中科院过程所马光辉研究员团队2020年度研究成果汇总

马光辉研究员

马光辉研究员，博士生导师，生化工程国家重点实验室主任。国家杰出青年获得者，基金委创新群体首席，中国颗粒学会理事，中国化工学会生物化工专业委员会副主任委员，中国生物工程学会理事，国际期刊J Microencapsulation、IEC Res等杂志编委，Particuology生物颗粒主题编辑。

研究方向为均一生物微球和微囊的制备及其在生化工程和医学工程中的应用，研究和开发用于生化分离、药物载体、免疫佐剂（疫苗递送系统）、细胞培养微载体、酶固定化载体等创新产品。在Nat. Mater., Nat. Biomed. Eng., Sci. Adv., Nat. Commun., JACS, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Biomaterials等国际著名学术期刊上发表SCI论文400余篇，他引超过12000次，3篇论文先后获得Elsevier出版集团颁发的“Highest Cited Original Research 2006 Awards”，“Top 50 Highly Cited Articles by Chinese Mainland Authors (2006-2010)”，“Top Cited Paper for 2010 and 2011”奖励。出版中英文专著11部，英文书章节10余章，其中包括美国著名的化学工程师手册《Perry's Chemical Engineer's Handbook》（中国学者首次参加撰写）。中国发明专利授权81项，美国专利授权4项，欧洲专利授权2项，日本专利授权2项，专利技术和产品在国内外500多家单位得到应用。

近几年获得的奖励和荣誉包括：2020年中国化工学会科学技术奖基础研究成果奖一等奖、2020年中国颗粒学会自然科学奖一等奖等，2009年国家技术发明二等奖1项，2005年北京市科学技术一等奖1项，2013年中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖，2014年侯德榜化工科技创新奖，2016年“中国科协全国优秀科技工作者”称号。

ANNUAL SUMMARY 

本文简要盘点了马光辉研究员团队2020年的代表性工作，主要分为微球型疫苗佐剂科研进展和微球产业化应用进展两部分。

马光辉研究员团队2020年发表的五篇封面文章。

一

微球型疫苗佐剂科研进展

1. 基于自愈合大孔微球的肿瘤疫苗

Sci Adv 2020, 6, eaay7735

图1 新型肿瘤疫苗剂型基于独特的“后包埋”策略，高效装载肿瘤抗原（上）；通过注射部位免疫微环境的协同调控，显著增强疫苗的免疫应答水平（下）

利用已批准的安全性好的简单材料，通过巧妙的设计使其发挥更高的性能，是剂型基础研究快速进入临床应用转化的重要策略。马光辉研究员团队提出了基于聚乳酸（FDA批准材料）自愈合大孔微球的肿瘤新策略，利用聚乳酸较低的玻璃态转化温度，可以在温和条件下将溶液中的抗原有效封装在大孔球内部，这种简单独特的“后包埋”的方法不仅保护了抗原的生物活性，并且利于医院剂型的现场配置；同时，通过对微球尺寸和降解速率的合理设计，可以在注射部位分别实现对抗原提呈细胞募集和抗原释放的精准调控，最大化提升抗原的摄取效率；另外，聚乳酸降解后产生的乳酸分子可在注射部位产生微酸环境，以此促进Th1型细胞因子的分泌和抗原在细胞内的交叉提呈。基于上述优势，该肿瘤疫苗剂型在动物模型上单次注射后即可诱导高效且长期的特异性免疫应答，在乳腺癌、淋巴瘤、黑色素瘤等多种肿瘤模型和蛋白抗原、多肽抗原、新抗原上取得了优于商品化剂型（AS04）的疗效，并且展示出了非常好的安全性。

2. 微球型白血病精准治疗性疫苗

Nat Biomed Eng 2020, s41551-020-00624-6

图2 基于EPS8（pE）和WT1（pW）的白血病精准治疗性疫苗在病人来源白血病异种移植模型上的疗效：（a）PBMCs-PDX模型的构建及免疫策略；（b，g）小鼠脾代表性图片；（d，i）小鼠脾脏重量统计；（c，h）骨髓细胞瑞氏-吉姆萨染色涂片；（e，j）白血病细胞浸润百分比；（f，k）小鼠生存期曲线

