免疫佐剂（adjuvant）增强机体对抗原的免疫应答，产生更强的免疫保护和更久的免疫记忆，显著提升疫苗效果。佐剂还可减少抗原用量，对老年人及儿童等免疫力低下人群意义重大。佐剂起源于1925年，法国兽医Gaston Ramon首次发现一些无菌类添加剂能提高动物（马匹）产生抗体的能力。1926年英国免疫学家Alexander Glenny发现明矾（硫酸铝钾）沉淀蛋白可提高马匹的抗体产量，首次报道铝盐的佐剂效果。此后，铝佐剂被广泛应用于各种疫苗，极大地推动了疫苗的研发。目前为止，铝佐剂仍然是人用疫苗中唯一广泛使用的佐剂。然而，铝佐剂存在极大的缺陷：它不能激活细胞免疫，所以抗病毒和抗肿瘤的效果非常有限。而病毒感染和肿瘤是现代人类健康面临的最大威胁。除铝佐剂外，CpG、AS04、AS03、MF59是仅有的几个获批的疫苗佐剂，但是允许使用的疫苗种类和范围都非常有限。理论上讲，能够激活天然免疫的分子都具备发展成为佐剂的潜能，特别是那些能够刺激细胞产生I-型干扰素的激动剂。因为I-型干扰素促进抗原递呈细胞的成熟与活化，增强机体对抗原的免疫反应。随着天然免疫研究的飞速发展，越来越多的佐剂进入研发阶段。其中由于cGAS-STING通路在体内各种细胞中可被激活并产生I-型干扰素，该通路激活剂的佐剂研发最为瞩目，比如DMXAA、c-di-GMP、cGAMP和Chitosan（几丁聚糖）都在动物（小鼠）中被发现有不错的佐剂效果。

cGAS是细胞中的双链DNA受体，具有核苷酸环化酶的功能。高璞等发现cGAS结合DNA后导致催化结构域构象发生改变，以Mg²⁺为催化辅因子合成第二信使2’3’-cGAMP，后者激活接头蛋白STING（也称作MITA或ERIS），最终诱导I-型干扰素等细胞因子产生。2018年，北京大学生科院蒋争凡课题组发现病毒感染后细胞器中释放的锰离子（Mn²⁺）对抵抗DNA病毒非常重要，并可很强促进cGAS-STING的激活。2020年，约翰霍普金斯大学医学院Jungsan Sohn实验室发现细胞内cGAS优先利用Mn²⁺（而非Mg²⁺）进行2’3’-cGAMP合成，Mg²⁺促进而不是竞争cGAS对Mn²⁺的利用，即生理条件下，细胞内的cGAS使用Mn²⁺进行催化反应；Mn²⁺也可不依赖DNA直接激活cGAS。同年，蒋争凡实验室与北大生科院的苏晓东课题组合作，进一步证明Mn²⁺是细胞内的第二种cGAS激动剂，Mn²⁺与cGAS结合后导致cGAS蛋白发生独特的构象变化，并使cGAS合成2’3’-cGAMP时不需要进行底物的翻转，因此催化效率更高。除了病原体DNA，细胞受损或各种生理压力下细胞器泄露的自身DNA也能激活cGAS。因此，cGAS不仅是病原体DNA的感受器，也是细胞压力和基因组不稳定的传感器，在自身免疫病、细胞损伤及衰老等过程中发挥重要作用。此外，肿瘤组织中抗原递呈细胞的cGAS-STING可被肿瘤细胞来源的基因组或线粒体DNA激活，促进抗原递呈细胞的成熟，进而将肿瘤特异性抗原递呈给T细胞，对于激活机体的抗肿瘤免疫反应起到至关重要的作用。2020年，蒋争凡实验室与解放军总医院韩为东教授团队合作发现Mn²⁺也通过促进cGAS-STING激活来监测肿瘤细胞DNA，在机体的肿瘤免疫监视中发挥重要作用；他们提出的Mn²⁺和PD-1抗体联合使用（类似于“松刹车+踩油门”）的“锰免疗法”通过促进CD8⁺ T细胞活化，显著增强PD-1抗体的肿瘤治疗效果；更为重要的是，I期临床试验初步证实了“锰免疗法”在复发难治及进展期肿瘤中的临床安全性和有效性。类似Mn²⁺通过激活cGAS-STING通路促进CD8⁺ T细胞活化的肿瘤疗法也被国内外多个实验室所发现或证实。这些结果都强烈提示Mn²⁺或者制剂可能具有免疫佐剂，尤其是细胞免疫佐剂的效果。

2021年3月26日，蒋争凡实验室在国际著名免疫学学术期刊《Cellular & Molecular Immunology》上以Research Article形式在线发表了最新研究成果“Manganese salts function as potent adjuvants”，课题组在前期结果的基础上，研发了一种既是免疫激活剂，又是递送系统的纳米锰佐剂（MnJ）。锰佐剂在体内外都表现出优异的免疫佐剂，尤其是细胞免疫佐剂的效果。

