科学家们发现了一种方法，可以改善和延长淋巴结（LN）的扩展，并研究其对免疫系统和针对肿瘤疫苗有效性的影响。扩大的淋巴结保持正常的组织结构，但显示出机械特征的变化，并且含有较高数量的不同类型的免疫细胞，这些细胞通常参与对疾病和癌症的免疫反应。有趣的是，在对特定与黑色素瘤相关的抗原进行常规疫苗接种之前，先启动淋巴结的扩展，会导致小鼠产生更强效和持久的抗肿瘤反应。
每个人的身体中大约有600个淋巴结，分布在全身。这些小的豆形器官含有各种类型的血细胞，并过滤淋巴液。在感染病毒或其他病原体期间，我们的一些淋巴结可能会暂时肿胀。这种肿胀也可能是由于疫苗注射附近引起的，并被认为是进行中的疫苗免疫反应的一部分。虽然疫苗接种后淋巴结的早期扩展已被研究，但研究人员尚未探讨是否延长淋巴结的扩展会影响疫苗结果。
来自哈佛大学Wyss生物灵感工程研究所、哈佛约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）和瑞士罗氏集团成员基因泰克的研究团队进行了开创性的发现。他们找到了一种改善和延长淋巴结（LNs）扩展的方法，并研究了这一过程如何影响免疫系统和癌症疫苗的有效性。他们方法的关键是使用生物材料制成的疫苗配方，这使得淋巴结的扩展相比标准疫苗更大且持续时间更长。尽管较大的淋巴结保持正常的组织结构，但它们展现出改变的机械特性。研究发现，使用生物材料支架增强淋巴结的扩展，导致对病原体和癌症的免疫反应更有效。在启动淋巴结扩展后施用针对黑色素瘤特异性抗原的传统疫苗，导致小鼠产生持续的抗肿瘤反应。这项结果已发表在《自然生物医学工程》上。该研究还涉及对淋巴结的非侵入性长期监测，深入研究其组织结构和免疫细胞群体。
“我们将持续的淋巴结扩展与更强的免疫和疫苗反应紧密关联，”研究负责人、Wyss研究所创始核心教师David Mooney博士说。“这为免疫学家提供了一个新的探索领域，并可能对未来的疫苗进展产生重大影响。” Mooney还担任SEAS的罗伯特·P·平卡斯家族生物工程教授，并是由美国国立卫生研究院资助并由Wyss协调的改善免疫疗法的免疫工程中心（i3中心）的共同首席研究员。
Mooney的团队在Wyss研究所和SEAS此前已创建各种生物材料支架疫苗配方，在临床前动物模型和首个癌症患者临床试验中进行研究。在本研究中，他们考察了他们的疫苗及其他疫苗如何影响在疫苗注射部位排泄组织液的淋巴结（LNs）的反应。他们还研究了这些疫苗如何影响淋巴结组织的组织结构、不同细胞类型和基因表达，这最终可能影响疫苗的有效性。这项研究为生物材料疫苗配方及其抗击肿瘤生长和感染的潜力提供了丰富的领域。
先前开发的疫苗配方是基于微米级的介孔二氧化硅（MPS）棒，可以在靠近肿瘤的地方注射，以在皮肤下形成细胞可渗透的三维支架结构。这些棒旨在释放一种吸引免疫细胞的细胞因子（GM-CSF）、一种激活免疫细胞的佐剂（CpG）和肿瘤抗原分子。MPS疫苗能够重编程招募的抗原呈递细胞，这些细胞随后迁移到附近的淋巴结，并协调复杂的杀死肿瘤细胞的免疫反应。新的研究揭示了这一概念的其他方面。“疫苗积极改变了淋巴结的结构，以及它们的组织机械特性和免疫细胞群体及功能，”第一作者Alexander Najibi博士说，他的博士论文是在Mooney的指导下完成的。
用超声和纳米设备研究淋巴结
