学术动态
刘万里/刘冬生/杨雨荷/刘江宁联合开发基于无修饰右手螺旋型DNA基质胶的一体化佐剂平台显著提升疫苗的抗体应答
作者：刘万里 来源自：中国免疫学会 点击数：192 发布时间：2025-07-09
在应对新发传染病威胁时，亚单位疫苗因其卓越的安全性备受关注，然而其免疫原性不足的问题亟待解决。目前，传统铝盐佐剂仍是全球使用最广泛的疫苗佐剂，但其存在免疫效果有限和可能引发局部不良反应等局限性。开发靶向特定固有免疫信号通路激动剂成为当前的有效策略，但这些候选激动剂常常需要额外的化学修饰或者偶联到特定载体上来增强其佐剂作用。这些额外步骤不仅增加了成本，还容易引起副作用：如CpG寡核苷酸通常需进行硫代修饰以抵抗降解，这些修饰可能导致抗CpG抗体、流感样症状甚至细胞因子风暴等副作用，并增加诱发自身免疫反应的风险。因此，开发兼具安全、高效与简便的亚单位疫苗新型佐剂平台，已成为疫苗领域迫在眉睫的研究重点。
2025年7月8日，清华大学生命学院/免疫学研究所刘万里团队（免疫学），清华大学/香港理工大学刘冬生团队（化学/材料）、国家纳米科学中心杨雨荷团队（纳米/结构）、中国医学科学院医学实验动物研究所刘江宁团队（实验动物与感染模型）等国内一系列的交叉学科力量深度协同，在生物医学工程领域的国际顶级学术期刊《Nature Biomedical Engineering》联合发表题为“Enantiomer-dependent and modification-free DNA matrix as an adjuvant for subunit vaccines against SARS-CoV-2 or pneumococcal infections”研究论文。
该交叉学科研究创新性的构建了一种「无修饰的右手螺旋型DNA基质胶」一体化的佐剂平台：仅由五条天然短链 DNA 单链自组装而成，既无需任何化学改造，又具备动态胶体特性，可在注射部位持续缓释，并高效引流至淋巴结靶向富集DNA组分和抗原组分。该DNA基质胶依赖树突细胞中的TLR9-MyD88信号通路激活天然免疫，进而显著增强抗原特异性体液免疫应答和中和抗体产生，实现对SARS-CoV-2和肺炎链球菌感染的强效保护。尤为重要的是，该佐剂的活性严格依赖于DNA链的右手螺旋（D型）手性，避免了化学修饰带来的安全风险，为下一代安全、高效的亚单位疫苗开发提供了全新思路。
交叉学科攻关团队证明了DNA基质胶是一种安全高效的佐剂平台。该DNA基质胶仅由五条天然磷酸二酯骨架的DNA单链（无硫代修饰或碱基甲基化）自组装而成，生产过程简便，易于与不同类别的抗原组分混合免疫。在小鼠模型中，与模式抗原（OVA）或病原体抗原（SARS-CoV-2 Spike/RBD蛋白、肺炎球菌结合疫苗PCV13）联用，该佐剂诱导的抗原特异性IgG抗体滴度显著高于抗原单独免疫组，也显著高于金标准铝佐剂组。该佐剂能诱导快速、强劲且持久的抗体反应。在SARS-CoV-2 Spike蛋白免疫实验中，该佐剂单剂接种即可产生高滴度抗体（铝佐剂需两剂），抗体水平可持续100天以上；再次加强免疫能引发强烈的记忆反应。更重要的是，与硫代磷酸酯修饰的CpG ODN不同，这种无修饰的DNA基质胶不会诱导产生针对DNA基质成分或双链DNA（dsDNA）的自身反应性抗体，显著降低了潜在的自身免疫风险。局部不良反应（如足垫肿胀、疼痛）也远低于铝佐剂。
