康奈尔大学的研究人员为一种传染病研制了一种新型生物材料——纳米疫苗，它有效地提高了与肠道细菌有关的代谢紊乱小鼠的免疫力。
这项研究首次探索了纳米材料、免疫反应和微生物群落之间的相互关系，这是一个日益重要的研究领域。微生物群——生活在体内的微生物的集合——被认为在人类健康中起着至关重要的作用。
西布利机械与航天工程学院(MAE)和梅尼格生物医学工程学院(BME)助理教授安库尔•辛格(Ankur Singh)表示:“这篇论文强调了微生物群如何影响我们的工程疫苗，以及我们如何通过开发先进材料来克服这些问题。”
辛格是《免疫调节纳米凝胶克服肠道微生物介导的代谢综合征小鼠模型中的有限免疫》一书的高级作者，该书于3月27日发表在《科学进展》杂志上。论文的第一作者是Matthew Mosquera，工程学博士生。
“这项工作开辟了一个新的、令人兴奋的领域的调查生物因素和潜在疾病条件如何影响性能的纳米疫苗,”辛格说,他也是英格兰人精密医学研究所的成员在威尔康奈尔医学中心新成立的康奈尔大学免疫学。“更重要的是，它展示了如何使用这些工程材料，让它们在更广泛的人群中更可行，从而克服对疫苗的免疫力。”
超过三分之一的美国人和全球四分之一的人被认为患有代谢综合征，这是包括肥胖、炎症和胰岛素抵抗在内的多种疾病的保护伞。
肠道微生物群是引起代谢综合征的因素之一，研究人员对微生物群引起的代谢综合征很感兴趣，因为有证据表明微生物群和代谢紊乱都与免疫系统有关。
“从公共卫生的角度来看，理解微生物群如何影响未来的工程疫苗是极其重要的，”生物医学工程助理教授、论文作者之一Ilana Brito说。“这项研究将为探索微生物群的特定成分如何改变免疫反应开辟新的途径。在设计新疫苗时，重要的是设计出能有效跨越多种微生物组成分的材料。”
此前的研究表明，传统的人类流感和脊髓灰质炎疫苗在因肠道生物群落紊乱而导致代谢紊乱的小鼠身上失败。辛格说:“这促使我们研究纳米疫苗的作用，以更好地理解肠道变化中潜在的肥胖和炎症所起的作用。纳米疫苗可能比可溶性疫苗更好。”
纳米疫苗通常由纳米材料组成，可被免疫系统中的细胞吸收，在临床前模型中已发现比传统可溶性疫苗具有更强的免疫诱导作用。
但研究人员发现，使用最广泛的纳米疫苗类型，由聚乳酸(乳酸-糖基乙酸)(PLGA)制成，对患有肠道引发的代谢综合征的小鼠不是很有效。当研究人员在小鼠身上测试PLGA纳米疫苗时，即使添加了一种广泛使用的免疫增强剂，也没有他们预期的那么成功。
“我们问，有没有办法通过设计新的纳米材料疫苗来克服这种限制性反应?””辛格说。“然后我们深入研究了一类调节免疫系统的新材料，吡啶功能化聚(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)，我们最近发现了它的潜力。”
这种新材料形成了一种稳定的含有蛋白质抗原的纳米凝胶，在肠道引发的代谢综合征条件下是有效的。该小组与兽医学院免疫学副教授辛西娅·雷弗(Cynthia Leifer)合作，发现这种新材料能刺激一种受体，这种受体能识别微生物的致病危险信号。
莱弗说:“这项研究很重要，因为它表明，这些纳米凝胶可以同时提供抗原和佐剂，而不需要额外的免疫增强剂，这可能有助于增强它们的免疫激活能力，克服疾病或微生物群改变带来的限制。”“免疫调节疗法是一个热门话题，基于材料的免疫调节方法还处于起步阶段。我们可以用它们做很多事情。”
虽然已经证实微生物群影响免疫系统，但这些发现表明纳米疫苗反过来也会影响微生物群。
他说:“纳米材料可以调节肠道微生物群的组成，我认为这对整个领域非常重要，可能会在材料设计方面产生影响。”“这到底是因果关系还是背后的原因还不是很清楚——有几个假设还有待检验，所以这将是我们未来的工作。”
这项研究的其他参与者包括:MAE和BME的副教授克里斯托弗•埃尔南德斯(Christopher Hernandez);博士生Kim Sungwoong, Kristine Lai, Hao Zhou, Marysol Luna;蒂娜Jing的18;杰森·古斯博士，’ 18;还有普加·雷迪’ 20。
这项研究得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)、美国国立过敏与传染病研究所(National Institute of Allergy and Infectious Diseases)、美国国立生物医学成像与生物工程研究所(National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering)和美国国家科学基金会(National Science Foundation)的资助。
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