預防呼吸道感染，疫苗必不可少。如今，人們對用注射的方式接種疫苗已經不陌生。
近年來，中國科學院過程工程研究所（以下簡稱過程工程所）研究員、中國科學院院士馬光輝和研究員魏煒帶領的科研團隊，開發了基于“微球”技術的干粉吸入式疫苗研制平臺技術，并與軍事醫學研究院生物工程研究所研究員王恒樑和朱力團隊開展合作，在實驗室成功制備出新型干粉吸入式疫苗，在動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，相關研究工作在《自然》發表。“該平臺具有制備速度快、遞送效能高、常溫易儲運、緩釋藥效長等特點。”論文共同第一作者、過程工程所葉通博士向《中國科學報》介紹，“在這一新平臺上制備出的干粉疫苗顆粒可以直達肺泡、有效沉積。”
研究人員（左起李鑫、葉通、焦周光）在觀察實驗樣品。研究團隊供圖
開創“微球”技術新應用
“它還能用來做什么？”2019年6月，魏煒聽完博士生葉通的實驗進展匯報后，提出了這個問題。“它”指的就是一種由聚乳酸類材料制備的表面多孔、內部貫通的微球。研究人員在溫和的實驗條件下，巧妙地將腫瘤的抗原裝進微球中，完成了一種新型腫瘤疫苗的開發，并推進到了臨床個體化治療研究。
其中，微球技術是過程工程所生化工程國家重點實驗室的一項絕活兒。2010年前后，馬光輝帶領團隊采用“膜乳化法”，實現了0.1到100微米內尺寸可控的微球制備，成功研制出一系列設備，攻克了制備尺寸均一微球的世界難題。隨后，魏煒帶領團隊開始專門設計實現藥物遞送、承載腫瘤疫苗的微球，將藥物裝載其中，精準送達病灶部位，并釋放藥物進行治療。
他們發現，這種腫瘤疫苗所用的微球內部呈多孔結構，比同樣體積的微球更輕。于是，他們不約而同想到，進一步調整其結構和性能，開發一種新的肺吸入化療藥物。
在最新發表的這篇論文中，這是故事的開始。
葉通的實驗順利開展。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。正當他準備進行下一步實驗時，2020年1月新冠疫情成了這項研究的重要轉折點。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微球，做成吸入式疫苗？”
微球在手，好比生產一輛汽車已經有了底盤，裝載什么決定了這輛車的應用。他們決定改變原計劃，讓這輛“車”裝載呼吸道病毒抗原和佐劑，目標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隊開展的合作研究中，科研人員將尺寸為20納米的蛋白抗原顆粒封裝進直徑為10微米的微球中。將其凍干后，這個內部多孔的微球縮小為直徑2.8微米左右的實心微球，能夠隨空氣進入肺泡。
研究人員期待，這個計劃的實現能為微球技術的應用開辟全新的方向。
創新遞送過程評價方法
深耕微球領域的科學家相信，基于微球技術的干粉吸入式疫苗在遞送過程中會展示出獨特的優勢。
例如，微球的粒徑具有合適的空氣動力學尺寸，能夠精準直達肺泡，有效沉積，防止吸入后被呼出。同時，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，有利于更長時間地誘導免疫反應。特別是緩釋微球抵達肺部后能誘導出長效的體液免疫、細胞免疫和黏膜免疫，這是與傳統注射式疫苗相比最顯著的優勢。
然而，這些設想如何通過科學實驗去證實呢？長期以來，評價疫苗的效果通常采用臨床評估的方法，更加精細地深入到器官、組織、細胞層面的評價方法尚未建立。因此，如何評價微球疫苗吸入到誘導免疫反應的“遞送過程”，成為一道難題。
“這正是我們過程工程所的研究對象。”另一位共同第一作者李鑫博士說。
2020年下半年，實驗出現bug卡殼了。在一次學術交流中，他們了解到一項用來對組織樣本進行三維成像的新技術——光片顯微鏡，這才找到突破口。
他們在微球上標記了熒光，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。一張顯示肺部和支氣管的三維圖像出現在電腦屏幕上，橙色的氣管周圍密集地堆積著綠色的點。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，一系列實驗驗證了研究人員對微球的期待，證明疫苗具有“優異的肺部逐級遞送效果”，在小鼠、倉鼠及非人靈長類動物身上實現了誘導快速、長期和高效的“黏膜-體液-細胞”三重免疫應答。動物實驗證實，疫苗單次吸入能夠超過30天長期滯留在肺部。光片顯微鏡的觀測表明，95%的微球沉積在肺泡上。細胞實驗證明，60%的納米顆粒被免疫細胞攝取。此外，在單細胞測序等技術的幫助下，針對其背后的免疫增效機制的探究也得以開展。
博士延期、4次“對話”終發表
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間里經歷了與編輯部的4次“對話”，最終得以發表。
葉通介紹，第一次對話是補充了有關T細胞的實驗和傳播模型實驗。研究人員與中國醫學科學院醫學生物學研究所研究員和占龍團隊開展合作，模擬真實傳播場景，構建空氣傳播保護模型、密切接觸保護模型、空氣傳播阻斷模型。這些模型的結果都證明，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驗數據。兩個月后，2023年1月，論文沒有被接收，編輯部再次返回了審稿人的意見——還需要補充一些實驗。當時，葉通已經處在博士畢業的關鍵期。“但這篇論文工作尚未完成，我主動延期，回到組里繼續干活，一心想把這個課題做出來。”他說。
博士延期并沒有影響葉通的干勁兒。他在編輯部回復的郵件中看到了審稿人基本都持“正面”意見，還有審稿人寫道：“即使在多款霧化吸入疫苗已經獲批的當下，干粉吸入式疫苗依然具有創新性。”
2023年7月，在魏煒的指導下，他們提交了一份長達65頁的回復。8月中旬，編輯部第4次發來問題，研究人員再次回復。10月初，論文被接收。
回顧這項研究，馬光輝的感受是，在遞送工程這個新興領域，研究除了要注重創新性，更重要的是要有可轉化的意義、可應用的前景。
據介紹，此次發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的高分子材料，并且疫苗的有效性和安全性已在非人靈長類動物身上進行了系統性研究，已經具備臨床轉化潛力。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06809-8
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