粉末原子層沉積（PALD）技術與吸入式疫苗開發(fā)

近期，陳薇院士團隊成功研發(fā)吸入式新冠疫苗。俄羅斯總統(tǒng)普京更是身先士卒，接種了自行研發(fā)的“衛(wèi)星Light”鼻腔霧化新冠疫苗，讓吸入式疫苗受到更多的關注。

與常見的肌肉注射式疫苗不同，吸入式疫苗采用霧化器將疫苗霧化成微小顆粒，通過呼吸吸入的方式進入呼吸道和肺部，從而激發(fā)黏膜免疫，而這種免疫是肌肉注射無法提供的。

肌肉注射需要把細細的針扎到血管中

這種全新的接種方式有助于減緩新冠疫情蔓延和接種率提升，為戰(zhàn)勝疫情提供新的解決方案。而在世界范圍內(nèi)，吸入式疫苗的研究與開發(fā)成為趨勢，本文將著重介紹一種全新的方法：將原子層沉積技術（ALD）與吸入式疫苗開發(fā)結(jié)合，從而提升疫苗的熱穩(wěn)定性與給藥能力。

吸入式疫苗通過鼻腔/口腔進入呼吸道

首先我們來談一談吸入式疫苗的優(yōu)勢

· 激發(fā)黏膜免疫

通常，肌肉注射的新冠疫苗只能誘導體液免疫和細胞免疫。而包括新冠病毒在內(nèi)的很多病原體都是率先侵入人體的呼吸道黏膜，感染細胞并實現(xiàn)快速增殖。作為人體免疫系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，黏膜組織往往能產(chǎn)生大量的 lgA（分泌型免疫球蛋白），不僅有效保護人體，還能防止病毒的傳播擴散。因此，吸入式疫苗會首先作用于黏膜組織，誘發(fā)黏膜免疫，在前期即可有效防御病原體入侵。研究表明，吸入式疫苗吸入鼻腔后 3 天即產(chǎn)生大量 lgA，從而抑制抗原對細胞黏膜組織的攻擊。

黏膜免疫機制

· 暈針/恐針者的福利

據(jù)統(tǒng)計，美國有 20-50% 的青少年恐針，嚴重影響了疫苗的接種率。而在國內(nèi)，想必每個人都曾有被打針恐懼支配的時候，面對針頭，猛男落淚。

部分人群還有暈針體質(zhì)，見針腿軟，無法進行藥物注射。這都極大的阻礙了疫苗的推廣。

而采用吸入式疫苗，患者只需將疫苗從口腔或鼻腔吸入，從而直接作用于呼吸道黏膜和肺部，避免恐針，暈針難題。

· 單次給藥，耐儲存

吸入式疫苗可以直接制成干粉，即將制劑噴霧干燥處理后儲存。傳統(tǒng)疫苗需要在 2-8 度的條件下運輸分發(fā)，穩(wěn)定性差。而干粉儲藏的方式極大程度的提升了疫苗的儲存壽命，因為干粉在室溫下即可存放較長的時間。

噴霧干燥方法獲得干燥藥物粉末

此外，由于吸入式疫苗可作用于黏膜組織，因此其使用劑量可遠低于肌肉注射，此次發(fā)布的吸入式新冠疫苗就宣稱只需要傳統(tǒng)劑量的 1/5。劑量的減少可以減少注射次數(shù)，甚至實現(xiàn)單次給藥。而易于操作的優(yōu)勢對基層醫(yī)護人員的要求更低，只需要簡單的培訓便可執(zhí)行。

打針是個技術活，熟練度很重要

但目前吸入式疫苗仍有局限：臨床效果不確定，缺乏穩(wěn)定性

吸入式疫苗相比傳統(tǒng)疫苗有較大的優(yōu)勢，但在實際應用仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。雖然理論上吸入式疫苗可以觸發(fā)黏膜免疫，但載體選擇對于免疫反應也有較大影響，實際臨床試驗時的效果有待考證。另一方面，雖然干粉制劑有利于儲存與運輸，但目前的吸入式疫苗大部分仍然采用液體霧化的方式進入人體。疫苗干粉制備工藝需要突破，即便不需要冷藏運輸，由于喪失液體保護環(huán)境，干粉表面的活性成分（抗原）不穩(wěn)定，遇到水分或較高的熱沖擊極易流失甚至失活。另外粉末的結(jié)塊團聚也會造成分散性和流動性不佳，影響吸入效果。

