近年来，在基因治疗领域，VLP被越来越多的提及，随着其在靶向药物递送和基因治疗等方面的成功应用，VLP作为一个更具前景的载体工具逐渐被科学家们关注及认可，对VLP的研究也在世界范围迅速展开。今年2月，英国华威大学生命科学学院的研究团队在Journal of Nanobiotechnology上发表了一篇题为：Virus-like particles: preparation, immunogenicity and their roles as nanovaccines and drug nanocarriers的论文。论文描述了VLP的分类，并考虑了基于VLP的疫苗的免疫原性，讨论了用于重组蛋白生产和VLP蛋白生产的不同表达系统，讨论了VLP作为疫苗在预防传染病和癌症中的应用，以及它们的未来前景。
病毒样颗粒（VLP）是由一个或多个不同分子组成的病毒衍生结构，具有自组装能力，模仿病毒颗粒的形式和大小，但缺乏遗传物质，因此它们不能感染宿主细胞。VLP病毒结构蛋白的表达和自组装可以在各种活的或无细胞的表达系统中进行，然后可以组装和重建病毒结构。VLP在预防医学领域越来越受欢迎，迄今为止，已经开发了多种基于VLP的候选疫苗，用于针对各种传染源进行免疫，其中最新的是针对 SARS-CoV-2的疫苗，其功效中正在评估中。VLP具有高度免疫原性，能够通过不同于常规灭活病毒疫苗的途径引发抗体和细胞介导的免疫反应。然而，这种表面显示系统仍有许多挑战需要在未来去解决。被归类为亚单位疫苗的VLP被细分为包膜和非包膜亚型。通过对颗粒表面进行修饰以将其引入特定细胞或组织，增加其在宿主中的半衰期，开发出更有效和更有针对性的VLP形式，这可能会在未来扩大其用途。
VLP的结构分类VLP通过一种或多种病毒结构衣壳蛋白之间的自发相互作用形成最终结构。VLP在结构和视觉上与活病毒相似，但缺乏完整的病毒基因组或缺乏整个病毒基因组。不同VLP采用的各种结构使它们在结构和功能上都有不同的特点。不同病毒衣壳蛋白的自发聚合可以产生具有几何对称性的VLP，通常呈二十面体、球形或杆状结构的形式，具体要取决于它们来自哪种病毒。VLP通常可以根据其结构复杂性分为不同的组，衣壳蛋白可以排列成一层、两层或三层，其他单层VLP可以含有多种结构蛋白。虽然单蛋白VLP具有相对简单的结构，但多蛋白VLP具有独特的结构成分，例如存在几个不同的衣壳层（图1a）。其他VLP，例如源自HIV-1和流感病毒的VLP，具有一层脂质，该脂质含有围绕衣壳结构的病毒表面抗原，反映了在天然感染性病毒颗粒中发现的脂质包膜。包膜的存在与否为VLP提供了其他的结构分类（图1b）。经常被包膜的VLP含有一种基质蛋白，它紧邻宿主衍生的脂质膜，病毒糖蛋白嵌入其中。某些VLP需要生成脂质包膜并将病毒蛋白靶向脂质双层，这对选择可用于其生成的生产系统提出了要求。
图1 各种VLP结构的分类
VLP疫苗的生产、纯化和制剂基于VLP的疫苗的通用制造过程通常包括三个主要部分（图2）：（a）上游加工（生产）、（b）下游加工（纯化）和（c）制剂。VLP生产的第一步是克隆所选的病毒结构基因，然后具有自组装能力的病毒结构蛋白在原核（细菌、酵母）或真核（杆状病毒/昆虫细胞、哺乳动物细胞和植物）表达系统中表达。在收获和裂解细胞后，为了确保去除污染的细胞碎片和聚集体，需要进行澄清。为了获得完整和更纯化的VLP，需要再进一步的纯化，如离子交换层析和超速离心。最后的纯化步骤是抛光，用于去除残留的宿主细胞蛋白质和核酸。在VLP疫苗研发生产的最后一步，进行无菌过滤和配制，最终得到安全、高效和有效的产品。
图2 基于VLP的疫苗表达，纯化和配方概述
迄今为止，来自35个病毒家族的110种病毒蛋白已被证明能够组装到VLP中。在这些研究中，几种基于VLP的人类用疫苗，包括用于HBV的Recombivax HB和Engerix-B，用于HPV的Gardasil，Cervarix和用于HPV的Gardasil-9和用于HEV的Hecolin已被许可用于临床。其他几种基于VLP的疫苗也处于设计、生产和批准的不同阶段。基于VLP的疫苗作为适应性免疫的诱导剂病毒衣壳通常含有重复的蛋白质结构，可以刺激先天免疫并直接诱导B细胞产生中和抗体。DC是APC最重要的组成部分之一，也是先天免疫和适应性免疫之间的桥梁。VLP通常约为10-200nm，并且由于DC可以通过吞噬作用和巨噬细胞增多作用吸收小至100-500nm的颗粒，因此VLP非常适合在向免疫系统呈现关键表位之前获得。DC通过相同的PRR与VLP相互作用，例如TLR和C型凝集素受体（CLR）,检测天然病毒。 基于VLP的疫苗在给药后（肠外或粘膜途径）被APC（如DC）识别，并转移到脾脏等次级淋巴组织。DC对VLP的识别和摄取启动了DC成熟过程，导致刺激促炎因子（如TNF-α和IL-1β）的产生。促炎因子招募更多的APC并增加DC中溶酶体蛋白水解的过程。这导致将基于VLP的疫苗加工成小肽，并在树突状细胞表面上以MHC肽复合物的形式呈现这些肽。同时，淋巴细胞共刺激分子（例如CD80，CD86）出现在DC表面上以激活B细胞和T细胞。MHC II类肽和共刺激蛋白激活CD4 + T 辅助细胞，而T辅助细胞是B和T细胞增殖和分化过程所必需的。在某些情况下，B细胞可以直接检测VLP并激活体液免疫，并且独立于先天免疫或T辅助细胞（图4）。