基于已批准的生物材料和巧妙的设计思想，创建新的疫苗递送系统，是提高疫苗免疫效果并拓展其应用范围的重要策略。马光辉研究员团队与珠江医院李玉华教授团队合作，首先基于临床白血病样本高表达EPS8和PD-L1的新发现，设计了HLA-A*0201高亲和力的抗原肽，用于与PD-1抗体（免疫检查点抑制剂）的联合使用；在此基础上，利用自愈合大孔微球构建了疫苗递送新剂型，其新颖的“后包埋”策略实现了抗原肽和抗体的高效装载，并充分保护了二者的活性。 疫苗接种后，微球的缓慢降解不仅形成了有利于抗原提呈细胞募集、细胞因子分泌和抗原交叉提呈的局部免疫微环境，而且促进了PD-1抗体向淋巴结的富集；通过上述机制的协同，可以实现长效的免疫应答，一次注射即可显著抑制白血病病情进展，在多种白血病动物模型（包括病人来源白血病异种移植模型）上取得了优于商品化剂型的疗效。

3. 基于颗粒化乳液的新冠疫苗佐剂研究

Adv Mater 2020, 32, 2004210

图3 基于Pickering乳剂的颗粒化铝佐剂仿生疫苗（PAPE/RBD）

重组亚单位疫苗结构简单、生物安全性好，但其免疫原性较弱，需加入安全、高效的疫苗佐剂以提升其免疫应答。为应对突发疫情，基于现有资源/原料设计的疫苗佐剂则成为一种理想的快速解决策略。目前，铝佐剂是我国唯一批准使用的疫苗佐剂，但细胞免疫效果较差，难以引发有效的细胞免疫对机体产生综合性的保护，无法满足日益增加的疫苗佐剂需求。马光辉研究员团队利用独创的颗粒化乳液技术，构建铝颗粒化乳液（PAPE），并在颗粒化乳液上组装新型冠状病毒肺炎（COVID-19）重组抗原（RBD），获得仿生疫苗（PAPE/RBD）。在小鼠的实验中取得了显著优于商品化铝佐剂的免疫应答效果。颗粒化铝佐剂的研究强化了新冠疫苗的体液免疫和细胞免疫应答，提升了疫苗的室温储存稳定性及生物安全性，为安全、高效的新冠疫苗佐剂构建提供了新策略。

4. 生物全合成的自组装纳米疫苗

Adv Mater 2020, 2002940

图4 生物全合成纳米疫苗的制备及其免疫机制：（a）疫苗“底盘”的模块化设计及抗原组合示意图；（b）基于生物全合成的多肽及多糖结合疫苗的制备原理图；（c）纳米疫苗引发高效免疫应答的机制图

新型疫苗的快速研制对于防治突发传染病和重大疾病具有重要意义。马光辉研究员团队与军科院王恒樑研究员团队合作，通过将细菌B5毒素和非天然三聚体肽融合自组装，构建了一种安全高效的纳米疫苗“底盘”，进一步采用融合表达或蛋白糖基化修饰策略，轻松实现了多肽、多糖等不同类型抗原在“底盘”上的有效负载。以此构建的纳米疫苗，凭借快速的淋巴结富集能力和强大的免疫激活能力，在小鼠、猴等多种动物模型中展现了很好的安全性和高效的免疫应答水平，显著增强了传染病预防和肿瘤治疗的效果。这种通用的“底盘”策略及模块化组合的疫苗设计理念，为抗肿瘤、抗病菌、抗病毒等高效疫苗的快速研发提供了新的思路。

5. 基于细菌外膜囊泡的肿瘤免疫治疗体系

Adv Mater 2020, 2002085

图5 仿生矿化OMV的制备及其肿瘤微环境调节机制

利用纳米颗粒将免疫药物递送至肿瘤部位是改善肿瘤免疫抑制微环境的一种经典策略，但人工合成颗粒仍存在制备工艺复杂、药物装载率低、批次间重复性差等一系列难题。马光辉研究员团队在不同来源的细菌外膜囊泡（OMV）中筛选到对肿瘤微环境改善能力最强的OMVE.coli（BL21），进一步通过仿生矿化的方法，使裸露的OMV表面生长出生物安全性好的磷酸钙“隐形外壳”，以此屏蔽OMV的危险信号及抗体识别位点，增加体系的安全性并延长其体内循环时间。当矿化颗粒借助纳米粒径到达肿瘤后，肿瘤部位的微酸环境使得磷酸钙外壳溶解，暴露的OMV有效改善肿瘤免疫抑制的微环境；同时，磷酸钙外壳溶解中和了微环境中的H⁺，酸性微环境的改善又可进一步促进M2型巨噬细胞向M1型极化。上述协同作用瓦解了肿瘤免疫抑制微环境，增强了免疫细胞的杀伤功能，可有效抑制肿瘤的生长。