为了调查淋巴结对MPS疫苗随时间的反应，研究团队使用了一种高频超声（HFUS）成像技术。HFUS允许对淋巴结进行无创且详细的成像，类似于使用临床超声监测母亲子宫内胎儿的发展。通过HFUS可以在小动物如小鼠中非侵入性地监测组织和器官的解剖细节。研究团队使用这一方法跟踪注射MPS疫苗超过100天的小鼠的单个淋巴结。他们观察到一个持续到第20天的峰值扩展期，在此期间淋巴结的体积增加了约7倍，显著高于传统疫苗配方。即使在这一峰值扩展之后，MPS疫苗接种小鼠的淋巴结在100天内仍保持显著扩展，显著高于传统疫苗接种小鼠的淋巴结。Najibi和团队使用纳米压痕设备研究淋巴结的机械反应。他们发现，MPS疫苗接种动物的淋巴结虽然总体保持正常结构，但在某些区域较柔软且更具粘性。这伴随着一种组装和控制细胞机械活性细胞骨架的蛋白质的重新组织。有趣的是，Mooney的团队此前研究表明，改变免疫细胞环境的机械特性，特别是其粘弹性，可能影响免疫细胞的发展和功能。这表明为了适应这些变化，免疫系统可能需要进行调整。
根据Najibi的说法，MPS疫苗的生长使淋巴结（LNs）变得更软且更具粘性，这进而影响免疫细胞招募、增殖和分化，形成一种前馈过程。在MPS疫苗接种后，扩展的淋巴结中“先天免疫细胞”的数量增加，如单核细胞、中性粒细胞和巨噬细胞，这些是针对病原体的第一道防线。树突细胞（DCs）也在延迟中达到峰值，因为它们通常转达与疫苗反应相关的信息。身体的免疫系统通过发送来自入侵病原体和癌细胞的抗原信号，来激活“适应性免疫细胞”，这些细胞随后会针对入侵者发起特定的免疫反应。随着DCs的增加，适应免疫系统的T细胞和B细胞类型的数量也随之增加。Najibi指出，响应MPS疫苗的免疫细胞群体的变化模仿了对感染病原体的典型免疫反应。
先天免疫细胞和DCs也被称为“髓源细胞”，因其在免疫系统中的作用而受到认可。Mooney的团队研究了在早期扩展中与淋巴结组织的互动。为了更好地了解髓源细胞对淋巴结扩展的影响，他们与基因泰克的免疫学和再生医学副总裁Shannon Turley博士合作，他是淋巴结生物学和肿瘤免疫学的专家。Turley表示：“MPS疫苗导致淋巴结内部发生显著的结构和细胞变化，从而支持强效的抗原特异性免疫。”通过从淋巴结中分离髓源细胞并分析单个细胞的基因表达谱（单细胞RNA测序），研究小组能够识别髓源细胞的具体变化。研究人员在淋巴结扩展过程中观察到淋巴结（LN）群体的变化，并确定了在持久扩展的淋巴结中具有改变基因表达的不同群体的树突细胞（DC）。他们还发现单核细胞在MPS疫苗接种后增加了80倍，这是所有髓源细胞类型中增幅最大的。他们强调“炎症和抗原呈递单核细胞”亚群体是促进淋巴结扩展的潜在候选者。此外，当他们从接种疫苗的小鼠的循环血液中去除这些单核细胞的特定亚群体时，会影响T细胞在淋巴结中的激活维护和时机。对疫苗接种的反应发生了改变。研究人员还探讨了扩展淋巴结是否能提高疫苗接种的有效性。通过用无抗原的MPS疫苗启动淋巴结中的免疫系统，然后以常规疫苗形式提供抗原，团队观察到抗肿瘤免疫显著提高，且与仅使用传统疫苗的小鼠相比，黑色素瘤小鼠的生存率增加。Mooney还提到，使用不同配方为未来的疫苗接种准备淋巴结，可以成为改善未来疫苗开发的一种简单方法。
在免疫疗法治疗中使用生物材料，可能会显著改善患者的免疫反应，持续时间更长。这一创新方法展示了机械在调节生物系统（包括免疫反应）中可能发挥的重要作用。这些发现由Donald Ingber博士分享，他与哈佛医学院、波士顿儿童医院和SEAS等多家著名机构合作。其他研究贡献者包括Ryan Lane、Miguel Sobral、Giovanni Bovone、Shawn Kang、Benjamin Freedman、Joel Gutierrez Estupinan、Alberto Elosegui-Artola、Christina Tringides、Maxence Dellacherie、Katherine Williams、Hamza Ijaz和Sören Müller。国家卫生研究院/国家癌症研究所（奖项# U54 CA244726和R01 CA223255）资助了这项研究。
