刷新
Nature子刊 | 四川大学华西医院突破研究：工程化线粒体疫苗在癌症免疫治疗中的潜力与应用
Highlights
1.利用工程化线粒体作为癌症疫苗的新平台，实现了抗原的有效呈递。
2.工程化线粒体疫苗在小鼠肿瘤模型中显示出了显著的预防和治疗效果，与免疫检查点抑制剂联用时效果更佳。
3. 揭示了心磷脂和TLR2在疫苗激活免疫反应中的关键作用
近日，“Cellular & Molecular Immunology”（IF=21.8）上发表了一篇题为“Engineered mitochondria exert potent antitumor immunity as a cancer vaccine platform”的文章。这篇文章提出了一种新型的癌症疫苗平台，利用工程化线粒体作为抗原载体，以激发强大的抗肿瘤免疫反应。
研究背景介绍
心磷脂（CL）是一种主要在线粒体内膜中发现的磷脂，与线粒体功能和细胞死亡信号有关，也作为免疫激活分子参与炎症反应。
树突状细胞（DCs）是专业抗原呈递细胞，对启动免疫反应至关重要。它们能够捕获、处理并呈递抗原给T细胞。
工程化线粒体是通过生物技术手段改造的线粒体，它们可以用于定向传递药物、抗原或其他分子，以实现特定的生物学功能，如在疫苗开发中增强免疫反应。
研究思路分析
研究技术路线图
01疫苗平台构建与初步效果评估
①以卵白蛋白（OVA）或酪氨酸酶相关蛋白2（TRP2）为模型抗原，构建了含有OTC前导序列和选定长度抗原序列的线粒体导向抗原质粒。筛选获得了稳定表达模型抗原的B16-F10细胞系。并证实模型抗原在线粒体中定位富集。最终，从B16OVA和B16TRP2细胞中提取线粒体，制备成肿瘤疫苗用于进一步实验。
②含有OVA的线粒体（OVA-MITO）和含有TRP2的线粒体（TRP2-MITO）被作为肿瘤疫苗在小鼠中进行表征。发现预防性肿瘤疫苗OVA-MITO显著抑制了B16-OVA和E.G7-OVA小鼠皮下肿瘤模型中的肿瘤生长并延长了小鼠生存期。TRP2-MITO疫苗在B16-F10模型中也显示出显著的预防效果。此外，OVA-MITO和TRP2-MITO作为治疗性疫苗也显示出显著的抗肿瘤效果。
02疫苗对免疫系统的激活作用
①将OVA-MITO或对照线粒体注射到小鼠体内，发现注射后，注射部位的DCs数量减少，而引流淋巴结中的DCs数量增加，表明DCs从注射部位迅速迁移。进一步观察到骨髓来源的未成熟树突状细胞（BMDCs）以剂量和时间依赖性方式吞噬线粒体。
②体外实验表明，OVA-MITO显著提高了DCs表面共刺激分子和MHC II的表达水平。体内实验也观察到OVA-MITO激活的DCs在引流淋巴结中的表达上调。制备了OVA-MITO脉冲的DC疫苗。发现OVA-MITO脉冲的DC疫苗显著抑制了肿瘤生长，并延长了小鼠的生存期。此外，TRP2-MITO脉冲的DC疫苗也显示出对B16-F10肿瘤模型的强抗肿瘤能力。
③研究发现，OVA-MITO疫苗接种能显著增加肿瘤浸润CD8+T细胞的数量，提高具有肿瘤杀伤性的CD8+T细胞亚群的比例，并减少抑制性免疫细胞的浸润。此外，OVA-MITO处理还能增强小鼠脾脏中CD4+和CD8+记忆T细胞的比例，表明疫苗促进了免疫记忆的形成。
④通过抗原特异性刺激实验，我们发现OVA-MITO疫苗能显著增加OVA特异性CD8+ T细胞的数量，促进Granzyme B和IFN-γ的分泌，增强CD8+T细胞的细胞毒性。细胞毒性分析进一步证实了OVA-MITO免疫小鼠的脾淋巴细胞对肿瘤细胞具有显著的杀伤作用。移植实验结果表明，OVA-MITO疫苗诱导的免疫细胞能够有效抑制肿瘤生长。
⑤TLR2敲除的树突细胞在接触线粒体后，IL-6、TNF-α和IL-12p70的分泌显著减少，共刺激分子和MHC II的表达也降低。TLR2敲除还显著降低了OVA-MITO和TRP2-MITO疫苗在预防性和治疗性肿瘤模型中的抗肿瘤效果。表明，TLR2在工程化线粒体疫苗激活DCs和细胞免疫反应中起着不可或缺的作用。
03疫苗的安全性与机制探索
①实验表明，CL与BMDCs共培养能显著诱导DC成熟和共刺激分子表达，且这种效应呈CL剂量依赖性。重要的是，TLR2敲除的BMDCs在CL刺激下，共刺激分子和MHC II的表达几乎无变化，而WT BMDCs则能被CL有效激活。
②在后续实验中，对携带TRP2-MITO的CL下调B16-F10肿瘤小鼠进行治疗。发现CL的下调显著减弱了TRP2-MITO的抗肿瘤效果。此外，与对照组相比，添加外源CL的TRP2-MITO进一步增强了TRP2-MITO的治疗效果，甚至延长了小鼠的生存期。
③此外，对接受了三剂OVA-MITO/TRP2-MITO的小鼠进行了检测。发现体重，行为，食欲及血清生化参数在对照组和实验组的小鼠中均无显著异常。对小鼠的主要器官组织进行了抗线粒体抗体检测。与对照组相比，各实验组小鼠的主要器官没有差异。表明在当前研究中，工程化线粒体疫苗具有良好的安全性。
图1. 构建具有工程化线粒体携带模型抗原的稳定疫苗生成平台
图2. 工程化线粒体疫苗抑制小鼠肿瘤生长
图3. 工程化线粒体疫苗可以有效地募集树突状细胞并增强其成熟和局部抗肿瘤免疫反应
图4. OVA-MITO 疫苗激活肿瘤微环境中的 T 细胞免疫
图5. 线粒体疫苗通过调节 TLR2 介导的通路促进树突状细胞成熟
图6. 来自线粒体的心磷脂通过 TLR2 在树突状细胞成熟和抗肿瘤免疫反应中发挥重要作用
结论与讨论
本文研究表明，通过工程化线粒体平台，将抗原OVA和TRP2成功导入线粒体，制备的疫苗在小鼠模型中展现了显著的抗肿瘤效果。疫苗通过招募和激活树突状细胞，诱导了强烈的细胞介导免疫反应，并且心磷脂作为关键的免疫刺激性成分，通过TLR2途径发挥作用。此外，疫苗显示出良好的安全性，为癌症免疫治疗提供了一种新策略。
尽管本研究结果令人鼓舞，但未来的研究需要进一步探索工程化线粒体疫苗的长期效果和机制。包括优化疫苗的稳定性和效力，研究不同肿瘤类型中的适用性，以及探索与其他免疫治疗手段的联合应用潜力。