团队验证了DNA基质胶疫苗能诱导强大的预防保护效力。在SARS-CoV-2感染模型中，经DNA基质胶配伍的Spike蛋白疫苗免疫表达人ACE2受体的转基因小鼠（K18-hACE2）小鼠，攻毒后全部存活且无显著体重下降或临床症状，肺部病毒载量极低，仅显示轻微病理变化。相比之下，单独Spike免疫组小鼠全部死亡，Alum佐剂组存活率仅33%且出现明显病症。DNA基质胶组诱导的中和抗体（NT50）滴度是Alum组的20倍左右。在肺炎链球菌感染模型中， 用DNA基质胶配伍商用肺炎球菌疫苗PCV13免疫的小鼠获得完全保护（存活率100%），无败血症且体重稳定；而单独PCV13组小鼠全部死亡，Alum佐剂组存活率仅50%，且均出现明显体重下降和不同程度的菌血症。
团队综合利用多学科方法阐明了DNA基质胶发挥高效佐剂作用的机制。体内外研究表明，在注射部位，DNA基质胶的滞留时间显著延长（半衰期比可溶性DNA组分延长14倍），并能有效延长共递送抗原的滞留。在生理环境下，DNA基质胶会自发崩解成纳米簇。这种动态解体过程通过计算机动态模拟和物理表征技术（动态光散射DLS、透射电镜TEM）得到证实。自动崩解形成的DNA纳米簇显著提高了其被树突状细胞（DC）吞噬的效率，并促进其活化（上调CD86、细胞因子分泌）。不仅如此，这种动态特性促进了DNA组分的淋巴管靶向运输，使其在引流淋巴结（dLN），特别是在髓质区中高效富集，并与SIGNR1+细胞（髓质巨噬细胞和DC）高度共定位。
团队综合利用实验动物模型揭示DNA基质胶通过激活天然免疫反应，从而激活高效的体液免疫反应。该佐剂在注射部位（足垫）诱导产生强大且特异性的促炎细胞因子和趋化因子（如IL-1β, IL-6, CCL2, CCL4, CCL5），远强于Alum诱导的微弱且混杂的反应。在dLN中，该佐剂能快速（12小时内）诱导强烈的固有免疫反应发生，促进淋巴结显著扩张，募集大量B细胞、T细胞、DC和巨噬细胞，并强力激活DC。为强大的体液免疫应答奠定基础。在抗原存在下，该佐剂能有效促进dLN中生发中心（GC）B细胞、滤泡辅助性T细胞（Tfh）和浆细胞的形成，诱导强效体液免疫放映。
团队综合利用遗传学、免疫学、生物物理学等多学科手段，通过多种基因敲除小鼠模型（包括ZBP1, AIM2, cGAS, STING, TRIF, TLR7, TLR9, MyD88等），发现DNA基质胶的佐剂活性严格依赖TLR9受体及其下游适配体蛋白MyD88，而与胞质DNA感知通路（cGAS-STING等）或TLR7无关。通过骨髓嵌合体实验和细胞特异性MyD88条件敲除小鼠实验证明，MyD88信号在骨髓来源的造血细胞（特别是树突状细胞DC）中至关重要，而在B细胞或角质形成细胞中则非必需。研究者通过体外刺激实验，生物膜干涉技术（BLI）以及免疫荧光共定位等实验证明了DNA基质胶与TLR9蛋白的直接相互作用。
最后，团队从生物化学的核心本质出发，揭示DNA基质胶发挥佐剂功能的手性依赖性和序列依赖性。得益于核酸化学平台的强大支撑，研究者精准构建了具有相同胶体特性的对映体DNA基质胶。免疫学研究平台的系统评估揭示利用天然D型DNA构建的D-DNA基质胶具有强免疫刺激活性，而利用其分子对映体L型DNA构建的L-DNA基质胶（具有相似的胶体特性和纳米簇形成能力）则几乎完全丧失活性。BLI实验进一步证实L-DNA基质无法有效结合TLR9蛋白。这种严格的手性依赖性凸显了天然D型DNA结构在TLR9识别中的关键作用。同样，借助化学平台对DNA序列的精确设计（如将关键CpG ODN相似序列替换为GC），结合免疫学功能测试，发现尽管原始DNA基质胶序列中意外含有多个CG序列，但将其关键CpG ODN相似序列替换为GC（GC-DNA基质）仍保留相当活性；只有将所有CG全部替换为GC才会显著削弱活性。这表明其激活能力不完全依赖特定CpG ODN基序，但仍然和CG数量相关。
