免疫疗法利用个体的免疫系统与癌症和自身免疫性疾病作斗争。在患癌症期间，免疫系统往往无法检测和破坏癌细胞；而在患自身免疫性疾病期间，免疫系统会错误地攻击自身组织。免疫疗法在这些情况下可以帮助并指导进行更有效的反应，单克隆抗体和过继性细胞疗法的最新进展证明了这一点。
然而，尽管免疫疗法为患者带来了革命性的获益，但许多疗法并不能治愈，只是针对一小部分患者有效，而且在区分健康细胞和患病细胞方面缺乏特异性，这可能会导致严重的副作用。从这个角度来看，生物材料的自发组装是很有前途的技术，可以帮助解决免疫疗法面临的一些限制，并且揭示了未来需要进一步研究的方向。现在的挑战仍然是利用这些指导性的见解进而推动开发新的免疫疗法进入临床环境中。今年发表在Accounts chemical research(IF:2)的一篇综述中，对自发组装技术在免疫治疗中的应用进行了重点介绍，我们一起来了解一下。
免疫疗法通过促进免疫反应来抗击癌症和自身免疫性疾病
在治疗癌症时，免疫疗法试图增强免疫反应，以摧毁原本逃避和抑制免疫系统的癌细胞。而在癌症发生期间，免疫系统往往无法产生有效的抗肿瘤反应，因为肿瘤上的许多抗原与健康宿主细胞上的抗原难以区分。此外，癌细胞通过过度表达PD-1和CTLA-4等分子来主动抑制免疫系统。而在自身免疫性疾病期间，新的免疫疗法正在利用分子靶向特异性，与可能使患者免疫受损的现有抑制相比具备一定优势。虽然目前单克隆抗体、免疫检查点抑制剂的发展为患者提供了变革性的获益，但免疫疗法在癌症和自身免疫性疾病中应用的局限性仍然体现在缺乏特异性方面，主要包括靶向性或所产生的免疫反应的特异性。免疫疗法可能会产生不受控制的免疫毒性，这可能会导致严重的、有时是致命的副作用。而正如本文所强调的，自发组装技术主要通过控制免疫信号的出现，进而在癌症和自身免疫性疾病中驱动更有效的免疫治疗反应。
生物材料作为非常有前途的技术，目前已经能够克服上述免疫疗法的某些局限性。自发组装材料是一类生物材料，它们在水溶液中自发组装，形成熵有利的结构。由于组装的自发性，自发组装材料几乎不需要额外的能量输入，从而实现了简单、低能耗、可扩展的制造方法。此外，控制自发组装的精确结构和相互作用减少了异质性、表征的复杂性和负载不一致性。自发组装材料通常由于受到两种潜在驱动力而进行组装：疏水相互作用和/或电荷极性(图1)。疏水相互作用推动分子的组装进入熵有利的状态，疏水区域“隐藏”于周围的水环境中。电荷极性驱动带相反电荷的组件的静电吸附，产生一种反作用力，阻止带相同电荷的组件之间的组装，并允许极性分子之间形成氢键。在这篇文章中，我们强调了这些驱动力如何被用来开发癌症和自身免疫性疾病候选免疫疗法的自发组装方法，并获得可以提高未来免疫疗法的有效性和可译性的见解。驱动自发组装的一种方法是将生物材料与疏水基相结合。例如，Collier实验室开发了肽Q11，使其能够自发组装成β-Sheet纳米纤维。组装由肽交替的疏水/亲水一级结构驱动，所有疏水残基位于β-Sheet的一面，所有亲水残基位于另一面(图2A)。多项研究已经测试了Q11能够组装抗原并将其递送到APC以增强免疫应答的能力。这些自发组装的结构在没有任何额外辅助剂的情况下诱导了对抗原的强大抗体反应。而我们同时发现在用肽纳米纤维接种小鼠的研究中，在注射部位没有引起免疫细胞和炎性细胞因子的肿胀(图2B)或聚集，这是许多辅助剂的常见副作用。这个平台也可以根据纳米纤维中加入的抗原的剂量进行调整，以产生特定类型的免疫反应。特别是，使T细胞反应最大化的抗原剂量对激活B细胞很重要(TFH)，几乎比使分泌炎症细胞因子的辅助T细胞(TH1)最大化的剂量高一个数量级(图2C)。疏水基也被用于制造各种其他的自发组装结构。Akiyoshi实验室使用含胆固醇的普鲁兰聚糖创建了含有共同蛋白抗原卵白蛋白的自发组装纳米凝胶(图2D)。除了分子序列在自发组装材料中的可及性外，在构建物上显示的免疫信号的密度也会影响免疫治疗的反应。