功能化氧化石墨烯作为新型纳米佐剂在肿瘤DNA疫苗中的研究

There is an urgent need to develop safe and effective vaccine adjuvants for tumor/cancer vaccines. Due to their unique physicochemical properties such as small sizes, large surface areas, easy modification and good controllability, nanomaterials have been the focus in the development of vaccine carriers in recent years. Among these nanomaterials, graphene oxide (GO) has shown great potentials in biomedical applications such as drug & gene delivery and photothermal therapy of cancer owing to its large surface area which makes more payload for funtional molecules like protein and DNA, and its unique near-infrared (NIR) light absorption property. However, the potential application of graphene-based materials in vaccine research is still unknown. In this study, using plasmid carcinoembryonic antigen (CEA) DNA as model antigen, we aim to systematically investigate the effects of surface chemistry on the adjuvant activity of GO and its underlying mechanisms. Meanwhile, photothermal strategy will be also exploited to enhance the immunogenicity of DNA vaccine. This study may provide important information for the broad applications of graphene and its derivatives in biomedicine fields, propose a novel strategy for the effective improvement of the immunogenicity of DNA vaccines and shed lights on the rational design of nanomaterials as carriers or adjuvants in vaccine research.

研究开发出安全、有效的疫苗载体或佐剂是肿瘤疫苗领域亟待解决的问题。纳米材料凭借其独特的理化性质如粒径小、比表面积大、易于进行化学修饰、可控性好等成为近年来疫苗载体领域的研究热点。氧化石墨烯较大的表面积使其可以载带大量的功能分子如蛋白质、DNA等，同时其在近红外光的独特吸收特性，使其具有更加理想的基因转染能力，而在生物医学领域尤其是基因载体和肿瘤热疗领域显示出独特的优势，然而其在疫苗领域的研究尚未有报道。本项目拟以CEA质粒DNA为模式抗原，通过对氧化石墨烯进行不同的功能化修饰，系统研究表面化学性质对其佐剂活性的影响，揭示其佐剂作用机制。同时，尝试探索光热技术在提高DNA疫苗免疫原性方面的潜在用途，从而为进一步拓宽石墨烯材料在生物医学领域的广泛应用提供重要的理论依据，为"有效提高DNA疫苗的免疫原性"提供新型的技术手段，也为"更加科学合理地设计纳米材料用于疫苗领域"提供重要的理论参考。

凭借其独特的理化性质，纳米材料作为一种新型佐剂已在动物实验显示出良好应用前景。然而，纳米佐剂研发尚处于经验式研究阶段，关于“如何科学合理地设计纳米材料作为疫苗佐剂”尚不清楚。鉴于氧化石墨烯(GO)较大的表面积和易于进行化学修饰等特点，本项目通过对其进行不同表面修饰，以肿瘤DNA和蛋白质抗原为模式抗原，在体外和动物实验水平系统研究了表面化学性质对其潜在疫苗佐剂活性的影响，并对作用机制进行了研究；同时，本项目以大肠杆菌为对象，系统研究了功能化氧化石墨烯与细菌的相互作用。一系列结果表明，表面化学性质对氧化石墨烯的佐剂活性发挥关键作用；只有当GO表面同时修饰适量聚乙二醇和聚乙烯亚胺时，其才可通过激活多条TLRs信号通路活化树突状细胞，进而刺激细胞免疫反应的发生；另外，GO表面修饰聚乙二醇的密度对其与大肠杆菌的相互作用具有重要影响，仅当GO与聚乙二醇的质量比为1:1时，其才可通过促进细菌DNA复制和FtsZ环组装促进细菌的快速增殖。上述研究为进一步拓展氧化石墨烯在生物医学领域的应用范围以及更加全面准确地理解其生物学效应提供了重要信息。.另外，缺乏对树突状细胞(DC)生物学行为的理解是阻碍纳米佐剂快速发展的另一关键因素。本项目利用上转换纳米颗粒在近红外区独特的吸收特性，实现了对DC细胞的高灵敏示踪；上转换纳米颗粒还可作为载体，显著提高基于DC细胞肿瘤疫苗的免疫原性。这为优化基于纳米材料的肿瘤疫苗提供了重要参考。同时，鉴于氧化石墨烯等无机纳米材料无法实现生物可降解，从而限制了肿瘤光热治疗在临床的潜在应用，本项目选择三种FDA批准的材料包括PLGA纳米颗粒为载体、吲哚菁绿为光热分子、咪奎莫特为免疫刺激剂，成功构建了具有临床转化潜力的肿瘤光热治疗平台，并将其与免疫检查点抑制剂联用，在多种肿瘤模型上实现了对抗肿瘤免疫反应的有效刺激，从而有效抑制肿瘤生长、转移与复发。.上述一系列工作为开发安全有效的、基于纳米材料的肿瘤免疫治疗策略提供了重要参考。