癌症免疫疗法可以利用免疫系统的精确特异性来消灭肿瘤，近年来取得了巨大的疗效。癌症疫苗是癌症免疫疗法领域最有前途的战略之一，它可以诱导抗肿瘤免疫和长期的免疫记忆来消灭原发性肿瘤，并抑制肿瘤的生长、复发和转移。癌症疫苗诱导的癌症免疫需要一系列连续的过程，包括：肿瘤抗原的产生（体外或原位），抗原/佐剂输送到抗原呈递细胞（APCs），抗原的释放和被APCs内化，抗原成功呈递给T细胞，T细胞的启动和激活，抗原特异性T细胞转运到肿瘤中，以及这些T细胞识别和消灭肿瘤细胞（图1）。根据这个癌症疫苗接种级联反应，疫苗成分必须在适当的时间出现在适当的位置，以协调有效和持久的反应。然而，每个步骤的复杂空间和时间控制是一个巨大的挑战，需要对其进行精细的剖析和调节，以控制疫苗接种的免疫反应。近年来，以材料为基础的递送系统侧重于抗原和佐剂的共同递送，以提高癌症疫苗治疗的效果，引起了越来越多的兴趣。在各种材料中，具有不同理化性质的聚合物纳米颗粒（NPs）可以结合多种免疫线索，以增强抗肿瘤免疫效应。

图1. 基于聚合物NPs的癌症疫苗治疗的级联示意图。

  聚合物NPs由于其良好的可修饰性、生物相容性和生物降解性，已被广泛用于制备纳米疫苗制剂。此外，由于聚合物纳米结构的化学多样性，它们可以方便地进行模块化，通过模仿病原体的生化特征来激活免疫信号，从而在接种疫苗时诱发强大的保护性免疫反应。鉴于此，天津工业大学马飞贺研究员和南开大学史林启教授团队综述总结了使用聚合物NPs设计和构建体外（ex vivo）亚单位和原位（in situ）癌症疫苗的最新进展，重点讨论了聚合物NPs用于癌症疫苗的设计原则以及这些NPs如何提高疫苗的佐剂性。最后，简要地讨论了癌症免疫中的分子伴侣，以及课题组团队独特的自组装混合壳聚合物胶束在癌症疫苗中的应用，并为基于聚合物NPs的癌症疫苗的未来发展提供了一些见解。相关综述以“Polymeric nanoparticle-based nanovaccines for cancer immunotherapy”为题发表在Materials Horizons。

1. 用于体外亚单位癌症疫苗的聚合物NPs

  传统的疫苗接种使用的是已经减弱或灭活的病原体，尽管这项技术已经成熟，但由于灭活过程不充分，以及可能恢复到致病形式，这些被削弱和灭活的病原体疫苗成分可能引起安全问题。此外，这些传统方法在某些时候未能针对许多其他重要的病原体。为了解决这些限制，在体外装载抗原的亚单位疫苗已经被设计和开发出来，只包含病原体的最小抗原成分，如选定的肽、蛋白质或多糖抗原，允许更精确的疫苗设计、安全效益和制备工艺。亚单位癌症疫苗可以直接诱导宿主产生大量的抗原特异性T细胞，并刺激免疫系统对抗病原体。但是亚单位抗原往往表现出低免疫原性，APCs吸收有限以及淋巴组织靶向性不足。为了克服这些限制，人们开发了各种免疫刺激佐剂并将其纳入疫苗配方，以增强抗原免疫原性并促进疫苗效力。然而，可溶性形式的抗原和佐剂存在稳定性差、半衰期短、到达靶细胞的能力有限等问题，它们通过这种方式从注射部位自由而迅速地扩散到血液中，降低了刺激免疫细胞的能力，并可能导致全身性的副作用，如细胞因子综合症。基于此，人们开发了各种工程化的NPs来传递亚单位疫苗，以提高佐剂的功效并改善抗原处理，其中聚合物NPs备受关注。肿瘤抗原和佐剂可以通过非共价相互作用（如疏水相互作用和静电相互作用）或与聚合物的共价相互作用来装载。通过调整聚合物纳米结构的物理化学特性（如尺寸、形态、电荷、疏水性和表面官能化等），具有适当释放动力学的聚合物NPs癌症疫苗可以完成特定部位的递送，导致内源性树突状细胞（DCs）的持续招募和激活，并促进抗原呈递以启动T细胞对肿瘤细胞的特定杀伤。聚合物NPs改善癌症疫苗整体佐剂性的方法可以总结为：（1）控制装载效率、转运和释放动力学；（2）靶向DCs和促进抗原内化；（3）促进DCs的激活和成熟；（4）加强内/溶酶体逃逸和抗原交叉呈递；以及（5）修饰聚合物以改善NPs的佐剂性。