我们进一步在通过免疫疗法治疗多发性硬化症的背景下进行研究，在量子点上以规定的密度自发组装并展示多肽自身抗原。这些颗粒延缓了疾病的进展，与总抗原剂量成函数关系。有趣的是，在固定抗原剂量下，在较多的颗粒上显示低密度抗原的颗粒(例如，25:1)比在较少颗粒上显示高密度抗原的颗粒(例如，65:1)更有效，这表明具有较低的临床评分(图2e)。我们的发现表明，更具治疗性的“事件”(即颗粒)的可应用性可能会更有效地调节免疫反应中的整合信号。这一发现是一个参数的例子，该参数可能为针对自身免疫性疾病和癌症的选择性免疫疗法提供合理的设计。疏水相互作用也可以用于自发组装两亲性分子形成有序相，例如胶束状结构。其具体设计是将疏水的类脂尾巴连接到亲水肽头基团组成肽两亲性分子。为了建立一个生产个性化的癌症治疗的标准化平台，Seder实验室最近开发了抗原辅助剂结合物，这种结合物可以自发组装成大小一致的胶束状颗粒，而不受抗原序列的影响。这种自发组装是由电荷修饰的肽序列和疏水寡肽驱动的，这些寡肽通过酶降解连接物进而锚定在C和N端。疏水嵌段进一步连接到特定数量的小分子辅助剂，这些小分子辅助剂是基于它们的疏水特性和驱动T细胞反应的能力而特别选择的。在水溶液中重新悬浮时，疏水成分促进胶束状结构的组装，而电荷修饰基团会建立均匀的表面电荷，提供反作用力以防止聚集体的形成(图3A)。与给予可溶性抗原和辅助剂相比，胶束在小鼠皮肤癌和肺癌模型中会显著提高疗效(图3B)。这种胶束平台的开发是令人兴奋的，从临床的角度来看，整合一系列肿瘤特异性抗原的能力在个性化癌症治疗领域也是需要关注的，可以代表癌症免疫治疗的新模式。疏水相互作用可以在体内被利用，从而更有效地针对淋巴结处的免疫治疗，增强其效力。一种策略是利用亲脂性部分与蛋白载体(如白蛋白)自发组装的能力。我们首次发现了“白蛋白搭便车”想法的前景，方法是用亲脂基修饰刺激辅助剂和其他抗原(图3C)。与未修饰的成分相比，这些信号更有效地流向淋巴结，并降低了全身毒性，因为未修饰的成分并不集中在淋巴结中。由于改善了淋巴结的靶向性和随后的表现，抗原特异性T细胞增殖，炎症信号增加。当患有皮肤癌或转移性肺癌的小鼠接种这些免疫疗法后，存活率显著提高(图3D)。通过改变辅助剂和抗原的不同组合，淋巴结靶向的亲脂性修饰提供了作为灵活平台的可能性。该系统的灵活性可能有助于修改和改进其他癌症免疫疗法。相反，也可以努力探索针对淋巴结的信号，以引导免疫反应远离可能会导致自身免疫性疾病的炎症。
静电相互作用是一种强大的驱动力，可以促进交替的阴离子和阳离子成分组装成层状结构。这一策略已被应用于免疫疗法的开发，以创建聚电解质多层(PEM)胶囊。考虑到生物材料聚合物可能会引发炎症，我们的实验室开发了稳定的IPEM胶囊，它不依赖于颗粒核心。这是通过在碳酸钙模板上组装交替的阳离子肽抗原和阴离子辅助剂层来实现的。然后将模板溶解，形成完全由免疫信号组成的中空胶囊(图4A)。这些结构将免疫信号以可调的比率与100%的货物装载量并列在一起。在黑色素瘤小鼠模型中，接种含有黑色素瘤抗原和辅助剂的iPEMs的小鼠显著减缓了肿瘤生长并延长了中位生存期(图4B)。由于iPEMs的模块化组装，我们将这一概念扩展到自身免疫性疾病的治疗和促进免疫耐受性中。我们在多发性硬化症小鼠模型中开发了由T细胞靶向的抗原和处于活跃状态的能够抑制炎症途径的调节性免疫信号共同组成的iPEMs。体外研究表明，iPEMs成功地抑制了DC的共刺激信号呈递，并降低了抗原特异性T细胞对同源抗原的反应。在体内测试时，IPEM治疗完全预防了小鼠的疾病(图4C)，确定了这一平台会促进免疫耐受性的发生。另外免疫疗法的其他方面，如细胞转运和靶向，对于开发临床相关疗法也很重要。我们已经证明，iPEMs传递的信号与可溶性形式传递的信号相比，共定位在淋巴结中，并且会诱导更强大的T细胞激活。通过使用定量分析，我们还证实了iPEMs中有95%包含至少一个信号(即抗原或辅助剂)的细胞中也包含其他信号。iPEMs也能够比可溶性信号更快地激活DC(图4D)，并通过与抗原呈递有关的内体/溶酶体途径快速运输。
