戒烟新途径:纳米技术修复对尼古丁的依赖

2013-7-09 09:52 来源: 中国新材料网
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  存在于茄科植物中的一种化学成分,是世界上最强的上瘾物质之一,它就是包含在烟草中的尼古丁,其实在卷烟中会发现尼古丁含量更高。吸烟仍是一个全球性的灾害, 科学家预计,目前世界上每年死于与吸烟有关的人数达300万,到2025年这个数字将增至到1000万,意味着吸烟是威胁人类健康的一大隐患。

  美国亚利桑那州立大学生物设计研究所的Yung Chang和她的同事已经启动了一项雄心勃勃的新研究项目,旨在以一种全新的方式攻克尼古丁依赖症。他们从美国国家药物滥用研究所获得了330万美元的研究经费支持,致力于研究尝试设计一种疫苗使其对尼古丁具有免疫作用,使用纳米结构组装DNA。DNA纳米结构能够使合成疫苗的设计和构建更加合理,因为它可以精密控制不同的抗原成分的放置。这种方法可能会提供一种新策略来提高许多不同疫苗的功效。

  Yung Chang是亚利桑那州立大学的一位免疫学家,一直在从事将关键疫苗组成并入到自组装之中,即纳米载体分子中的方法研究。她一直从事此技术的研发工作,而且与纳米技术创新者严浩一起进行合作研究,严浩是单分子生物物理学生物设计中心的一名研究人员,也是化学和生物化学系的杰出人士。加入亚利桑那州立大学这个由跨学科领域的研究人员组成的团队,其中包括免疫学研究人员、有机化学研究人员、DNA结构化学(Sidney Hecht)和生物信息学研究人员,以及来自明尼苏达大学研究尼古丁依赖药理学的专家等,Paul Pentel教授和Mark LeSage教授领导此项研究。为期3年的研究项目,该研究小组希望能识别出有前途的新尼古丁候选疫苗,并能够将其推向临床试验研究阶段。研究人员强调,如果他们的DNA纳米技术方法证明是成功的,那么很有可能被应用到未来疫苗的开发过程中,包括其他的药物滥用、病原体或肿瘤抗原,从而在疫苗开发方面揭开全新的一页。

  致命的诱惑

  在成瘾药物的王国,就其吸食人群数量而言,尼古丁可以说是首屈一指,影响面最广。根据美国疾病控制中心提供的统计数据,仅在美国因为吸烟导致每年大约有44.3万人死亡,超过了人类免疫缺陷病毒(HIV)、违禁药物的使用、饮酒、机动车辆伤害、自杀和谋杀等死亡人数之和。卷烟和其它烟制品中的各种元素对于健康问题产生的负面影响,包括冠心病、中风、心血管疾病、胃溃疡、慢性肺部疾病和肺癌、胎儿脑损伤和胎儿发病率等,人们也不是不知晓其有害健康,而且由于对尼古丁产生很强的依赖,所以导致戒烟并不那么容易。其原因是人吸烟后,卷烟中的尼古丁能够在几十秒内进入血液,取代并抑制啡肽类物质的产生,尼古丁带来的快感与内啡肽相似,因此长期吸食会导致对烟草里的尼古丁产生依赖。肽类物质能起到调节人体的兴奋和抑制作用,人的喜、怒、哀、乐、愉快、焦躁等均受到这些物质的影响。现有的戒烟方法——从尼古丁贴片到12步戒烟法,从口香糖到实验药物——一直在努力探索抑制尼古丁依赖的有效方法,但结果都不令人十分满意。

  现在市场上可以见到的戒烟产品五花八门,主要形式有尼古丁替代法的尼古丁贴片、戒烟茶、激光戒烟法、中草药戒烟液、槟榔戒烟产品等等。就激光照射物理戒烟法而言,这是一种新型的纯物理戒烟疗法,对身体无害,无副作用,其原理在于使正常人的神经系统分泌多种内源性阿片类物质,如β-内啡肽及亮-脑啡肽等受到影响,从而达到降低对尼古丁的依赖性。