6. 纳米疫苗递送模式对淋巴结内时空分布和免疫治疗效果的影响

Adv Sci 2020, 2001108

图6 不同给药方式对肿瘤免疫治疗纳米疫苗淋巴结内分布的时空调控

由纳米载体介导的肿瘤疫苗（即纳米疫苗）广泛应用于肿瘤免疫治疗，但其递送模式对淋巴结内时空分布及免疫应答的影响尚未研究。马光辉研究员团队以肿瘤囊泡或脂质体为纳米疫苗平台，构建了mono-pulse，staggered-pulse和gel-confined三种递送模式，证实递送模式通过改变淋巴结内纳米疫苗的时空分布和树突状细胞（DC）-T细胞的相互作用，最终影响T细胞介导的免疫应答。相比之下，gel-confined模式显示出纳米疫苗在淋巴结内T细胞区的富集，促进DC-T细胞的相互作用，并在多种肿瘤模型中具有最佳的抗肿瘤效果。该研究提示，递送模式应成为纳米疫苗研究设计的首要考虑条件，以实现疫苗的最大化效用。

7. 面向肿瘤治疗的合成疫苗学研究提供新思路

Accounts Chem Res 2020, 53, 2068-2080

图7 通过合成颗粒连接抗癌供应链的示意图：（i）采购：合成颗粒递送抗原至APC或者引流淋巴结从而激活APC；（ii）制造：合成颗粒可促进抗原交叉递呈，从而激活T细胞以发挥抗肿瘤作用；（iii）销售：合成颗粒传递信号以促进在肿瘤内积累的足够的免疫细胞并刺激效应性T细胞增值，并逆转肿瘤微环境，增强抗肿瘤功效

疫苗合成学是生化室马光辉团队提出的疫苗构建新思路和新策略。团队认为对于肿瘤治疗性疫苗而言，如何利用合成颗粒联通机体抗肿瘤免疫应答的供应链是癌症疫苗研究的关键问题，即捕获癌细胞释放出肿瘤来源的抗原作为原料，加工并呈递到抗原递呈细胞（APC）中，传递给T细胞，激活T细胞转变为效应性的细胞杀伤性T细胞，并引起其在肿瘤部位的累积，杀伤肿瘤细胞。此时，癌细胞释放的额外的抗原重新作为合成颗粒设计的原料，从而联通了闭环的供应链。然而，在癌症疫苗应用中，由于肿瘤抗原库失效、细胞毒性T细胞（CTL）反应受限、肿瘤内免疫抑制环境等多种因素的影响，会导致机体固有的供应链被阻断，从而影响肿瘤的治疗效果。为了解决这个问题，合理设计的颗粒疫苗，可以为体内免疫过程提供完整的物流系统，进而有望重新连接固有免疫供应链。

8. 膜乳化法一步制备均一可控的褶皱二氧化硅微球

Particuology 2020, In Press

图8 褶皱微球形成的机理

基于微球表面的褶皱形貌能提升材料的比表面积，同时赋予材料吸附、捕获等功能性，可广泛应用于光学、药物递送、自组装等领域。目前通过软模板法构建褶皱硅粒子，在一定的面内应力作用下能够形成不同的表面形貌。但由于种子生长策略的粒径局限性，规模化制备可调控褶皱形貌的大粒径硅微球仍是一个技术瓶颈和挑战。马光辉研究员团队基于复合硅源正硅酸乙酯和有机硅氧烷缩聚程度不同，通过膜乳化技术使用溶胶作为分散相制备均一乳液，通过控制乳滴中溶胶凝胶化过程，调控缩聚过程中产生的面内收缩应力作用，一步法构筑表面具有褶皱形貌的杂化二氧化硅微球。该体系中褶皱微球粒径均一，褶皱形貌可控。通过对复合硅源比例、有机硅氧烷种类和催化剂浓度等因素的调控，可以实现一系列不同表面褶皱形貌的大粒径硅微球的制备，并通过响应面分析法获知各因素对褶皱形貌形成的影响规律，构建了2FI模型为后续精准调控褶皱形貌提供了理论基础。该策略制备的褶皱微球表面形貌调控方式简便，易于大规模制备及推广应用，将在吸附分离领域具有良好的应用潜力。

