对抗传染病和肿瘤的病毒样颗粒
本文节选自来自牛津大学的研究人员发表的文章“Virus-likeparticles against infectious disease and cancer: guidance for thenano-architect”，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
病毒样颗粒（VLP）可以在传染病和肿瘤的预防和治疗中发挥重要作用。这里，我们将介绍合理构建 VLP 装置的最新进展，以及增强长效抗体和 CD8+ T 细胞反应的新方法。DNA“折纸”和计算蛋白质设计确定了抗原的最佳间距。化学生物学的进步使得用蛋白质或多糖抗原进行简单且不可逆的 VLP 修饰成为可能。马赛克 VLP 共同展示抗原以产生针对不同流感病毒株和冠状病毒的交叉反应性抗体。VLP佐剂作用模式是通过先天免疫刺激的敲除和重新包装建立的。VLP 本身在肿瘤模型中显示出它们作为佐剂的能力。最后，针对疟疾和 SARS-CoV-2 大流行取得了具有里程碑意义的临床结果。
对病毒样颗粒 (VLP) 的研究代表了纳米技术、免疫学和合成生物学之间令人兴奋的联系。VLP 有可能抵御一些最重要的医学挑战，但也是基本了解免疫系统的有力工具。VLP 的最初研究源于从病毒衣壳中“劫持”蛋白质，但很快发现非病毒自组装纳米笼也实现了类似的行为。在这里，我们主要关注无包膜VLP 及其最近在传染病和肿瘤方面的应用。我们将重点介绍通过定向进化和计算设计构建不同VLP 架构的见解。文章将考量不同结构对诱导免疫反应的影响，包括表面糖基化和内部载荷的影响。通过使用马赛克VLP，在利用 VLP 来防止高度可变的病原体方面取得了惊人的进展。我们还考量了 VLP 如何被用于对抗 SARS-CoV-2 以及对抗疟疾的重大进展。
不同的蛋白质结构如何影响免疫反应
众所周知，聚集某一抗原可大大增强免疫反应的诱导。为了更深入地了解抗原多价的影响，将HIV 免疫原作为单体、4-mer、8-mer 或60-mer注射。高度多聚化促进了 B 细胞中转录因子干扰素调节因子 4 和 Bcl6 的强烈诱导。高度多聚化还导致具有更广泛抗原结合亲和性的 B细胞的活化和分裂。激活多样化的 B 细胞池可能会诱导广泛的保护性免疫反应，以对抗 HIV 中病毒多样性。
VLP 架构的一个重要问题是抗原之间的最佳间距是多少（图 1）。DNA “折纸”可实现出色的空间控制：二十面体或 6螺旋束 DNA 纳米颗粒被用于精确展示 HIV 抗原。抗原对以28 nm 间距牢牢固定在 DNA 束上，在 B 细胞系中产生最强的钙通量激活（图2a）。柔性单链 DNA 或聚乙二醇 (PEG) 链上的抗原对刺激性较小。在这个阶段需要注意的是，这些研究使用了具有亚纳摩尔抗原亲和性的 B细胞受体，这在免疫启动过程中并不常见。此外，该研究没有关注动物中的免疫诱导，后者的DNA酶和 DNA 的先天免疫激活可能导致进一步的复杂性。
图 1. VLP 设计中的架构元素。调整表面、底层支架和载荷都可以对 VLP 生物功效产生重大影响。
图 2. 抗原展示技术的进展。(a) 抗原间距的DNA 折纸测试。在测试 B 细胞活化之前，制备 6 螺旋DNA 束，其中2个抗原拷贝以不同间距锚定。此外，DNA 二十面体用不同间距的 5 个抗原拷贝构建。(b)纳米颗粒和抗原之间对称性匹配的挑战。对于模块化耦合，在VLP（紫色）上展示多聚抗原（橙色）可能会导致不同的展示密度。偶联有可能使抗原不稳定（以洋红色显示错误折叠），并有可能通过抗原桥接不同的VLP。(c) 钴卟啉磷脂 (CoPoP)，用于将带His 标签的抗原锚定到脂质体的双层。(d)SnoopLigase（深灰色）引导从 SnoopTagJr 肽（蓝色）的赖氨酸到 DogTag 肽（黄色）的天冬酰胺形成异肽键（红色），用于将抗原连接到纳米颗粒。
增强与 VLP 的耦合
