实验证明[25],小鼠接种该MNs后产生了IgG反应,并且MNs中的Gantrez S-97成分具有佐剂功能,可导致更高水平的IgG滴度。这可能是因为MNs协同释放了抗原和聚合物佐剂。然而,相对于水溶聚合物MNs,关于使用可溶胀MNs进行疫苗接种的研究相对较少。因此,需要进一步深入的研究来充分了解可溶胀MNs在疫苗接种方面的潜力以及可能的应用限制。

3 聚合物MNs介导的疫苗接种临床试验

以“微针”(如“microneedle”)和“疫苗”(如“vaccine”)为关键词,在世界卫生组织临床试验注册平台(https://trialsearch.who.int,ICTRP)进行检索,结果显示,自2012年至2022年,全球共有26项关于MNs介导疫苗接种的临床试验,其中2项临床实验采用的MNs为可溶聚合物MNs。

Rouphael等[28]报道了首例可溶聚合物MNs贴片用于接种流感疫苗,重点关注在人体临床研究中的安全性、免疫原性和可接受性。结果显示在成年人中接受程度较高且安全性良好,在Ⅰ期临床试验中仅出现了压痛、红斑和瘙痒等轻微的不良反应,持续2～3d后自行缓解;免疫效果方面,在疫苗接种后28d,MNs贴片疫苗的免疫转化率明显高于安慰剂,与肌肉注射相似。值得指出的是,与肌肉注射对照组相比,自行使用MNs贴片进行疫苗接种的参与者与由医护人员使用得到的免疫效果类似。

在另一项临床实验中Hirobe等[29]测试了基于可溶HA聚合物的MNs用于流感疫苗的递送。用MNs免疫的经皮免疫(TCI)实验组与皮下注射(SCI)的对照组都没有检测到严重的不良反应。并且TCI组对流感抗原B株的抗原免疫反应比SCI组更加强烈。

然而,目前还缺乏更多的与MNs介导疫苗相关的注册临床试验,这主要是由于免疫原性、负载能力、稳定性等问题限制了MNs介导的疫苗接种的发展。在进行临床试验之前,这些问题需要得到解决。总的来说,MNs介导的疫苗接种被认为是安全的,只引起可耐受的局部反应,并且具有良好的病人依从性,但还需要更多的研究来进一步评估。

4 MNs介导的疫苗接种的改进策略

MNs透皮免疫与传统疫苗接种方法相比表现出明显的优越性,然而,在实现广泛推广和大规模应用前,仍需在多个方面进行优化与完善。

MNs的几何形状对疫苗递送效率至关重要。可通过优化针的形状、长度、针尖直径、基部直径和针间距等几何特征,提高MNs的插入能力、溶解时间,从而提高免疫效果。Li等[30]比较了4种具有不同针头几何形状的可溶解MNs,包括圆锥、圆锥-圆柱、矩形金字塔和六角金字塔。在这项研究中,锥形可溶性MNs具有最佳的插入能力和最快的溶解时间,可递送更多的抗原到皮肤并引发更强的免疫反应。

为了改善疫苗递送的稳定性和免疫原性,纳米颗粒如PLGA纳米粒等常常被选择作为疫苗载体,通过将抗原封装到PLGA纳米颗粒中,并应用于可溶性MNs,对B16黑色素瘤肿瘤和副流感的完全保护[31]。

将MNs与其他设备结合使用,可实现比单独使用更有效的疫苗接种。在各类技术中,电穿孔技术备受关注[32]。尽管MNs可以克服皮肤屏障,将药物输送到真皮,但其无法进一步促进疫苗向细胞内转运,电穿孔可能有助于克服这些问题。Huang等[33]报道利用电穿孔技术瞬间破坏细胞膜,驱动抗原等外源分子进入细胞。微纳米与电穿孔相结合,可以实现皮肤屏障和细胞膜屏障的双重突破,而MNs可以减少电穿孔引起的组织损伤和神经刺激。

5 结 论

目前,疫苗接种是预防流行病的主要手段,因此,研究人员致力于设计多种疫苗和高效的输送设备。MNs阵列介导的经皮免疫(TCI)被认为是一种无痛且高效的疫苗接种策略,具有良好的安全性和免疫原性。通过MNs递送的小剂量疫苗能够触发强大的免疫反应,这可能有助于节省公共卫生成本。

目前的临床试验数量有限,仅涉及少数类型的疫苗(如减活流感疫苗),而核酸疫苗因其低成本和高特异性备受关注,已经开发出针对COVID-19的BNT162b2 mRNA疫苗和ZyCoV-D DNA疫苗。当前的研究重点是改善核酸疫苗的稳定性和细胞摄取能力,其中包括使用阳离子纳米颗粒和佐剂来提高免疫原性。

为了进一步改进MNs介导的疫苗接种,需要探索表面修饰、涂层效率以及与其他设备(如电穿孔等)的结合等改进方法。未来的研究应该以实际应用为导向,进一步改进和研究MNs介导的疫苗接种方法,以实现更好的免疫效果。

要使MNs介导的疫苗接种实现临床转化仍面临挑战。公众接受度提高是关键因素,尽管大多数人对MNs应用效果满意,但还存在对其不熟悉和接种成功确认的担忧。成本效益是另一个重要因素,尽管单个MNs的制备成本可能高于传统的注射方式,但前者能降低整体医疗保健成本。临床试验中主要研究流感疫苗,但其他疫苗如麻疹风疹、卡介苗和mRNA COVID-19疫苗也在研究中,需要解决技术、培训和设备支持、临床研究监管、政策法规、公众教育等问题。通过克服这些挑战,MNs介导的疫苗接种有望成为未来重要的疫苗接种方式。