二

微球产业化应用进展

1. 均一缓释微球GMP中试生产线

均一、可控的乳液及微球微囊制备技术是马光辉研究员团队具有系列自主知识产权的创新技术，获得了北京市科学技术一等奖、国家技术发明二等奖等奖项，在医药制剂、分离纯化、日化品、食品等行业有着非常重要的应用。鉴于我国在长效缓控释微球制剂领域的技术瓶颈和“卡脖子”现状，团队经过20年的积累，2020年度终于实现了技术突破，在十三五项目的支持下建设了国际首套符合GMP标准的均一微球制剂制备平台，并实现了1000支/批的长效缓释微球制剂的批量生产，批次间重复性好，为临床批件的申报提供了关键技术保障。将依托该套制备平台，陆续实现多个不同品种的长效缓释制剂产品的开发。

图9 微球制剂产品

但我国在高端均一微球产品上严重依赖进口；例如分离介质产品严重依赖进口，国外一旦停止供应，将造成我国制药企业停产，后果不堪设想；微球制剂产品国内仅上市2个仿制产品。中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室马光辉研究员团队，发展全新的、自主研发的均一微球制备技术和设备解决了这些“卡脖子”的技术难题，实现了产品的尺寸均一、可控，推出的产品具有优良的使用性能。

在膜乳化设备方面，研制系列小试、中试和生产设备，在多个产品中应用，均一微囊制备设备支撑60多家单位的创新制剂研发，其中1家制备的微囊产品成功完成490例临床实验。在技术应用方面，与多家企业合作研发均一微球制剂产品，通过使用该团队的膜乳化设备及技术，实现了均一微球的规模化生产。均一微球还应用于肿瘤个体化免疫治疗和白血病精准治疗等，已和多家医院合作获得通过医院伦理审批。

图10 GMP微球制备间

2. 微球分离纯化介质获单批次500 L规模化应用

分离介质是分离纯化的核心材料，为生物技术产业的发展提供了重要支撑。产品性能优异、质量稳定、验证充分、具备规模化稳定生产能力是获得产业化大规模应用的前提条件。马光辉研究团队经过近20年的技术创新和产业化积累，先后攻克了分离介质微球制备技术、表征技术、产品标准化（牵头研制的国家标准于2019年10月发布）等关键步骤，实现了分离介质大批量、稳定生产。经过近年来对客户项目的持续跟进与密切合作，2020年度产品获得了单批次500 L的规模应用，获得了客户的高度认可和好评。

图11 分离纯化车间

RECRUITMENT

马光辉研究员团队博士后招聘

根据团队发展需求，拟招聘博士后若干，鼓励依托团队申请“博士后创新人才支持计划”、“博士后国际交流计划”及各类研究基金。薪资可达30-50万元，解决北京户口，特别优秀者可推荐留所工作。有意者请联系：[e-mail]（魏老师）。

拟招聘方向：纳米医药相关，纳米生物剂型工程/合成生物学工程/纳米医学/分子生物学工程/生物材料/免疫学/肿瘤学等领域

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PARTICUOLOGY简介

Particuology(《颗粒学报》)是由中国科协主管，中国颗粒学会和中国科学院过程工程研究所主办，科学出版社和Elsevier出版集团共同出版的英文版双月刊，正式创刊于2003年4月。首任主编为郭慕孙院士，现任主编为李静海院士。

Particuology2019年度影响因子2.787, 五年影响因子3.111，已连续十年分别在SCI化工类及材料综合类期刊中位列Q2区，是颗粒学领域三大期刊之一。同时，《颗粒学报》始终坚持以创精品与国际化为办刊方针，多年来一直保持60%国际稿源，70%国际审稿，作者来自中国、美国、德国、英国、澳大利亚等20多个国家，读者遍布全球100多个国家，并连续九年被评为“中国最具国际影响力期刊”称号。

Particuology主要刊登国内外颗粒学领域在研究、工程和应用方面的优秀原创论文，内容涉及颗粒测试与表征、颗粒制备与处理、颗粒系统与固体散料技术、流态化与颗粒流系统、模拟与仿真技术、气溶胶科学与技术、材料科学与工程、纳米颗粒、能源颗粒、生物颗粒与仿生技术等领域。热忱欢迎国内外相关领域专家、学者、研究人员来稿！

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