模块化VLP 组装是指抗原和支架分别表达并在纯化后耦合。这种方法避免了基因融合带来的许多挑战（例如复杂抗原的错误折叠，图 1）。模块化耦合还可以促进用于肿瘤治疗的个性化新抗原的耦合。我们之前为即插即展示（plug-and-display）VLP耦合开发了SpyTag/SpyCatcher。最近，我们开发了SpyTag003/SpyCatcher003 系统，其反应速度比原始配对快400 倍。目前尚不清楚不同对称性的抗原是否可以有效地与VLP 耦合或会引发“灾难性”聚集（图 2b）。我们发现一组不同大小和对称性的抗原可以有效地耦合到SpyCatcher003-mi3 平台，包括三聚体流感血凝素或四聚体神经氨酸酶（图2b）。另一种新兴的耦合方法是将钴卟啉-磷脂 (CoPoP) 掺入脂质体中，这有助于与His 标签蛋白的稳定相互作用（图 2c）。疟疾抗原 Pfs230 已以这种方式与脂质体耦合，并引发抑制寄生虫传播的抗体。
SnoopLigase 允许肽DogTag 和 SnoopTagJr 之间的特定不可逆耦合（图 2d）。疟疾抗原CyRPA 和 PfEMP1 或肿瘤相关端粒酶肽作为与 SnoopTagJr 的融合体产生。SnoopLigase催化异肽键的形成，将抗原与 DogTag 连接的支架偶联。相关的 DogTag/DogCatcher 系统可以进行98% 的偶联，反应比 SnoopLigase 更快。DogTag 形成的β-发夹有利于环插入。从环而不是末端展示的模块化VLP 可能有助于将抗体反应集中到抗原的所需区域（图 1）。
多糖是预防一系列细菌疾病的重要抗体靶标。多糖本身不能有效地诱导辅助性 T细胞，因此通常与蛋白质抗原化学偶联，以产生偶联疫苗。在VLP 上有效展示多糖可以进一步增强疫苗效力。“Glycoli平台”在大肠杆菌细胞质中表达糖基转移酶，用于生成蛋白质连接的寡糖链。聚糖可以酶促耦合到与受体序列融合并在细胞质中共表达的蛋白质笼中。一些细菌寡糖的合成可能在周质中更容易处理。Zhu等在福氏志贺氏菌内膜表达PglL。PglL 允许志贺氏菌寡糖与周质中带有糖基化序列的转染SpyCatcher偶联。然后，纯化的 SpyCatcher-寡糖可以在体外与 SpyTag 融合的AP205 或 Qβ VLP 反应。蛋白质-寡糖偶联物的多聚化大大增加了对志贺氏菌感染的抗体反应和保护。
构建新架构
在合成生物学时代，我们不应该仅仅依靠大自然来为我们提供VLP 架构。Hilvert 小组使用定向进化，从不结合核酸的 lumazine 合酶 60-mer 开始。多轮RNA 包封筛选获得二十面体 240 -mer包装其编码 mRNA，在mRNA 中自发出现茎环包装基序。
计算设计优化了四面体、八面体和二十面体纳米颗粒的组装，以有效展示来自HIV、流感和呼吸道合胞病毒 (RSV) 的三聚体抗原。这些支架与抗原末端的自然间距相匹配，以最大限度地提高抗原稳定性。此外，设计的支架隐藏了抗原的区域，有利于诱导针对抗原尖端的抗体（图3a）。
图 3. 改变 VLP 表面抗原周围的环境。(a) 通过表面 VLP 结构掩蔽抗原。与 T33_dn2 纳米颗粒相比，HIV抗原 (BG505SOSIP) 基部的表位在 I53-50 纳米颗粒上暴露较少，基于不同单克隆抗体的结合（抗原颜色编码的目标位点）。(b) 蛋白冠与病毒表面的相互作用。靠近细胞表面的RSV的透射电子显微镜结果，以无血清培养基、人血浆 (HP) 或胎牛血清 (FBS) 孵育。箭头指向结合在病毒表面的蛋白冠。右侧是与不同培养基（BALF、支气管肺泡灌洗液、jHP、幼年人血浆）相比，无血清条件下RSV 感染性（导致 GFP 表达）的定量检测。
通过将铁蛋白纳米颗粒包裹在直径为56 nm 的噬菌体 P22 衣壳内，可以显示在笼子内组装笼子。Sebyung Kang 团队展示了同时控制 VLP 的内部和外部装饰。在封装素和SpyTag/SpyCatcher内部分裂内含肽反应偶联报告蛋白允许使用肿瘤靶向的亲和素进行外部功能化。
挖掘宏基因组序列以寻找新的单链 RNA 噬菌体外壳蛋白。来自大肠杆菌表达的 110 个不同序列，包括 11 个新类别，其中80 个导致 VLP 组装。
原文：R.A.Hills, M.Howarth, Virus-like particles against infectious disease and cancer: guidance for thenano-architect. Current Opinion in Biotechnology, 2022, 73: 346-354.
相关阅读