研究人員（左起李鑫、葉通、焦周光）在觀察實(shí)驗(yàn)樣品。研究團(tuán)隊(duì)供圖

預(yù)防呼吸道感染，疫苗必不可少。如今，人們對(duì)用注射的方式接種疫苗已經(jīng)不陌生。

近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程工程所）研究員、中國(guó)科學(xué)院院士馬光輝和研究員魏煒帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了基于“微球”技術(shù)的干粉吸入式疫苗研制平臺(tái)技術(shù)，并與軍事醫(yī)學(xué)研究院生物工程研究所研究員王恒樑和朱力團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，在實(shí)驗(yàn)室成功制備出新型干粉吸入式疫苗，在動(dòng)物模型上顯示出能夠高效阻斷呼吸道病毒的感染與傳播。

12月14日，相關(guān)研究工作在《自然》發(fā)表?！霸撈脚_(tái)具有制備速度快、遞送效能高、常溫易儲(chǔ)運(yùn)、緩釋藥效長(zhǎng)等特點(diǎn)?！闭撐墓餐谝蛔髡摺⑦^(guò)程工程所葉通博士向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，“在這一新平臺(tái)上制備出的干粉疫苗顆?？梢灾边_(dá)肺泡、有效沉積?！?/p>

開(kāi)創(chuàng)“微球”技術(shù)新應(yīng)用

“它還能用來(lái)做什么？”2019年6月，魏煒聽(tīng)完博士生葉通的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展匯報(bào)后，提出了這個(gè)問(wèn)題。“它”指的就是一種由聚乳酸類(lèi)材料制備的表面多孔、內(nèi)部貫通的微球。研究人員在溫和的實(shí)驗(yàn)條件下，巧妙地將腫瘤的抗原裝進(jìn)微球中，完成了一種新型腫瘤疫苗的開(kāi)發(fā)，并推進(jìn)到了臨床個(gè)體化治療研究。

其中，微球技術(shù)是過(guò)程工程所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)絕活兒。2010年前后，馬光輝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采用“膜乳化法”，實(shí)現(xiàn)了0.1到100微米內(nèi)尺寸可控的微球制備，成功研制出一系列設(shè)備，攻克了制備尺寸均一微球的世界難題。隨后，魏煒帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)藥物遞送、承載腫瘤疫苗的微球，將藥物裝載其中，精準(zhǔn)送達(dá)病灶部位，并釋放藥物進(jìn)行治療。

他們發(fā)現(xiàn)，這種腫瘤疫苗所用的微球內(nèi)部呈多孔結(jié)構(gòu)，比同樣體積的微球更輕。于是，他們不約而同想到，進(jìn)一步調(diào)整其結(jié)構(gòu)和性能，開(kāi)發(fā)一種新的肺吸入化療藥物。

在最新發(fā)表的這篇論文中，這是故事的開(kāi)始。

葉通的實(shí)驗(yàn)順利開(kāi)展。他和博士后焦周光一起成功制備出能夠隨空氣吸入肺泡的微球。正當(dāng)他準(zhǔn)備進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)時(shí)，2020年1月新冠疫情成了這項(xiàng)研究的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。就在快放寒假的一天晚上，魏煒興致勃勃地找到葉通：“要不要試試把呼吸道病毒的抗原裝進(jìn)微球，做成吸入式疫苗？”

微球在手，好比生產(chǎn)一輛汽車(chē)已經(jīng)有了底盤(pán)，裝載什么決定了這輛車(chē)的應(yīng)用。他們決定改變?cè)?jì)劃，讓這輛“車(chē)”裝載呼吸道病毒抗原和佐劑，目標(biāo)是制備干粉吸入式的呼吸道疫苗。

此后，在與王恒樑及朱力團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的合作研究中，科研人員將尺寸為20納米的蛋白抗原顆粒封裝進(jìn)直徑為10微米的微球中。將其凍干后，這個(gè)內(nèi)部多孔的微球縮小為直徑2.8微米左右的實(shí)心微球，能夠隨空氣進(jìn)入肺泡。

研究人員期待，這個(gè)計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)能為微球技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)辟全新的方向。

創(chuàng)新遞送過(guò)程評(píng)價(jià)方法

深耕微球領(lǐng)域的科學(xué)家相信，基于微球技術(shù)的干粉吸入式疫苗在遞送過(guò)程中會(huì)展示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

例如，微球的粒徑具有合適的空氣動(dòng)力學(xué)尺寸，能夠精準(zhǔn)直達(dá)肺泡，有效沉積，防止吸入后被呼出。同時(shí)，微球具有緩釋的特性，在展示抗原的納米顆粒從微球中釋放后，有利于更長(zhǎng)時(shí)間地誘導(dǎo)免疫反應(yīng)。特別是緩釋微球抵達(dá)肺部后能誘導(dǎo)出長(zhǎng)效的體液免疫、細(xì)胞免疫和黏膜免疫，這是與傳統(tǒng)注射式疫苗相比最顯著的優(yōu)勢(shì)。