在本研究中，蒋争凡实验室首先发现，游离的锰离子（Mn²⁺）作为佐剂免疫动物后很快就被代谢，无法有效发挥佐剂效果。他们通过上百种配伍方式筛选，得到了胶体状纳米锰佐剂（MnJ）。该创新性佐剂既能高效激活细胞免疫并促进体液免疫，也能激活黏膜免疫反应并诱导分泌型IgA产生，用作黏膜免疫佐剂。分子机制的研究表明锰佐剂促进免疫应答的机理是：（1）显著促进抗原递呈细胞如树突状细胞（DC）的成熟；（2）促进单核来源树突状细胞（Mo-DC）的分化；(3)增强抗原递呈细胞摄取抗原的能力；（4）刺激CD4⁺ T细胞的分化；（5）促进生发中心的形成。他们进一步证明锰佐剂的佐剂效果依赖于cGAS-STING和NLRP3-ASC两条信号通路，但有意思的是不依赖于NLRP3炎症小体下游的促炎因子IL-1β和IL-18。小鼠腹腔注射MnJ后能招募大量的巨噬细胞和嗜中性粒细胞，但检测不到IL-1β和IL-18的产生，且Il18^−⁄−小鼠、IL-1受体抑制剂或TNFα抑制剂处理都不影响MnJ佐剂诱导的抗体生成。动物模型显示锰佐剂对几乎所测试的所有种类抗原都有效，能显著提高灭活疫苗的效果，甚至可以将灭活病毒的浓度减少到1/100还能达到完全保护的效果。对于易突变的病毒，免疫单联疫苗也能达到交叉保护的效果。另外，锰佐剂制备的肿瘤疫苗能显著抑制肿瘤的生长和转移，并促进瘤内免疫细胞（活化的NK细胞和CD8⁺ T细胞）的浸润。与其它常用佐剂相比，锰佐剂表现出更为显著的佐剂效果，其可能的分子基础是锰离子不仅诱导β干扰素的产生（如LPS只诱导β干扰素），而且诱导大量的、不同种类的a干扰素，这些额外产生的a干扰素可能以目前还不清楚的机制超强促进抗原递呈细胞的成熟、分化及对抗原的递呈（如图所示）。目前为止，锰佐剂的优异性能已被国内十几个实验室和抗体生产厂家所证实。

相较铝佐剂和油乳佐剂，锰佐剂呈现六个特点。
（1）激活细胞免疫，可用于抗病毒、抗肿瘤。（2）激活体液免疫，抗体产生速度快、浓度高。（3）可用于粘膜免疫吸入使用，非常方便。（4）普适性高，肽、病毒、多糖，效果优异。（5）易代谢，无炎症，无可见毒副作用。（6）无需乳化，直接混匀使用。

目前各种各样的动物疫情（禽流感、非洲猪瘟等）和新冠疫情都亟需疫苗研发，对于灭活病毒和亚单位疫苗，佐剂的作用必不可少。肿瘤治疗也面临许多难题，肿瘤疫苗是一种新的治疗手段，但是大多数肿瘤抗原的免疫原性很弱，免疫细胞无法识别，即“冷肿瘤”，必须要通过佐剂来增强抗原的免疫原性。如果将肿瘤比喻成坏人，它们隐藏在人群中，警察（免疫细胞）就无法识别，那么佐剂就像是人脸识别系统，帮助警察识别坏人。更为重要的是，机体要消灭病毒感染细胞或者肿瘤细胞，必需激活细胞免疫，即细胞毒性T（CD8⁺ T）细胞免疫反应。目前人用疫苗中的铝佐剂由于无法激活细胞免疫，因此抗病毒和抗肿瘤的效果非常有限；而动物疫苗中常用的白油佐剂存在着生物兼容性差、毒副作用较强的问题。因此，有效激活细胞免疫的佐剂一直是一个世界性的难题。此外，我国使用的佐剂绝大多数依赖进口，属于“卡脖子”产品。本研究报道的锰佐剂可以很好填补现有佐剂的不足或空白，并且是铝佐剂发现并使用95年后第二个以金属元素为基础的佐剂。虽然锰佐剂和铝佐剂同为无机盐佐剂具备同等成本优势，但是锰作为一种生物必需的微量元素相比于无法被人体吸收和代谢的铝元素，有更高的生物安全性和相容性。不仅如此，锰佐剂具备远超铝佐剂的免疫活化功能，因此具有巨大的临床开发潜力与价值，可用于抗体制备、疫苗研发和肿瘤治疗，并有望解决我国在免疫佐剂方面的“卡脖子”难题。

生科院已毕业的张睿、王晨光和管玉坤三位博士为论文的共同第一作者，生科院/北大--清华生命科学联合中心的蒋争凡教授为通讯作者。国家纳米科学中心徐静副研究员、北大城市与环境学院万祎研究员和同济大学医学院贾鑫明教授参与了本项目的研究。本研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究项目、北京大学“细胞增殖与分化”教育部重点实验室及“北大--清华生命科学联合中心”的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41423-021-00669-w