图4 基于VLP的疫苗诱导的适应性免疫激活
VLP在药物输送中的应用尽管VLP以其免疫原性特性而闻名，但近年来科学家们已经注意到了这些纳米颗粒的其他功能，包括它们在药物递送和基因治疗中的应用。除了携带展示在VLP表面的肽/蛋白质或其他活性分子外，它们还具有捕获蛋白质、核酸或其他小分子的能力。因此，它们可以用作将这些分子递送到特定细胞、组织或器官的一种手段。
细胞使用受体介导的内吞作用摄取VLP。在内吞作用期间，质膜围绕VLP并在细胞内作为囊泡萌芽。然后，囊泡与膜分离并进入细胞质基质。释放的囊泡沿细胞骨架运输，与初级内体结合。最终，内体囊泡与初级内体分离，成熟为最终的内体并与含有酸性水解酶的前溶酶体囊泡合并形成溶酶体。外来物质在溶酶体内分解并可供细胞使用。然而，溶酶体降解阻碍了适当的药物递送，因此大约40%的新生产药物由于生物利用度差而被拒绝。使用药物纳米载体是克服这一限制的好策略。迄今为止，已经使用不同的方法开发了几种纳米载体。在纳米载体中，VLP非常适合用于药物递送目的，因为它们能够在溶酶体降解之前逃离内体。VLP具有许多特性，使其成为靶向给药的理想选择。使用这些纳米颗粒递送材料可以提供靶向和细胞内药物递送，增加药物在特定部位（例如肿瘤组织）的积累和生物利用度，最大限度地减少所需的药物剂量并改善治疗效果。一些VLP对特定组织表现出自然趋向性，这是由于它们源自的病毒。例如，由于HBV自然感染肝脏，HBV衍生的VLP可以靶向肝细胞。同样，轮状病毒对肠道表现出特殊的亲和力，因此其衍生VLP的这一特征可用于将药物靶向递送至肠道组织。
更具体的靶向通常是通过在VLP表面展示受体结合域来实现的。靶域可以通过化学或遗传方式连接到VLP的表面，这使得VLP能够选择性地与表达特定受体的癌细胞结合并增强药物的治疗效果 。
VLP也可用于递送核酸。例如，一项研究表明，通过噬菌体MS2衍生的VLP系统递送miR-146a（一种已知的基因沉默剂）是减少易患系统性红斑狼疮的小鼠体内炎症细胞因子的有效治疗方法 。表3 显示了 VLP 用于药物递送的成功应用实例。
表3 VLP作为药物递送的应用
结论随着纳米技术和蛋白质工程的快速发展，使得疫苗载体的开发和改进以及药物的包装和递送工具的开发得以发展。近年来，病毒不仅被认为是疾病的原因，而且被认为是可用于各种应用的功能性纳米粒子。自组装VLP是这些纳米结构之一，能够将抗原和药物输送到组织和器官内的各种靶标。传统疫苗通常是通过灭活或减毒病毒株来生产的，无基因组 VLP提供了新的更安全的替代品。VLP的多样性使它们在结构上有吸引力且功能多样，并且VLP可以设计成携带多价抗原结构，这些结构也可以将抗原化合物输送到特定的目标组织。以及其本身就是免疫原，VLP也已成功用作佐剂以引发强烈的免疫反应。通过选择适当类型的VLP，可以同时刺激先天性和适应性免疫系统，在某些情况下，基于VLP的疫苗已被证明可以通过MHC I类和II类途径刺激体液和细胞免疫，而无需任何佐剂。
VLP不仅可以用作预防性疫苗，通过在其表面展示外来抗原以刺激免疫系统和预防传染病，还可以用作治疗性疫苗，展示患者自身的抗原，帮助他们对抗慢性代谢性疾病或其它不同类型的癌症。几种VLP衍生疫苗已获得商业许可或正在临床试验中进行评估。然而，还需要更多的证据来全面评估基于VLP的疫苗在治疗或预防各种类型癌症方面的潜在功效、副作用、挑战和益处。
诸如使分子正确显示在粒子表面上的技术挑战仍然存在，但对这些结构的持续研究为成功解决这些问题提供了大量信息。我们实验室已经开发出一种解决这个问题的潜在解决方案，即将排序酶识别基序(LPXTG)插入到VLP可能暴露在颗粒表面的不同部分。通过这种方式，可以保留VLP的完整性，并可以在VLP表面上结合任何蛋白质 ，改变VLP外表面以便其将药物输送到特定细胞或组织以治疗特定疾病。为此，必须在表面上传递的分子与该组融合，以故意将这种复合物传递到特定目标。尽管使用基于VLP的疫苗在预防疾病方面取得了重大成功，但该领域仍然存在问题，需要更多的时间去研究才能达到理想状态来应对这些挑战。
文章来源：
Nooraei, S., Bahrulolum, H., Hoseini, Z.S. et al. Virus-like particles: preparation, immunogenicity and their roles as nanovaccines and drug nanocarriers. J Nanobiotechnol19, 59 (2021). https://doi.org/10.1186/s12951-021-00806-7