除了上面讨论的一些目标概念之外，给药途径可能也会产生影响。微针贴片使用的聚合物针可以穿透皮肤，用于免疫治疗，能够更有效地输送到富含免疫细胞的真皮层。在先前的研究中，使用紫外光来激活微针的表面，为了开发更实用的货物释放方法，Hammond实验室最近开发了电荷可逆微针，它可以在插入皮肤时快速释放信号(图5A)。由于转变到生理pH值引起的电荷反转会导致连续三层负电荷相互强烈排斥，并在1分钟内将薄膜从微针表面分离(图5B)。这些微针能够有效地将抗原递送到小鼠体内的APC，诱导出较强的抗体应答，并能在体外向人皮肤的APC递送辅助剂。实验室最近在微针上应用了IPEM涂层进行癌症疫苗接种(图5C)。而进一步用涂有人黑色素瘤抗原和辅助剂的微针接种小鼠后，这些信号被共同定位在注射部位。针对黑色素瘤抗原的T细胞会在初始增强的免疫治疗的四周内进行扩增(图5D)，表明iPEM涂层微针促进了针对黑色素瘤抗原的肿瘤特异性免疫应答。相应实验室的研究表明，可以通过控制IPEM膜的释放动力学来调节较长时间内的免疫反应。因此，开发快速释放但缓慢降解的IPEM膜可能是一个值得探索的方向，它从微针基质中释放，在真皮层内形成免疫信号库，并随着时间的推移调节免疫反应。另一种自发组装方法是在水溶液中简单地混合两个带相反电荷的组分，使其由于静电相互作用而组装成复合物。我们的实验室已经使用静电组装，通过在水溶液条件下孵育相反电荷的信号来创建完全由免疫信号组成的复合物。例如，使用上面讨论的针对iPEM的类似信号，可以从自身抗原和免疫信号的调控中创建这些复合物，以对抗自身免疫性疾病(图6A)。此方法组装较为简化，可以消除混杂的载体效应，实现信号的共传递。在多发性硬化症的小鼠模型中，随着时间的推移用复合物治疗小鼠降低了疾病的严重程度(图6B)，突出了该方法在治疗应用方面的潜力。这种一步法的机制研究揭示了在复合体形成过程中的生物物理特性与生物效应之间的一些有趣的关联。例如，结合实验表明较高的阳离子与阴离子电荷比会导致更强的辅助剂结合作用(图6C)。然而，在小鼠黑色素瘤模型中，具有较低阳离子与阴离子电荷比的复合体组装在延长生存时间方面更为有效(图6D)。综合这些研究，我们发现高的阳离子与阴离子电荷比可以导致更紧密的结合，但阻碍了信号在治疗环境中的可获得性和功能性。因此，研究揭示了促进组装所需的驱动力和保持货物的可及性从而达到促进预期的免疫治疗功能之间的平衡。最近的研究已经开始利用氢键来创建用于免疫治疗的错综复杂的自发组装结构。目前已经开发了抗原适配体−辅助剂融合序列，通过与DNA接头杂交将其整合到DNA水凝胶中。到目前为止，氢键还很少被用作免疫疗法自发组装的主要驱动力。然而，DNA螺旋形成等自然现象证明，氢键能够促进高度复杂和稳定的自然结构的组装。进一步探索生物工程背景下的氢键可以揭示新的组装策略，从而开发可控并且可以精确调整的免疫疗法。
在本文中，详细探讨了自发组装技术如何用于改进免疫治疗。自发组装的策略受益于简单、低能量的制造方法，这些方法可以产生一致的并且可控的免疫疗法配方。为了在临床环境中实现这些益处，需要更好地理解如何设计用于组装的免疫信号。阐明哪些生物物理性质可以实现自发组装的一般原理，而不考虑特定的免疫线索，将增强自发组装策略的调控，并允许更实际的个性化免疫治疗的发展。随着对如何设计免疫疗法有了更好的理解，自发组装可能成为开发新的和改进的临床免疫疗法的一种强有力的方式。
参考文献
1.Eugene Froimchuk, Sean T. Carey,Camilla Edwards, et al.Self-Assembly as a Molecular Strategy to ImproveImmunotherapy. Accounts of Chemiacal Research.2020.7.
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