氨基酸侧链结构决定多肽 – 金纳米粒子复合材料所产生的免疫反应

纳米技术的迅速发展创造了各式各样的材料和器件, 它们可以被用于许多生物医学领域,其中包括药物和基因递送、超高灵敏的生物成像、以及体內植入物。这些应用都和材料与生物系统之间的相互作用息息相关。以免疫系统为例子,如果纳米材料或纳米器件与免疫系统产生强烈相互作用, 其结果往往会导致这些材料或器件迅速积累在体內的网状内皮系统(如淋巴结、脾、和肝脏)中,从而限制了其效用,并会产生副作用。因此,在设计药物递送载体、临床成像和再生医学的纳米材料时,应尽量避免材料与免疫系统之间相互作用。另一方面,用材料来操控免疫反应(增强或抑制)可提供一个新的策略来对抗一些致命疾病或增进目前医疗效果。目前有不少研究发现,部分纳米粒子可以提高抗原特异性免疫反应,这可用来提高疫苗对病原体(如HIV)的效果以及对抗某些类型的癌症。在降低免疫反应方面,也有研究显示纳米粒子可用于改善现有的器官移植免疫抑制疗法、治疗急性炎症和自身免疫性疾病。尽管这些成果令人鼓舞,人们对于纳米材料如何综合性地影响免疫系统却知之甚少。因此,理解纳米材料和免疫系统之间的相互作用是设计临床应用纳米材料十分重要的一个课题。加强这方面的研究,能更好地了解纳米材料与免疫系统是如何相互作用及互相影响,这样可以提高纳米药物在体內的治疗效果,同时可减轻其潜在的免疫副作用。

最近,加拿大多伦多大学刘明耀教授领导的研究团队,以杨红博士为首,成功地构建了一个多肽 – 金纳米粒子复合材料体系,并用它作为一个系统模型来研究纳米材料和免疫系统之间的相互作用。此体系特殊之处是巧妙地采用多肽来改变金纳米粒子的表面化学性质, 从而系统地研究这些性质与免疫反应的关系。用来修饰金纳米粒子的多肽有非常相似地氨基酸序列,但在羧基端的氨基酸不同。他们发现这些不同多肽所修饰的金纳米粒子具有相似的大小与表面电荷性,并且在生理条件下相当稳定。然而当这些纳米复合材料与骨髓细胞分化的树突状免疫细胞(dendritic cells)相互作用时,它们的表现却非常不同。此研究团队首次发现氨基酸侧链结构可决定树突状细胞对多肽 – 金纳米粒子复合材料所产生的免疫反应。他们发现含有芳香环结构氨基酸的多肽所修饰的纳米粒子可激活树突状细胞,使其释放更多的促炎性细胞因子(proinflammatory cytokines)和提高细胞表面的共刺激分子(co-stimulatory molecules)的表达,但不影响细胞的形态和造成细胞死亡。反之,用非芳香环结构氨基酸的多肽修饰的纳米粒子不会产生强的免疫反应,可视为是相对免疫惰性的。他们还发现被激活的树突状细胞可促进异种T细胞(allogeneic T cells)的增殖,但不影响同种T细胞(syngeneic T cells)。他们更进一步发现该免疫激活功能纳米粒子可以在小鼠间皮瘤(mesothelioma)肿瘤模型中引发更强的抗肿瘤免疫反应。

这项研究对于下一代临床纳米材料开发有非常深远的影响。它有助于研究者更好地理解免疫细胞是如何与具有不同表面性质或结构的纳米粒子相互作用。它还提供了一个纳米材料在临床治疗、体內成像、及免疫调节应用上的基本设计指导方针。