浙大唐睿康课题组Nature Biomedical Engineering | 全新疫苗技术：材料“装配”活病毒，原地启动免疫

疫苗是人类应对传染病大规模流行的有效手段之一。浙江大学化学系唐睿康教授与求是高等研究院王晓雨副研究员和军事科学院军事医学研究院生物工程研究所侯利华研究员提出一种全新疫苗技术：野生病毒与材料装配在一起，在体内定点形成免疫“微工厂”，锁住病毒的同时安全、高效地激活免疫反应，形成免疫记忆。

研究团队将野生型寨卡病毒（Zika virus）直接装入一种壳聚糖凝胶中，并将这种“即插即用”型复合凝胶命名为Vax。在与军事医学研究院联合开展的动物实验中，接种了Vax的小鼠全部抵御住了寨卡病毒的致命攻击。相关论文Immunization against Zika by entrapping live virus in a subcutaneous self-adjuvanting hydrogel 3月24日发表在 Nature Biomedical Engineering杂志。Vax意味着，有了病毒，就有疫苗。它展示了通过材料将病毒直接转化为疫苗的可行性，有望成为下一代疫苗技术的候选路线，更迅速、更有效地保卫人类健康。

装配活病毒

人们常把免疫系统和病毒的较量比作“警察抓小偷”。对免疫系统来说，疫苗就像一套仿真“模拟题”，机体通过预先演练获得病毒的“案底”，形成免疫记忆。当有真正的病毒入侵时，机体就会唤起免疫记忆，识别并消灭它们。当前，几乎所有的“模拟题”都是通过对病毒进行“改头换面”获得的。比如，用灭活或减活的病毒，或者具有抗原决定簇的病毒蛋白，或能进入细胞制造抗原的核酸来触发机体的免疫反应。

疫苗的有效性有赖于前期演练阶段的成效，它与“模拟题”的仿真程度密切相关。浙大团队大胆提出了让免疫系统做“真题”的想法，不改造病毒，而是将活（野生）病毒直接装配在材料上，制成疫苗，以期更有效地激活天然免疫。研究团队认为，活病毒能为提前演练提供更全面、更准确、第一手的信息。

看起来新颖而简洁的方案，在实现过程中却遇到了许多未知的困难。唐睿康说，实现这一设想存在两项挑战：第一是安全性，病毒不能有丝毫泄露；第二是有效性，这一路线是否真能有效激活免疫应答？课题组前后花了5年多时间进行研究。 

免疫“微工厂”

Vax的核心策略是用材料把病毒“绑”起来，不让病毒自由迁移。“壳聚糖水凝胶通过静电作用吸附病毒颗粒，像牢笼一样把病毒困住。”王晓雨介绍。

壳聚糖水凝胶装配病毒过程示意图

众所周知，病毒进入身体的第一目标是找到宿主细胞，免疫系统必须尽早识别并清除它们，让机体免于感染。“‘小偷’和‘警察’一个跑一个追，时空的不一致性为病毒逃逸提供了机会。”王晓雨说，Vax试图扭转这一时空格局，把病毒牢牢固定在材料内部，招募免疫细胞上门。由此，“追杀”模式切换为“关门打狗”模式，“牢笼”就地变成了一座免疫“微工厂”。

水凝胶中的钙纳米颗粒起到了高效的招募作用，几天内，大量巨噬细胞、树突状细胞等天然免疫细胞已经聚集在Vax周围。王晓雨说，在实验中，他们观察到Vax内部的免疫细胞的表面表达了更多的抗原识别受体（Pathogen recognition receptors，PRRs），它够提高免疫细胞吞噬抗原的能力。

“这说明天然免疫的‘开关’被打开了，天然免疫细胞到了最佳工作状态。”王晓雨说。在这座免疫“微工厂”里，天然免疫细胞“上门”对病毒进行吞噬、降解、取样，并将“样本”呈递给T细胞，改善了交叉呈递。7天左右，淋巴细胞的生发中心产生了针对病毒的特异性抗体和B细胞，显然，它们已经成功接收了天然免疫细胞报送的“敌情”。

   图：Vax注射入皮下后招募天然免疫细胞和对淋巴细胞生发中心的调控

机体的免疫是由天然免疫和获得性免疫相互密切配合完成的。经典的疫苗设计思路更为关注获得性免疫，也就是特异性抗体的产生、“而我们的方法则充分调动了天然免疫的效能。” 王晓雨说，Vax是在可控的微环境中调动天然免疫，“远程”调节获得性免疫。