  寻求免疫力

  戒烟研究的创新努力已经进行了30多年,其最终目的还是利用人体的免疫系统来对付各种药物上瘾,包括尼古丁。基本的想法是刺激免疫反应,使抗体能够与尼古丁相结合。通过这种方式,大多数或所有摄入的尼古丁分子仍将隐藏在血液中,在大脑中无法达到其目标,从而使其丧失了他们的上瘾能力。虽然动物实验和人体试验已经证明尼古丁抗体的高水平与降低尼古丁依赖之间存在明确的相关性,但是戒烟疫苗的有效性包括节制吸烟的效果迄今令人失望。以这种方式安排疫苗成分,把免疫系统的B细胞,与其结合,进入细胞内部和诱导有效免疫仍然是一个重大的挑战。

  处于研究中的该技术完成了这一壮举,利用DNA的碱基配对属性即遗传代码的生物载体,通过将疫苗组成合理布置到纳米结构之中来实现。Hao Yan的实验室一直是处于在精心制作2-D和3-D DNA纳米结构设计和制造的最前沿,而且这一迅速发展的领域时刻准备着进入生物医学领域。可设计的DNA纳米结构对于疫苗的基本成分提供了高精确度和微妙的控制,并有可能改善免疫原性、有效性和安全性。Yung Chang和她的研究团队将制造三种不同的候选DNA纳米结构,作为该疫苗活性成分的不同平台。其中两种将是由8臂和12臂的分枝状DNA支架构成的纳米结构,而第三种是DNA四面体结构(见图1)。这些纳米结构附加的每一个都将是几个至关重要的疫苗成分:

  尼古丁粒子被称为半抗原,将用许多饰物来装饰纳米结构,其作用就是引起免疫反应。半抗原是能够与抗体的结合的小分子。

  有一种佐剂会附着在DNA结构上,这些佐剂都是疫苗中常用的添加剂,其目的是改善他们的免疫原性。在这种情况下应用的辅助剂被称为CpG ODN,在早前的研究中作为一种B细胞活性的强刺激物。

  辅助细胞抗原(T-helper epitopes)将使疫苗结构更加完善,这些都是被免疫系统认可的抗原成分,也是辅助T细胞所必需补充的抗原成分,T细胞与B细胞协同针对目标抗原产生抗体。

  DNA纳米技术一直受到重视和推崇,其中许多就是由Hao Yan实验室开发的,允许对尼古丁半抗原、佐剂、辅助细胞抗原(T-helper epitopes)以及候选疫苗中这些成分在DNA平台驻留的精密微调。尼古丁在DNA表面的适当显示,对于免疫系统通过尼古丁特定的B细胞的识别过程尤为关键。四面体的DNA结构对于NIC:Th-表位:佐剂复合物(NIC: Th-epitope: adjuvant complexes)提供了多大36个谨慎的位置。如果需要尼古丁半抗原、表位或者佐剂的密度更大一些,就可以利用DNA折皱(DNA origami)来实现,为抗原成分提供多达90个位点。而且,自组装纳米骨架可以通过具有高重现性的高通量模式来制造。研究人员认为完整的候选疫苗将更忠实地模仿天然免疫级联,产生更有效的疫苗。然而,对于这种情况,疫苗结构必须内化进入细胞。其活性将通过使用荧光染料,借助显微镜跟踪分子进行监控。

  正在进行研究的3种DNA纳米结构中的每一种,将测试两种不同佐剂,连同一种非免疫对照。改变半抗原、佐剂以及表位的比例,在反复试验的基础上检测免疫原性,候选疫苗将首先采用小鼠模型来进行评估,疫苗接种后,除了测量血液中的尼古丁水平和大脑中的尼古丁水平之外,需要对测试对象的尼古丁自我给药情况进行评估,这被认为是判定疫苗有效性的金标准。跨学科研究团队的相互协作,该研究小组的目标是鉴定两到三种候选疫苗,可以进一步推向临床试验阶段。