综上所述，交叉学科攻关团队成功开发了一种基于无修饰的右手螺旋型DNA基质胶的新型佐剂平台。此一体化佐剂平台巧妙地结合了TLR9激动剂的内在免疫激活能力和纳米颗粒平台的靶向递送优势，通过独特的动态胶体特性实现长效滞留和淋巴靶向递送，并严格依赖TLR9-MyD88信号通路（主要在DC中）激活强有力的天然免疫，最终驱动高效持久的抗原特异性体液免疫和中和抗体产生，提供针对病毒和细菌病原体的卓越保护。其完全避免化学修饰的特性改善了现有佐剂的安全性问题，而严格的手性依赖性揭示了生物识别的精密本质。这项研究不仅深入阐释了DNA材料作为佐剂的作用机制，为理解免疫激活提供了新视角，更开辟了利用材料固有特性（动态性、手性）设计下一代安全高效疫苗佐剂的全新途径，具有重大的科学意义和广阔的临床应用前景。
本研究是交叉学科攻关团队协同合作的结晶，得益于多个团队的通力协作。清华大学生命学院/免疫学研究所刘万里教授（免疫学），清华大学/香港理工大学刘冬生教授（化学/材料）、国家纳米科学中心杨雨荷研究员（纳米/结构）、中国医学科学院医学实验动物研究所刘江宁研究员（实验动物与感染模型）为论文的共同通讯作者。来自交叉学科领域的多位国内培养成才的青年科研工作者，李翠峰博士、李雨欣博士、李桐博士生，周碧妮博士，魏孝辉博士为该论文共同第一作者。该研究得到了国家科技部、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院战略性先导科技专项基金、清华大学春风基金、清华北大生命科学联合中心、清华大学免疫学研究所、清华大学万科公共卫生与健康学院等多项基金资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41551-025-01431-7
DNA基质胶一体化佐剂平台合作开发广告（短期有效）：清华大学刘万里教授和刘冬生教授团队具备DNA水凝胶佐剂应用的知识产权和Pre-clinical研究体系，欢迎对此开展疫苗的后期开发合作（LiuLab@Tsinghua.Edu.Cn）
2025年7月8日，清华大学生命学院/免疫学研究所刘万里团队（免疫学），清华大学/香港理工大学刘冬生团队（化学/材料）、国家纳米科学中心杨雨荷团队（纳米/结构）、中国医学科学院医学实验动物研究所刘江宁团队（实验动物与感染模型）等国内一系列的交叉学科力量深度协同，在生物医学工程领域的国际顶级学术期刊《Nature Biomedical Engineering》联合发表题为“Enantiomer-dependent and modification-free DNA matrix as an adjuvant for subunit vaccines against SARS-CoV-2 or pneumococcal infections”研究论文。
该交叉学科研究创新性的构建了一种「无修饰的右手螺旋型DNA基质胶」一体化的佐剂平台：仅由五条天然短链 DNA 单链自组装而成，既无需任何化学改造，又具备动态胶体特性，可在注射部位持续缓释，并高效引流至淋巴结靶向富集DNA组分和抗原组分。该DNA基质胶依赖树突细胞中的TLR9-MyD88信号通路激活天然免疫，进而显著增强抗原特异性体液免疫应答和中和抗体产生，实现对SARS-CoV-2和肺炎链球菌感染的强效保护。尤为重要的是，该佐剂的活性严格依赖于DNA链的右手螺旋（D型）手性，避免了化学修饰带来的安全风险，为下一代安全、高效的亚单位疫苗开发提供了全新思路。