安全！安全！安全！

在完成一系列概念性验证和预实验的基础上，浙大团队与军事医学研究院展开合作，在P2实验室开展了关于寨卡病毒的动物实验。寨卡是曾在巴西等多国肆虐的病毒是一种较为凶险的RNA病毒，至今没有针对性疫苗。

5年间，研究人员先后完成了对600多只实验小鼠的饲养、接种、攻毒、观察、解剖、检验与分析。他们将寨卡病毒装配到水凝胶中，注射到小鼠的皮下。论文第一作者、博士生郝海斌介绍，接种了Vax疫苗的小鼠全部抵御了寨卡病毒的攻击，没有发生一例感染，展现了出色的保护力。

论文评审专家认为其高度的创新性在于“一种活的、完全有效的寨卡病毒被用来显示潜在的安全和强大的疫苗效果”，同时强调了对于安全性的要求。“这确实是我们重点考虑的挑战。病毒不允许有丝毫的泄露。对于疫苗来说，即使是百分之99%的安全性也意味着100%的不安全。”唐睿康说。

图：“捆绑”病毒的水凝胶内部是多孔结构，免疫细胞可以自由出入，而病毒则被静电吸附。

王晓雨说，Vax的安全性是通过两道防线确保的。水凝胶的静电作用能将病毒牢牢吸附，这是第一道防线；Vax启动的天然免疫过程定点定位在材料内部发生，病毒会被就地清除、降解。这是第二道防线。”在实验中，郝海斌需要对小鼠的各个脏器与组织搜寻病毒的核酸信息，确保没有发生泄露。“各个脏器都没有病毒踪迹。28天后，注射部位Vax内部的核酸信息也检测不到了。”郝海斌说。

在专家的建议下，研究人员还开展了对于安全性的极致检验：将Vax注射到乳鼠的颅脑内，这是寨卡病毒最易感的组织。结果显示，病毒仍然被控制在水凝胶内部，没有发生泄露。 

材料调控生命

2020年发表在Science杂志的一篇评论指出，下一代疫苗技术应该关注将野生病毒株快速转化为高安全性和高有效性的疫苗。唐睿康团队提出的材料装配活病毒的方案，展现了将病毒直接转换成疫苗的良好前景。“只要得到纯化的病毒，我们就能批量生产疫苗。这可以缩短疫苗的研发进程。”唐睿康希望，Vax会成为一种通用的疫苗技术，如果有新的病毒威胁到人类，Vax有望快速响应。

Vax的研究表明，材料通过与病毒的装配，可在体内实现对免疫过程的调控。“我们看到，材料成为了生命的一部分。”唐睿康说，这是课题组关于“材料调控生命”研究领域的又一进展。“生命科学领域已经产生许多关于调控生命的研究与方法，基于对生命过程的机制的深入理解，人类的调控手段已涵盖小分子、大分子甚至超分子等尺度。但是，对于介观尺度的材料来说，它能如何参与生命的调控，我们还知之甚少。”

图：研究团队部分成员（左一为唐睿康，右二为王晓雨）     摄影：卢绍庆

“材料调控生命”是唐睿康课题组多年来不断深入探索的主题。2007年，他们受鸡蛋壳的启发，提出了“给细胞穿衣服”的方法，为细胞披上一层矿化的外壳，从而赋予细胞不同的功能。同年，从事抗病毒药物研究的王晓雨加入唐睿康课题组，将给细胞穿衣服的方法拓展到病毒领域，随后课题组开发了能让疫苗常温保存的外壳；2018，唐睿康课题组提出“人工细胞器”的概念，2022年联合邵逸夫医院骨科实现了将植物细胞的类囊体成功递送到哺乳动物软骨细胞中，治愈了小鼠的关节炎；2017年，直博生郝海斌加入课题组，唐睿康提出了“材料装配病毒制成疫苗”的挑战，这一挑战贯穿了郝海斌5年的博士生涯。“Vax可以看成是材料在机体的一个额外的‘器官’，它调控了生命的过程。”唐睿康说。

本研究受到国家自然科学基金(22037005、21625105)和国家科技重大专项(2016ZX10004001)资助。浙江大学博士研究生郝海斌和军事医学研究院副研究员吴诗坡为本论文的共同第一作者。

科普动画：

《病毒到疫苗的新策略：构建病毒固定水凝胶微工厂》（制作：课题组）

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41551-023-01008-2

文 | 周炜

图 | 课题组 Pixabay

视频 | 课题组

编辑 | 周炜

来源 | 浙江大学学术委员会

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