然而，這些設(shè)想如何通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)去證實(shí)呢？長(zhǎng)期以來(lái)，評(píng)價(jià)疫苗的效果通常采用臨床評(píng)估的方法，更加精細(xì)地深入到器官、組織、細(xì)胞層面的評(píng)價(jià)方法尚未建立。因此，如何評(píng)價(jià)微球疫苗吸入到誘導(dǎo)免疫反應(yīng)的“遞送過(guò)程”，成為一道難題。

“這正是我們過(guò)程工程所的研究對(duì)象?！绷硪晃还餐谝蛔髡呃铞尾┦空f(shuō)。

2020年下半年，實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)bug卡殼了。在一次學(xué)術(shù)交流中，他們了解到一項(xiàng)用來(lái)對(duì)組織樣本進(jìn)行三維成像的新技術(shù)——光片顯微鏡，這才找到突破口。

他們?cè)谖⑶蛏蠘?biāo)記了熒光，并用特定的熒光染料把小鼠氣管染上色，拿到光片顯微鏡上做觀測(cè)。一張顯示肺部和支氣管的三維圖像出現(xiàn)在電腦屏幕上，橙色的氣管周?chē)芗囟逊e著綠色的點(diǎn)。這張圖讓研究人員感到格外興奮，他們終于能夠清楚地看到疫苗顆粒在肺部的分布情況。

最終，一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了研究人員對(duì)微球的期待，證明疫苗具有“優(yōu)異的肺部逐級(jí)遞送效果”，在小鼠、倉(cāng)鼠及非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物身上實(shí)現(xiàn)了誘導(dǎo)快速、長(zhǎng)期和高效的“黏膜-體液-細(xì)胞”三重免疫應(yīng)答。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，疫苗單次吸入能夠超過(guò)30天長(zhǎng)期滯留在肺部。光片顯微鏡的觀測(cè)表明，95%的微球沉積在肺泡上。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明，60%的納米顆粒被免疫細(xì)胞攝取。此外，在單細(xì)胞測(cè)序等技術(shù)的幫助下，針對(duì)其背后的免疫增效機(jī)制的探究也得以開(kāi)展。

博士延期、4次“對(duì)話”終發(fā)表

研究人員于2022年4月將論文投稿至《自然》編輯部。隨后，這篇論文在一年半時(shí)間里經(jīng)歷了與編輯部的4次“對(duì)話”，最終得以發(fā)表。

葉通介紹，第一次對(duì)話是補(bǔ)充了有關(guān)T細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)和傳播模型實(shí)驗(yàn)。研究人員與中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所研究員和占龍團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，模擬真實(shí)傳播場(chǎng)景，構(gòu)建空氣傳播保護(hù)模型、密切接觸保護(hù)模型、空氣傳播阻斷模型。這些模型的結(jié)果都證明，單劑干粉吸入疫苗相較于多針注射疫苗更高效阻斷了病毒的侵染與傳播。

2022年11月，研究人員向編輯部提交上述兩方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。兩個(gè)月后，2023年1月，論文沒(méi)有被接收，編輯部再次返回了審稿人的意見(jiàn)——還需要補(bǔ)充一些實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，葉通已經(jīng)處在博士畢業(yè)的關(guān)鍵期?！暗@篇論文工作尚未完成，我主動(dòng)延期，回到組里繼續(xù)干活，一心想把這個(gè)課題做出來(lái)。”他說(shuō)。

博士延期并沒(méi)有影響葉通的干勁兒。他在編輯部回復(fù)的郵件中看到了審稿人基本都持“正面”意見(jiàn)，還有審稿人寫(xiě)道：“即使在多款霧化吸入疫苗已經(jīng)獲批的當(dāng)下，干粉吸入式疫苗依然具有創(chuàng)新性?！?/p>

2023年7月，在魏煒的指導(dǎo)下，他們提交了一份長(zhǎng)達(dá)65頁(yè)的回復(fù)。8月中旬，編輯部第4次發(fā)來(lái)問(wèn)題，研究人員再次回復(fù)。10月初，論文被接收。

回顧這項(xiàng)研究，馬光輝的感受是，在遞送工程這個(gè)新興領(lǐng)域，研究除了要注重創(chuàng)新性，更重要的是要有可轉(zhuǎn)化的意義、可應(yīng)用的前景。

據(jù)介紹，此次發(fā)表的疫苗體系的納微顆粒組分，分別采用了重組蛋白和已批準(zhǔn)的高分子材料，并且疫苗的有效性和安全性已在非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物身上進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，已經(jīng)具備臨床轉(zhuǎn)化潛力。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06809-8

來(lái)源： 中國(guó)科學(xué)報(bào)