交叉学科攻关团队证明了DNA基质胶是一种安全高效的佐剂平台。该DNA基质胶仅由五条天然磷酸二酯骨架的DNA单链（无硫代修饰或碱基甲基化）自组装而成，生产过程简便，易于与不同类别的抗原组分混合免疫。在小鼠模型中，与模式抗原（OVA）或病原体抗原（SARS-CoV-2 Spike/RBD蛋白、肺炎球菌结合疫苗PCV13）联用，该佐剂诱导的抗原特异性IgG抗体滴度显著高于抗原单独免疫组，也显著高于金标准铝佐剂组。该佐剂能诱导快速、强劲且持久的抗体反应。在SARS-CoV-2 Spike蛋白免疫实验中，该佐剂单剂接种即可产生高滴度抗体（铝佐剂需两剂），抗体水平可持续100天以上；再次加强免疫能引发强烈的记忆反应。更重要的是，与硫代磷酸酯修饰的CpG ODN不同，这种无修饰的DNA基质胶不会诱导产生针对DNA基质成分或双链DNA（dsDNA）的自身反应性抗体，显著降低了潜在的自身免疫风险。局部不良反应（如足垫肿胀、疼痛）也远低于铝佐剂。
团队验证了DNA基质胶疫苗能诱导强大的预防保护效力。在SARS-CoV-2感染模型中，经DNA基质胶配伍的Spike蛋白疫苗免疫表达人ACE2受体的转基因小鼠（K18-hACE2）小鼠，攻毒后全部存活且无显著体重下降或临床症状，肺部病毒载量极低，仅显示轻微病理变化。相比之下，单独Spike免疫组小鼠全部死亡，Alum佐剂组存活率仅33%且出现明显病症。DNA基质胶组诱导的中和抗体（NT50）滴度是Alum组的20倍左右。在肺炎链球菌感染模型中， 用DNA基质胶配伍商用肺炎球菌疫苗PCV13免疫的小鼠获得完全保护（存活率100%），无败血症且体重稳定；而单独PCV13组小鼠全部死亡，Alum佐剂组存活率仅50%，且均出现明显体重下降和不同程度的菌血症。
团队综合利用多学科方法阐明了DNA基质胶发挥高效佐剂作用的机制。体内外研究表明，在注射部位，DNA基质胶的滞留时间显著延长（半衰期比可溶性DNA组分延长14倍），并能有效延长共递送抗原的滞留。在生理环境下，DNA基质胶会自发崩解成纳米簇。这种动态解体过程通过计算机动态模拟和物理表征技术（动态光散射DLS、透射电镜TEM）得到证实。自动崩解形成的DNA纳米簇显著提高了其被树突状细胞（DC）吞噬的效率，并促进其活化（上调CD86、细胞因子分泌）。不仅如此，这种动态特性促进了DNA组分的淋巴管靶向运输，使其在引流淋巴结（dLN），特别是在髓质区中高效富集，并与SIGNR1+细胞（髓质巨噬细胞和DC）高度共定位。
团队综合利用实验动物模型揭示DNA基质胶通过激活天然免疫反应，从而激活高效的体液免疫反应。该佐剂在注射部位（足垫）诱导产生强大且特异性的促炎细胞因子和趋化因子（如IL-1β, IL-6, CCL2, CCL4, CCL5），远强于Alum诱导的微弱且混杂的反应。在dLN中，该佐剂能快速（12小时内）诱导强烈的固有免疫反应发生，促进淋巴结显著扩张，募集大量B细胞、T细胞、DC和巨噬细胞，并强力激活DC。为强大的体液免疫应答奠定基础。在抗原存在下，该佐剂能有效促进dLN中生发中心（GC）B细胞、滤泡辅助性T细胞（Tfh）和浆细胞的形成，诱导强效体液免疫放映。
