《Vaccine》：Iron-oxide nanoparticles (SPIONs) enhance malaria vaccine antibody response
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疟疾疫苗研发中，通过Fe3O4–COOH SPIONs递送PfMSP-1抗原，实验显示单次或三次剂量均能增强IgG应答，其中三次剂量效果最持久。SPIONs通过表面修饰实现稳定抗原负载，并延长免疫应答。
阿斯旺·阿尔-阿布迪（Aswan Al-Abboodi）、伊斯拉·库赛·法利赫（Israa Qusay Falih）、穆罕默德·阿尔-阿萨迪（Mohammed Al-Asadi）、巴伊达·阿贝德·侯赛因（Baydaa Abed Hussein）、穆罕默德·阿卜杜勒·阿里·贾贝尔·阿尔-萨迪（Mohammed Abd Ali Jabber AL-Saady）、塔梅尔·阿德南·阿卜杜拉（Thamer Adnan Abdullah）、穆马尔·阿尔-萨迪（Moumal Al-Saady）、谭纳特（Tan Nhat）、南丁乐（Nang Dinh Le）、福克-庄乐（Phuoc-Cuong Le）
伊拉克迈桑大学（Maysan, Iraq）理学院生物系
摘要
传统的亚单位疟疾疫苗通常只能引发温和且短暂的抗体反应，且缺乏有效的递送系统。为了解决这一问题，研究人员评估了羧基化的超顺磁性氧化铁纳米颗粒（Fe?O?–COOH SPIONs）作为重组恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）裂殖子表面蛋白-1（PfMSP-1）C末端片段的载体。研究首先合成并功能化了SPIONs纳米颗粒，随后将其与PfMSP-1结合，并量化了抗原的负载量。BALB/c小鼠（每组8只）通过皮下注射接受了四种不同的治疗方案：仅注射SPIONs（对照组）、在第0天、第21天和第42天分别注射25 μg的可溶性PfMSP-1、单次注射0.25 mg的SPIONs和25 μg的PfMSP-1，或在第0天、第21天和第42天分别注射相同剂量的SPIONs和PfMSP-1。在初次免疫后，定期采集血清样本用于ELISA分析。结果发现，单独使用SPIONs无法诱导出可检测到的PfMSP-1特异性IgG，而可溶性抗原即使在三次注射后也只能产生中等水平的抗体滴度。相比之下，SPIONs结合的抗原显著增强了体液免疫反应。单次注射SPIONs-PfMSP-1后产生的IgG反应虽然延迟出现，但持续上升，这与抗原的持续释放有关。尤为显著的是，三次注射SPIONs-PfMSP-1的治疗方案在整个观察期间产生了最高且最持久的抗体滴度。这些数据表明，Fe?O?–COOH SPIONs显著提高了抗PfMSP-1抗体的效价和持久性，优于可溶性抗原。这一发现强烈支持将SPIONs作为疟疾抗原递送平台的实用性，有望实现剂量节省和灵活的接种计划。
引言
在发展中国家，疟疾仍然是一个严重的公共卫生问题，是导致死亡、疾病和经济损失的主要原因之一。有效控制这种疾病需要综合采取公共卫生措施、媒介管理及化学治疗[1][2]。然而，这些干预措施常常受到高成本以及杀虫剂和药物抗性的限制。开发能够提供保护性免疫的疫苗是一种互补且极具价值的策略。但由于疟原虫的生物学复杂性以及自然获得的免疫反应效力有限，这一目标尚未实现[3]。
除了传统的免疫流行病学方法外，数据驱动的方法正在逐步改变疟疾控制工作，包括环境风险分层和结果预测。定量评估对于评估疫苗递送性能至关重要，涉及抗原负载效率、释放动力学和时间依赖性的抗体反应。这一框架为未来的研究提供了可重复的基线和结构化的数据集，包括随着大规模数据集的出现而发展数据驱动或机器学习方法[4][5]。
我们地区的流行病学研究表明，从食源性和口源性原生动物感染到人畜共患病，寄生虫疾病带来了巨大的负担，这凸显了对准确诊断和有效预防措施的需求[6][7][8][9][10]。在这一背景下，能够引发针对疟疾血液阶段寄生虫持久免疫的疫苗相关策略代表了未来疟疾控制的方向。
针对疟疾无性繁殖阶段亚单位疫苗的一个非常有前景的目标是裂殖子表面蛋白1（PfMSP-1）的19-kDa C末端片段。PfMSP-1是裂殖子表面最丰富的蛋白质，裂殖子是负责侵入红细胞（RBC）的寄生虫形式[11]。多项研究表明，PfMSP-1通过促进裂殖子的免疫聚集[12]和触发单核细胞依赖的抗体介导的防御反应[13]来引发针对红细胞寄生虫的保护性免疫。因此，PfMSP-1被广泛研究作为疫苗候选物。然而，其免疫原性较低，可能与其紧凑的结构和含有双表皮生长因子（EGF）样结构域有关[14]。
为了克服这些限制，人们探索了多种策略来提高疟疾疫苗的效力，特别是使用生物材料作为抗原递送平台[15]。这些系统可以减缓可溶性蛋白抗原的快速清除，从而维持抗原的可用性并促进免疫系统的激活。已报道了基于金、脂质、聚苯乙烯、蛋白质、聚合物纳米颗粒、乳胶和二氧化硅的递送载体[16]。
