Nature子刊丨工程线粒体—肿瘤疫苗新平台

研究介绍

迄今为止，大多数肿瘤疫苗候选物未能取得临床进展，原因是缺乏有效的抗原递送和佐剂。2024年8月20日，四川大学魏霞蔚团队在《Cellular & Molecular Immunology》（IF=21.8）上发表了题为《Engineered mitochondria exert potent antitumor immunity as a cancer vaccine platform》的研究论文，构建出一种线粒体工程平台，用于递送丰富的有效抗原和佐剂，激活强大的抗肿瘤免疫，有效的解决了这一问题。

研究背景

Background

线粒体：一种具有原核生物特征的特殊细胞器，含有各种损伤相关分子模式 (DAMP)，如用于TLR9/STING的mtDNA，能够有效激活免疫。从癌细胞中分离的线粒体很容易被树突状细胞 (DC) 吞噬，从而激活先天性和适应性免疫，产生强大的抗肿瘤效果。

鸟氨酸转氨甲酰酶（OTC）：是线粒体基质酶的细胞质合成前体，通过其NH2-末端前导肽锚定在线粒体上。使用OTC的线粒体定位信号肽，可实现外源或内源抗原导入线粒体，构建具有充足天然佐剂来源的DC靶向递送系统。

该研究旨在利用编码抗原序列和OTC前导序列的慢病毒载体，建立一个线粒体工程平台，生成富含抗原的线粒体作为肿瘤疫苗。体内实验表明，含有模型抗原卵清蛋白（OVA）和酪氨酸酶相关蛋白2（TRP2）的工程线粒体 (OVA-MITO 和TRP2-MITO) 有效募集和激活了DC，诱导了肿瘤特异性免疫，该过程涉及TLR2 通路及其脂质激动剂，即来自线粒体膜的心磷脂（CL）。

该研究表明，工程线粒体是承载有效抗原和免疫佐剂的优质载体，可以优先靶向局部DC并发挥强大的适应性肿瘤免疫。这种通用的疫苗平台，可根据疾病种类携带对应的抗原，具有强大的临床应用的潜力。

研究亮点

1、构建了一种通用的工程线粒体疫苗平台，可递送丰富的有效抗原和佐剂，可根据疾病类型更改抗原种类。

2、揭示了TLR2和CL在免疫激活中的作用。

研究结果

一、模型抗原富集线粒体疫苗平台的构建和效果评价

以OVA或TRP2为模型抗原，构建含有OTC前导序列和选定长度抗原序列的线粒体导向抗原质粒，通过慢病毒载体感染筛选获得稳定表达模型抗原的B1-F10细胞系（B16OVA和B16TRP2）。荧光结果表明，模型抗原在线粒体中定位富集（Fig.1）。从B16OVA和B16TRP2细胞中提取线粒体，制备成肿瘤疫苗OVA-MITO和TRP2-MITO。在小鼠治疗性和预防性模型中， OVA-MITO和TRP2-MITO 都显著抑制了肿瘤生长并延长了生存期，表现出强大的抗肿瘤效果。

Fig.1

二、工程线粒体疫苗的免疫激活作用

体内实验表明，OVA-MITO实现了皮肤和引流淋巴结中DC的重分布，增加了淋巴结中的DC，并加速了对OVA-MITO的吞噬，有效激活了DC，其DC成熟标志物CD80、CD86、CD40和MHC II的表达水平均显著上调。（Fig.2A-I）

与基于DC的肿瘤疫苗联合使用时，OVA-MITO脉冲DC疫苗显著抑制了肿瘤生长，并延长了小鼠的生存期，显示出强大的抗肿瘤能力。（Fig.2J-K）

Fig.2

进一步流式结果表明，OVA-MITO疫苗能显著增加细胞毒性T淋巴细胞（CTL）和OVA特异性CD8+ T细胞的数量，降低抑制性免疫细胞的浸润，增加Granzyme B和IFN-γ的分泌，增强CTL的杀伤能力。此外，OVA-MITO处理增加了小鼠脾脏中记忆T细胞的比例，表明工程线粒体疫苗促进了免疫记忆的形成。（Fig.3）

Fig.3

三、工程线粒体疫苗免疫激活的机制研究

将TLR2基因敲除小鼠的树突状细胞与线粒体一起孵育，结果表明， IL-6、TNF-α 和 IL12p70 的显著减少，标志物CD80、CD86、CD40和MHC II的表达水平也降低。与野生型小鼠相比，TLR2敲除还降低了工程线粒体疫苗在预防和治疗性肿瘤模型中的抗肿瘤效果。（Fig.4）

Fig.4

体外实验表明，CL与DC共培养能显著诱导DC成熟，且TLR2敲除的DC在CL刺激下，DC成熟标志物表达几乎无变化。（Fig.5A-C）

使用CL下调（siCrls1）的 TRP2-MITO 治疗 B16F10 模型小鼠，结果发现，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增强了TRP2-MITO的治疗效果，甚至延长了小鼠的生存期。（Fig.5D-I）

以上结果证明，来自线粒体的CL通过TLR2通路促进DC活化、激发抗肿瘤免疫，这与工程线粒体疫苗的抗肿瘤作用密切相关。

Fig.5

研究讨论

本研究表明，工程线粒体肿瘤疫苗平台通过导入指定抗原，在对应的肿瘤模型中取得了强大的抗肿瘤治疗效果。疫苗通过CL和TLR2通路发挥免疫激活作用，诱导了强大的适应性免疫。此外，该工程线粒体肿瘤疫苗平台生产方便、副作用小、安全性高，值得在临床试验中进一步研究。未来，工程线粒体可以作为开发传染病预防性疫苗的抗原递送平台。

参考文献

[1] Luo, J., Mo, F., Zhang, Z. et al. Engineered mitochondria exert potent antitumor immunity as a cancer vaccine platform. Cell Mol Immunol (2024).

文案 | 木玲

排版 | 姜笑南

审核 | 姜笑南

发布｜姜笑南

世界生命科学大会

RECRUIT

关注我们，获取生命科学

学界前沿｜促进更多的学术交流与合作

业界前沿｜促进更快的产品创新与应用

政策前沿｜促进更好的治理实践与发展

我们期待你的加入