团队综合利用遗传学、免疫学、生物物理学等多学科手段，通过多种基因敲除小鼠模型（包括ZBP1, AIM2, cGAS, STING, TRIF, TLR7, TLR9, MyD88等），发现DNA基质胶的佐剂活性严格依赖TLR9受体及其下游适配体蛋白MyD88，而与胞质DNA感知通路（cGAS-STING等）或TLR7无关。通过骨髓嵌合体实验和细胞特异性MyD88条件敲除小鼠实验证明，MyD88信号在骨髓来源的造血细胞（特别是树突状细胞DC）中至关重要，而在B细胞或角质形成细胞中则非必需。研究者通过体外刺激实验，生物膜干涉技术（BLI）以及免疫荧光共定位等实验证明了DNA基质胶与TLR9蛋白的直接相互作用。
最后，团队从生物化学的核心本质出发，揭示DNA基质胶发挥佐剂功能的手性依赖性和序列依赖性。得益于核酸化学平台的强大支撑，研究者精准构建了具有相同胶体特性的对映体DNA基质胶。免疫学研究平台的系统评估揭示利用天然D型DNA构建的D-DNA基质胶具有强免疫刺激活性，而利用其分子对映体L型DNA构建的L-DNA基质胶（具有相似的胶体特性和纳米簇形成能力）则几乎完全丧失活性。BLI实验进一步证实L-DNA基质无法有效结合TLR9蛋白。这种严格的手性依赖性凸显了天然D型DNA结构在TLR9识别中的关键作用。同样，借助化学平台对DNA序列的精确设计（如将关键CpG ODN相似序列替换为GC），结合免疫学功能测试，发现尽管原始DNA基质胶序列中意外含有多个CG序列，但将其关键CpG ODN相似序列替换为GC（GC-DNA基质）仍保留相当活性；只有将所有CG全部替换为GC才会显著削弱活性。这表明其激活能力不完全依赖特定CpG ODN基序，但仍然和CG数量相关。
综上所述，交叉学科攻关团队成功开发了一种基于无修饰的右手螺旋型DNA基质胶的新型佐剂平台。此一体化佐剂平台巧妙地结合了TLR9激动剂的内在免疫激活能力和纳米颗粒平台的靶向递送优势，通过独特的动态胶体特性实现长效滞留和淋巴靶向递送，并严格依赖TLR9-MyD88信号通路（主要在DC中）激活强有力的天然免疫，最终驱动高效持久的抗原特异性体液免疫和中和抗体产生，提供针对病毒和细菌病原体的卓越保护。其完全避免化学修饰的特性改善了现有佐剂的安全性问题，而严格的手性依赖性揭示了生物识别的精密本质。这项研究不仅深入阐释了DNA材料作为佐剂的作用机制，为理解免疫激活提供了新视角，更开辟了利用材料固有特性（动态性、手性）设计下一代安全高效疫苗佐剂的全新途径，具有重大的科学意义和广阔的临床应用前景。
本研究是交叉学科攻关团队协同合作的结晶，得益于多个团队的通力协作。清华大学生命学院/免疫学研究所刘万里教授（免疫学），清华大学/香港理工大学刘冬生教授（化学/材料）、国家纳米科学中心杨雨荷研究员（纳米/结构）、中国医学科学院医学实验动物研究所刘江宁研究员（实验动物与感染模型）为论文的共同通讯作者。来自交叉学科领域的多位国内培养成才的青年科研工作者，李翠峰博士、李雨欣博士、李桐博士生，周碧妮博士，魏孝辉博士为该论文共同第一作者。该研究得到了国家科技部、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院战略性先导科技专项基金、清华大学春风基金、清华北大生命科学联合中心、清华大学免疫学研究所、清华大学万科公共卫生与健康学院等多项基金资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41551-025-01431-7
DNA基质胶一体化佐剂平台合作开发广告（短期有效）：清华大学刘万里教授和刘冬生教授团队具备DNA水凝胶佐剂应用的知识产权和Pre-clinical研究体系，欢迎对此开展疫苗的后期开发合作（LiuLab@Tsinghua.Edu.Cn）