在纳米-生物界面，表面化学和物理化学特性对生物相互作用至关重要。纳米颗粒可以调节微生物的附着和生物膜的持久性，表面电荷、功能基团和配体密度决定了蛋白质的吸附和细胞识别[17][18]。这些机制原理支持使用羧基化表面来实现胶体稳定性和可调的抗原递送，这是我们当前SPION设计的基础。
然而，这些系统也存在缺点：在封装过程中抗原稳定性可能受损，要实现长期持续的释放效果通常需要多次给药[19]。超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）通过生物相容性的、通常是亲水性的涂层进行稳定，使其在水介质中保持良好的分散性。它们的小尺寸和工程化的表面化学特性形成了一个平滑、隐蔽的界面，减少了非特异性蛋白质吸附和细胞附着，有助于减少不必要的免疫激活和局部刺激[20]。与块状植入物不同，SPIONs在有限的空间内分布，并通过生物相容性涂层稳定，可作为高表面积的抗原载体，实现多价展示和可控释放；在本研究中未使用外部磁场，其优势在于纳米颗粒介导的抗原递送和类似库的释放动力学。蛋白质可以通过吸附或共价耦合加载到SPIONs上，通过调整颗粒大小、涂层厚度、电荷和配体密度来调节释放动力学，从而实现快速释放或持续释放[21]。这些特点使SPIONs成为药物和疫苗递送的理想候选者，能够控制抗原的局部递送，增强体液和细胞免疫反应。基于氧化铁的制剂已在生物学应用中得到验证，包括我们对基于氧化铁纳米颗粒的局部系统的评估，进一步证明了其生物相容性和可调表面工程的可行性[22]。这些证据支持选择Fe?O?–COOH作为实用的、可修饰的抗原递送平台。我们之前成功合成了SPIONs[23]，为体外蛋白质结合提供了良好的平台[24]。尽管在疫苗递送平台方面取得了进展，但SPIONs在体内的应用尚未得到探索。本研究使用羧基化的SPIONs在小鼠疟疾模型中递送恶性疟原虫血液阶段的抗原PfMSP-1，并系统评估了由此产生的免疫反应。尽管SPIONs具有超顺磁性，但当前的疫苗递送策略在体内不需要磁力引导。相反，氧化铁纳米颗粒作为生物相容性的、特征明确的载体，用于抗原的结合和常规皮下注射后的持续局部递送。
材料
携带重组恶性疟原虫裂殖子表面蛋白1（PfMSP-1）19-kDa C末端片段的哺乳动物表达载体VR1020（Vical Inc., 加州圣地亚哥）由澳大利亚莫纳什大学（Monash University）微生物学系的罗斯·科佩尔（Ross Coppel）教授团队提供。VR1020-PfMSP-1质粒在Escherichia coli DH5α中扩增，并按照制造商的说明使用Qiagen Mega-prep质粒试剂盒进行纯化。
SPIONs的合成与功能化
按照[23]中的方法，通过改进的化学共沉淀路线制备了磁铁矿（Fe?O?）纳米颗粒。然后按照[24]中的描述进行表面修饰。柠檬酸配体因其三个羧基团而与表面Fe3?位点紧密结合，将柠檬酸固定在磁铁矿上，限制了晶体生长并防止聚集。使用APTS（3-氨基丙基三乙氧基硅烷）作为氨基硅烷偶联剂来固定生物活性分子。
结果与讨论
合成的氧化铁纳米颗粒的XRD衍射图（图1）显示了尖晶石型氧化铁相的特征反射峰，分别对应于（220）、（311）、（400）、（422）、（511）和（440）平面。在测量范围内未检测到其他杂质峰，表明产物主要为单相氧化铁。没有额外的反射峰表明合成条件下的纯度很高。明显的峰宽化可能是由于...
结论
本研究表明，羧基化的超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）为疟疾血液阶段抗原的递送提供了一个稳定且高效的平台。经TEM确认，这些纳米颗粒的核心尺寸小于20 nm，并且在羧基化后表现出典型的流体动力学尺寸分布，适合生物偶联。PfMSP-1的体外释放显示出一个初始的快速释放阶段，随后是持续的释放
科学写作中关于生成式人工智能的声明
作者声明在撰写本手稿时未使用任何类型的生成式人工智能。
CRediT作者贡献声明
阿斯旺·阿尔-阿布迪（Aswan Al-Abboodi）：撰写——初稿、概念构思、方法论、审稿与编辑。伊斯拉·库赛·法利赫（Israa Qusay Falih）：撰写——初稿、数据管理、形式分析。穆罕默德·阿尔-阿萨迪（Mohammed Al-Asadi）：方法论、数据管理、形式分析、审稿与编辑。巴伊达·阿贝德·侯赛因（Baydaa Abed Hussein）：撰写——初稿、概念构思、方法论、审稿与编辑。穆罕默德·阿卜杜勒·阿里·贾贝尔·阿尔-萨迪（Mohammed Abd Ali Jabber AL-Saady）：撰写——初稿、概念构思、方法论。塔梅尔·阿德南·阿卜杜拉（Thamer Adnan Abdullah）：资金来源
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了丹朗大学-科技大学（University of Danang-University of Science and Technology）的支持。