干粉疫苗的抗原缺乏保護很容易失去活性

粉末 ALD 技術（PALD）

有效的包衣涂層可以防止疫苗的活性成分受到環(huán)境因素影響，同時實現(xiàn)緩釋功能，延長疫苗的有效時間。制備涂層的方法有很多，但粉末原子層沉積技術（簡稱 PALD）作為一種精準可控的納米包覆技術，近年來被廣泛用于新能源，催化，金屬粉末的界面改性應用中，但鮮有應用于藥物粉末的研究。

1. 概念與原理

PALD 特指針對粉末進行的原子層沉積（ALD）的加工技術，其原理為：通過交替式的通入氣相化學前驅(qū)體，從而實現(xiàn)周期性的涂層生長。ALD 會將完整的化學反應分為多步，每次只進行一種前驅(qū)體的半反應，從而實現(xiàn)原子層級別的控制精度。

ALD 反應的原理

2. 特點與優(yōu)勢

正是 ALD 反應的特點，使其能夠在較低的工藝溫度下實現(xiàn)致密的精準涂層包覆。致密，厚度可控，均勻，則是 ALD 相對于其它方法的獨特之處。而 PALD 則是將 ALD 反應在粉末表面實現(xiàn)的技術，其具體實現(xiàn)方式較為復雜（詳情參考🔍：如何利用原子層沉積技術實現(xiàn)粉末包覆）。

PALD 實現(xiàn)致密的氧化鋁包覆顆粒

PALD 與吸入式疫苗開發(fā)結(jié)合

超細粉末存在團聚的弊端，但藥物粉末表面較為敏感，而藥物制造也對添加劑有嚴格的規(guī)定，因此，其它行業(yè)可行的粉末加工方案并不適用于藥物開發(fā)。而 PALD 技術由于反應溫和，涂層薄，精度高的特點，藥物粉末適用性很高。技術的結(jié)合總是需要天時地利人和，而推動吸入式疫苗開發(fā)與 PALD 技術結(jié)合的兩個人（Bob Garcea 與 Ted Randolph），在美國科羅拉多大學博爾德分校一拍即合，成立了 VitraVax 公司，致力于吸入式疫苗的開發(fā)。

VitraVax 公司通過其獨家的 ALTA™ 技術平臺，獲得了高熱穩(wěn)定性的海藻糖基抗原佐劑干粉（可在 70 度下實現(xiàn)數(shù)月的存儲），結(jié)合 PALD 技術，在顆粒表面包覆納米級的氧化鋁涂層，不僅改善了粉末的分散性和流動性，更能維持了長達 6 個月的緩釋效果（該測試采用 HPV 16 疫苗驗證）

250 個周期氧化鋁包覆的疫苗干粉微粒

該藥物主要目標是實現(xiàn)單次 HPV 疫苗注射。HPV（人乳頭瘤病毒）是一種球形 DNA 病毒，能引起人體皮膚黏膜的鱗狀上皮增殖，嚴重時會引發(fā)宮頸癌，肛門癌等惡行腫瘤疾病。HPV 的感染途徑非常多樣， 除了體液傳播外，生活洗漱用品也能引發(fā)交叉感染，讓人防不勝防。HPV病 毒通過攻擊人體內(nèi)的 p53 和 pRb 腫瘤抑制蛋白，導致癌細胞肆無忌憚的繁殖，進而引發(fā)癌癥。而 HPV 疫苗通過預防病毒感染，從而實現(xiàn)腫瘤預防。

HPV 病毒

吸入式疫苗可以有效提升 HPV 疫苗的推廣及分發(fā)難題，但在開發(fā)過程中，仍會面臨很多挑戰(zhàn)。VitraVax 的噴霧干燥技術很好的解決了制粉問題，并實現(xiàn)熱穩(wěn)定性的顯著提升。但干粉在使用中面臨吸濕，團聚的挑戰(zhàn)，同時藥物的緩釋能力也對實現(xiàn)單次給藥至關重要。

