疫苗接种在降低病原体感染导致的重症率和死亡率方面取得了不可否认的成功。然而，疫苗接种部位与病原体暴露途径（如呼吸道病原体）之间的脱节意味着许多疫苗仍难以有效预防初始感染。这在已有疫苗中表现得很明显，如无细胞百日咳疫苗不能很好阻止病原体在鼻腔定植，而最近的COVID-19疫苗，仍有突破性病例发生【1,2】。
哈佛大学医学院研究黏膜免疫的免疫学家Ulrich von Andrian说：“我们希望有一个驻留记忆性免疫细胞群体，能迅速识别病毒已经侵入，并快速启动免疫应答，在病原体有机会扩散到肺部或身体其他部位之前将其消灭。”驻留记忆T细胞和B细胞是免疫细胞，在被激活后会驻留在特定的组织中，为该部位提供局部保护【3,4】。
除了口服脊灰疫苗和鼻内流感疫苗等极少数疫苗外，大多数免疫接种都通过肌肉注射。然而，虽然肌肉注射疫苗能产生强大的循环抗体和全身记忆细胞应答，但对呼吸道等黏膜屏障的保护作用却很差。von Andrian解释说："改进后的疫苗最好能在鼻黏膜或病原体进入部位产生驻留记忆性免疫细胞群体。
因此，许多研究人员对开发鼻腔疫苗很感兴趣，一些研究人员已经在动物模型中证明了前景可观。一研究小组发现，鼻腔疫苗可诱导小鼠肺部的记忆T细胞，并可维持一年【5】。另一研究小组观察到，气道流感疫苗可促使记忆B细胞向黏膜分泌免疫球蛋白 A(IgA)；这种气道途径的免疫接种还可提供针对不同病毒株的保护【6】。
尽管鼻内免疫有这些益处，但对其长期保护效力和安全性的质疑限制了人体试验。不过，对新型佐剂和鼻内免疫的研究正在帮助缩小这一差距。
鼻内免疫的障碍
针对鼻腔和呼吸道接种疫苗的一个主要挑战是克服这一区域的许多生理障碍。密歇根大学免疫学家Pamela Wong说："由于我们每天都要通过鼻腔和呼吸道表面接触大量抗原，因此这些表面的免疫环境具有非常独特的特征。
这些特征包括抑制性T细胞和抗原呈递细胞群，它们可以调节局部免疫应答，最大限度地减少激活，从而形成一种耐受状态，避免在非病理情况下出现过度反应。【7-9】这条通道还经常分泌黏膜，捕捉和排出进入其中的大部分物质，而上皮细胞上的纤毛则有助于进一步清除微粒。【10，11】此外，上皮细胞本身是疫苗的障碍。“这种屏障往往非常紧密，”von Andrian解释道，“这意味着，如果只是将含有 mRNA 或重组蛋白的脂质纳米颗粒与佐剂一起注入鼻黏膜，那么很可能无法获得真正有效的免疫效果。”要使鼻内疫苗有效，抗原必须能够进入上皮另一侧的免疫细胞。
克服这些挑战的早期方法之一是利用腺病毒作为疫苗载体，因为其具有绕过人体黏膜防御系统的机制【12】。另外，腺病毒还能刺激免疫系统，使其成为克服这些细胞免疫耐受的理想选择。不过，这些减毒载体仍会给免疫系统受损的人带来安全隐患，早期的病毒载体疫苗有可能导致面瘫【13】。此外，免疫系统可能会产生记忆性防御，因此它们不适合多次应用【14,15】。
证据就在鼻腔疫苗配方中
为了克服这些局限性，研究人员将注意力转向了合成载体和佐剂，如水包油型纳米乳剂与免疫激动剂的结合。【16-18】这些疫苗的配方对于确保其成功非常重要。von Andrian 解释说：“佐剂必须与抗原结合在一起，而且两者必须到达同一个抗原呈递细胞。”
Wong和她的同事开发了一种鼻内纳米乳剂，它能激活多种免疫受体【19,20】。Wong解释说："它能携带抗原，帮助抗原更好地穿过黏膜，而且还能通过将一些抗原粘附在粘液上，提供一个抗原储藏库。”在一期临床试验中，这种佐剂是安全的，并能诱导鼻腔和血液循环中的抗原特异性抗体应答【21】。
最近，Wong的研究小组与Icahn医学院的研究人员合作，将他们的纳米乳剂与一种能激活RIG-I（一种抗病毒免疫受体）的RNA激动剂结合【22】。“通过将我们的纳米乳剂与他们的RNA激动剂结合，我们已经能够获得一种更加量身定制的免疫应答来触发抗病毒途径。”她说。
