冰粒与颗粒之间的界面相互作用决定了磷酸铝佐剂的冻干稳定性

《Materials Today Nano》：Ice?Particle Interfacial Interactions Mediate the Lyophilization Stability of Aluminum Phosphate Adjuvants

　　

Xin Li | Muzhe Xu | Bingjuan Che | Zhaoyang Gong | Wendi Shi | Bingbing Sun

大连工业大学化学工程学院，中国大连市凌工路2号，116024

摘要

铝佐剂对于灭活疫苗和亚单位疫苗的有效性至关重要。然而，它们在冻干过程中的有效性常常会受到影响，而冻干引起的损伤机制尚不明确。在这项研究中，我们系统地研究了工程化非晶态铝羟基磷酸盐纳米颗粒（AAHP NPs）在冻干过程中的界面行为。通过全面分析冰-颗粒界面的物理化学性质，我们发现AAHP NPs的表面电荷决定了它们与冰晶的相互作用。带电的AAHP NPs通过静电作用抑制冰晶的重结晶生长，从而减轻了由冰晶引起的物理化学应力，减少了结构损伤，并显著提高了复水后的胶体稳定性。在白喉类毒素疫苗模型中，当在冻干过程中使用5%蔗糖配制带正电的AAHP纳米颗粒时，抗原特异性体液免疫反应得以保持。总体而言，这些结果阐明了冻干对铝佐剂损伤的关键机制，并为冻干疫苗配方的合理设计提供了见解。

引言

冻干通过真空去除冻结后的水分，对温度敏感的生物制品（如疫苗）的稳定性起着关键作用，从而延长了其保质期[1]、[2]、[3]、[4]。这种处理显著降低了最终产品的重量和体积，降低了运输和物流成本，这对全球疫苗分发特别有利[5]、[6]。尽管有这些优点，但含铝佐剂的疫苗却难以进行冻干处理，传统的冻干方法往往会导致免疫原性的显著损失[7]、[8]、[9]、[10]。

先前的研究表明，冻结和干燥过程中冰晶的形成以及水分子的去除会导致铝佐剂颗粒严重聚集[11]、[12]、[13]，这反过来又减少了抗原呈递细胞（APC）对抗原的摄取[14]。除了颗粒聚集外，其他因素也可能导致免疫反应减弱，包括机械压力对表面官能团的破坏[15]、[16]以及佐剂与抗原之间键的晶格结构破坏[17]。冷冻保护剂在冻干疫苗中是必不可少的。Wolff等人建议至少需要10%的冷冻保护剂。最近的研究表明，5%的糖苷有助于防止冻干过程中铝佐剂的严重聚集[15]。然而，尽管取得了这些进展，铝佐剂的物理化学性质与其在冰晶形成和升华过程中的界面行为之间的内在关系尚未得到系统研究。阐明佐剂表面性质如何控制相变过程中的冰-颗粒相互作用对于合理设计稳定的冻干铝佐剂疫苗至关重要。

在这项研究中，我们制备了三种具有不同表面电荷（正电荷、负电荷和中性电荷）的铝磷酸盐纳米颗粒，并评估了它们在冻干过程中在相界面上的行为。结果表明，尽管在冻结和干燥过程中有聚集倾向，但具有强表面电荷的佐剂通过调节冰的形成并抑制颗粒间的静电排斥作用，提高了复水后的胶体稳定性。这种基于电荷的冻干行为减少了作用在AAHP NPs上的机械力，从而最小化了表面损伤并提高了冻干稳定性。在基于白喉类毒素（DT）的疫苗模型中，使用蔗糖作为冷冻保护剂的带正电佐剂配方表现出优异的冻干稳定性。这些发现为理解铝佐剂疫苗在冻干过程中的结构和功能损伤机制提供了关键见解。此外，我们还开发了一种优化配方，提高了疫苗的稳定性，减少了对其冷链物流的依赖，并为设计冻干疫苗配方提供了指导。

章节摘录

AAHP纳米颗粒在冻干过程中的损伤特征

通过精确调整AlCl₃·6H₂O (Al)与Na₃PO₄ (P)的摩尔比，采用化学沉淀法合成了具有不同表面电荷的非晶态铝羟基磷酸盐纳米颗粒（AAHP NPs）[18]、[19]。根据它们在水中的ζ电位，这些纳米颗粒被分别命名为AAHP⁺、AAHP⁰和AAHP^-（图S1A）。参与配体交换的铝基佐剂表面的活性羟基含量...

结论

在这项研究中，我们全面研究了AAHP纳米颗粒在冰-颗粒界面上的冻干行为，并确定表面电荷是该过程中胶体稳定性的关键决定因素。虽然颗粒聚集在预冻结阶段就开始发生，主要是由于在冰-水界面处的积累，并在水分去除过程中进一步加剧，但具有结构稳定表面电荷的AAHP NPs表现出显著增强的抗冻损伤能力。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（U22A20455和W2421006）以及中国国家重点研发计划（2022YFC2304305和2025YFC2311603）的支持。特别感谢大连工业大学仪器分析中心及北京艾迪嘉业科技发展有限公司的协助。