PALD 技術提供的納米級氧化物涂層可以完美解決以上難題。其增益效果是多方位的：

· 減少團聚，促進分散

根據(jù)掃描電鏡（SEM）測試結(jié)果，顆粒的一次粒徑大部分在 4μm 以下，而粒徑測試結(jié)果表明較薄涂層包覆后的粉末粒度更小，這說明未包覆的樣品在存放過程中發(fā)生了團聚，使粒徑增大。團聚會造成粉末流動性變差，影響分散效果，這對吸入式疫苗的霧化有較為不利的影響。而 ALD 包覆可有效降低小顆粒團聚的程度，促進粉末分散性提升。

疫苗干粉微粒的粒徑分布（ALD 包覆改善了粒徑分布）

· 增強抗體滴度

干粉疫苗的抗原可能存在直接暴露的風險，而 ALD 涂層可有效防止如水蒸氣等外來污染源與抗原成分接觸，從而實現(xiàn)更穩(wěn)定的儲存。在傳統(tǒng)的液體疫苗中通常會加入一定的佐劑（非特異性免疫增強劑），從而誘導產(chǎn)生更強的免疫反應。但對于干粉疫苗，加入常規(guī)的明礬佐劑并不能顯著提升免疫反應效果，因此與傳統(tǒng)液相制劑相比，免疫反應較弱。而 ALD 涂層能提供類似佐劑的增強免疫反應效果，通過對比，PALD 包覆干粉疫苗比未包覆樣品滴度提升 3-8 倍，同時 PALD 包覆涂層比傳統(tǒng)制劑可提供更高的持續(xù)免疫反應。在孵育后，PALD 包覆干粉試劑也表現(xiàn)更好。

總抗體滴度變化

· 提供更持久的緩釋

單次給藥疫苗要求持續(xù)穩(wěn)定的抗體抗原反應，才能保證長期的抗性。而 ALD 涂層正好可以實現(xiàn)更為長久的緩釋效果。經(jīng)過 PALD 包覆的 HPV 16 疫苗可在 14 周以后，仍在小鼠體內(nèi)檢測到高濃度的 L1 抗體蛋白，且包覆厚度適中的樣品有更明顯的緩釋效果。

標記后的疫苗在小鼠體內(nèi)釋放 L1 抗體蛋白圖像（a. 無包覆；b. 100 cycle ALD; c. 250 cycle ALD; d. 500 cycle ALD）

總結(jié)

PALD 包覆有效改善了吸入式疫苗干粉的緩釋能力以及分散性，同時該技術可以更好的將多種抗原封裝在基體中，實現(xiàn)保護與穩(wěn)定的作用，從而進行很多液相制劑無法兼容的配方開發(fā)，并實現(xiàn)更低的單次有效給藥量。而目前的 HPV 吸入式疫苗在經(jīng)過更好的配方優(yōu)化和臨床試驗后，有望進行大規(guī)模生產(chǎn)。該項目中的流化床/旋轉(zhuǎn)床 PALD 技術源自 Forge Nano 公司（詳情請見🔍：粉末工程的革命：粉末原子層沉積設備選型）

關于 VitriVax

VitriVax 是一家位于科羅拉多州博爾德和馬薩諸塞州波士頓的生物技術公司，致力于與疫苗開發(fā)商合作，將他們的疫苗配制為耐熱的單次給藥吸入式疫苗。由 VitriVax ALTA™ 平臺配制的產(chǎn)品無需冷藏可在全球范圍內(nèi)運輸，可以在貨架上保存數(shù)年，并且只需要一名患者互動即可提供多劑量。目前 VitriVax 已接受來自 Adjuvant Capital 的 A 輪融資，并與 Soligenix 公司合作開展蓖麻毒素候選疫苗的研發(fā)合作。

參考文獻

【1】Powell N, Walker M M, Talley N J. The mucosal immune system: master regulator of bidirectional gut–brain communications[J]. Nature reviews Gastroenterology & hepatology, 2017, 14(3): 143-159.
【2】https://vitrivaxbio.com/
【3】Garcea R L, Meinerz N M, Dong M, et al. Single-administration, thermostable human papillomavirus vaccines prepared with atomic layer deposition technology[J]. npj Vaccines, 2020, 5(1): 1-8.
【4】吸入式疫苗會成為暈針人的福音嗎？https://baijiahao.baidu.com/s?id=1716726245727461149&wfr=spider&for=pc
Saluja V, Amorij J P, Kapteyn J C, et al. A comparison between spray drying and spray freeze drying to produce an influenza subunit vaccine powder for inhalation[J]. Journal of Controlled Release, 2010, 144(2): 127-133.