2. 用于原位癌症疫苗接种的聚合物NPs

  基于聚合物的递送系统有几个优点，包括增强对过早降解的保护，减少免疫毒性，提高稳定性，改善佐剂性，以及增强细胞摄取和靶向递送效率。对于体外亚单位纳米疫苗来说，基于自组装聚合物材料的疫苗设计侧重于：（1）抗原和佐剂的有效负载和延长循环时间；（2）淋巴结靶向抗原递送；（3）APCs的内化和抗原的释放；（4）通过佐剂的共刺激信号使APCs成熟；以及（5）将抗原呈现给T细胞以引起抗肿瘤反应。然而，体外亚单位疫苗难以克服的一大挑战是不同肿瘤类型和同一肿瘤类型的每个个体都存在固有的肿瘤异质性，因为患者特有的肿瘤抗原是难以识别和分离。因此，用于个性化治疗的原位癌症疫苗策略是解决这个问题的一个有前途的替代策略，在这种策略中，癌症疫苗是在体内产生的，不需要事先识别和分离肿瘤相关抗原（TAAs）。原位疫苗接种是利用存在于肿瘤部位的TAAs来触发特定的适应性免疫反应，通常是通过向肿瘤组织中注射免疫激活剂，同时采取局部措施促进肿瘤的免疫原性细胞死亡（ICD），从而导致TAAs的释放和随后被APCs呈现。此外，这种策略可以利用肿瘤的完整抗原库，而不是局限于个别的TAA。理想情况下，为了引起强烈的抗肿瘤免疫反应，原位疫苗应该能够：（1）诱导肿瘤的ICD并促进TAAs的释放；（2）有效捕获并将TAAs运送到附近淋巴结；（3）促进抗原的吸收和APCs的激活；以及（4）增强T细胞的抗原交叉呈现，从而产生全身性抗肿瘤免疫。最近，生物材料的快速发展为原位疫苗接种提供了很好的平台。这些精心设计的材料可以将治疗剂输送到肿瘤部位，诱导肿瘤的ICD并在原位捕获TAAs，然后像体外疫苗那样激活随后的免疫反应。一旦NPs在原位捕获TAAs，产生的纳米疫苗将表现出与体外疫苗类似的机制，从而激活后续的免疫反应，因此，作者总结了聚合NPs递送系统诱导肿瘤ICD和释放TAAs的不同方式（包括化学疗法，光动力疗法，光热疗法，放射疗法和联合疗法），以及抗原捕获NPs作为原位癌症疫苗的作用机制。

3. 纳米分子伴侣疫苗

  在生物体内，分子伴侣是对生物过程至关重要的蛋白质家族，它与维持细胞的平衡、调整蛋白质的正确折叠以及防止变性蛋白质的不可逆聚集密切相关。除了蛋白质的生产，分子伴侣的功能被公认为对肽和蛋白质的转运至关重要。在材料应用方面，过去几十年来，人们一直在努力开发与天然分子伴侣的结构和生物功能非常相似的人工系统。热休克蛋白（HSPs）作为生物体内最丰富和最普遍的分子伴侣之一，不仅是复杂蛋白稳定的有效调节者，也是免疫系统的有力激活者。HSPs可以通过其独特的微域有效捕获TAAs，形成稳定的HSP-抗原复合物。在离开细胞并进入细胞外环境后，HSPs能够通过与APCs上的受体相互作用，整合适应性和先天性免疫反应，促进DCs的成熟，增强抗原的交叉呈递，从而激活CD4⁺和CD8⁺T细胞。此外，HSPs能够保护抗原在被APCs内化之前不被降解。因此，当HSPs与来自肿瘤细胞的肽形成复合物时，它们可以作为肿瘤疫苗。作者课题组团队也构建了一系列具有可微调表面特性的混合壳聚合物胶束，以模仿天然分子伴侣的结构和功能，以增强抗肿瘤免疫反应。这种基于自组装纳米分子伴侣的纳米疫苗可以通过负载抗原作为体外亚单位癌症疫苗，也可以通过纳米分子伴侣的表面官能化结合疏水微域使其具有捕获抗原的能力，作为原位癌症疫苗。

  尽管疫苗接种疗法是历史上最有效的医疗干预措施之一，但提高疫苗反应的效力、质量和持久性仍然是一个挑战。过去几十年来，材料科学和纳米技术的快速发展为疫苗的开发提供了途径。与使用单独的抗原和佐剂配制的传统疫苗相比，基于纳米颗粒的疫苗在空间和时间上控制疫苗成分与免疫细胞的相互作用方面具有重要优势。此外，近年来FDA批准的基于聚合物材料的纳米药物越来越多。因此，许多关于疫苗的研究，包括基于聚合物材料的疫苗，都在迅速走向临床转化，但其中只有少数进入临床试验。因此，聚合物NPs在癌症疫苗要在临床上进一步应用，仍需克服几个挑战：（1）对于聚合物颗粒佐剂本身，佐剂的机理仍然难以捉摸，佐剂的安全性也需要进一步评估。因此，应深入研究颗粒佐剂的结构和功能之间的关系，以促进更合理的纳米结构设计和这些新佐剂机制的研究。纳米疫苗的生产工艺、制备规模和批次之间的一致性也是临床转化的一大挑战。因此，基于聚合物的纳米材料必须有可靠的、经过验证的制造程序，以保证原材料的稳定性和批次间质量的一致性。此外，应仔细考虑疫苗制剂的储存问题，例如，对于一些温度敏感的聚合物材料，可以在有冷冻保护剂的情况下将纳米疫苗制剂冷冻干燥，以提高其稳定性和运输效率。（2）对于体外纳米疫苗，目前用于癌症疫苗的抗原也可能在正常组织中表达，这为其临床应用带来了安全问题。因此，应该提高癌症疫苗的精确度，这可以通过使用个性化的新抗原或肿瘤特异性抗原（TSAs）而不是传统的TAAs来实现。（3）对于原位纳米疫苗，尽管它们比传统的体外疫苗更加个性化，但原位释放的抗原也是TAAs，面临着上述同样的限制。因此，如何提高原位释放抗原的特异性也是一个关键的挑战。增加TSAs在肿瘤细胞中的表达或通过精细设计的NPs增加对更多TSAs的捕获策略可能具有很好的潜力。

  论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/mh/d2mh01358d