研究人员对利用这种佐剂在鼻内递送 SARS-CoV-2刺突蛋白的配方进行了研究，将其作为一种独立的鼻腔疫苗，或者作为辉瑞公司mRNA COVID-19肌注疫苗后的鼻内加强剂。【23】这模拟了在其他黏膜模型和COVID-19加强剂次接种中探索的“启动-招募”策略。【24,25】其原理是先接种疫苗诱导T细胞和B细胞群在体内循环寻找抗原。在呼吸道进行的二次接种会将这些免疫细胞召集到这一区域，这些细胞在这里作为记忆细胞群体驻留，随后抗原进入鼻腔或呼吸道时就会激活它们。
虽然肌肉注射的初免和加强免疫能诱导出强大的循环抗体，但只有包括鼻内配方（单独或作为肌注疫苗的加强免疫）的免疫策略才能产生黏膜 IgA。研究小组在他们的挑战模型中证明了这一点的重要性，虽然肌肉注射进行初免和加强免疫能保护小鼠免于严重疾病，但只有将鼻内疫苗接种作为初免和加强免疫，或者作为肌注初免疫苗后的加强剂次，才能阻止上呼吸道的病毒感染。此外，鼻内疫苗接种对不同的 SARS-CoV-2 株具有更好的交叉保护作用。
绘制免疫记忆图以指导疫苗设计
虽然佐剂有助于克服在诱导呼吸道黏膜疫苗应答方面的挑战，但研究人员对跟踪疫苗成效的机制也很感兴趣。von Andrian说："如果给人接种，就需要疫苗效果的持久性。"第一个挑战是，如何安全地诱导鼻黏膜中的局部记忆细胞？其次，如何长期维持该记忆群体？回答这些问题可以改进疫苗设计。
Weizmann科学研究院的免疫学家Ziv Shulman和他的团队利用全器官成像技术研究了胃肠道的黏膜应答。Shulman说，随着 COVID-19疫苗的推出，许多研究都在探索抗体应答及其对病毒的活性，但他有一个不同的问题。“细胞在哪里？支持免疫应答的结构在哪里？”
为了将他们的技能应用到新的系统中，Schulman和他的团队开发了一种鼻内疫苗接种模型，研究记忆性呼吸道黏膜细胞的发展并确定其生态位【26】。为了分离疫苗驱动的免疫应答，他们使用了一种卵清蛋白免疫模型。
Jingjing Liu是Shulman研究小组的一名研究生，也是这项研究的共同作者。她发现，应答B细胞在鼻腔中一个叫做鼻腔相关淋巴组织（NALT）的区域被激活。然而，接种疫苗后，这些细胞会迁移出NALT。起初，Shulman和他的团队努力寻找这些细胞的最终归宿。Shulman说：“它们没有进入肺部。刘找遍了小鼠的所有地方，比如骨髓和淋巴结，我们都找不到这些细胞。”
Liu想知道这些细胞是否只是到了鼻腔中的一个新生态位。在与神经科学家的合作下，她掌握了全面分析颅骨所需的技能，并找到了B细胞的新家：鼻腔内被称为鼻甲的骨性结构。“我非常震惊，”刘说，她回忆起在淋巴结外看到的细胞群，“就像烟花一样。”
Shulman认为，更多地了解疫苗接种期间和之后的免疫应答为研究人员设计疫苗提供了更好的信息。Shulman说："给我们提供了另一个可以在小鼠和人类身上测量的层面。不仅只看终点的分子，还可以看到过渡点。”
对小鼠的研究结果回答了激活的免疫细胞在受到刺激后的去向问题，使科学家能够更好地研究新型配方的长期疫苗应答。Shulman预计，还有更多关于驱动这些免疫结果的分子机制的知识需要学习，这些知识可以帮助科学家了解疫苗的优缺点。他说："如果我们能在分子层面上绘制出这些信息，我们就能找到哪种疫苗、佐剂、抗原，[能诱导这些细胞]，从而解决问题。”
接下来，Shulman和他的团队希望在人体上证实他们的发现。他们希望与过敏科医生合作，收集鼻息肉样本，试图找到与他们在小鼠身上发现的类似结构。
研究黏膜：鼻腔疫苗及其他
黏膜免疫和佐剂科学的发展必然会帮助更多的鼻腔疫苗进入临床试验阶段，并有望进入市场。不过，Wong和 Shulman都认为这些知识将从整体上改善黏膜科学。
Wong说："目前人们对鼻内疫苗的兴趣之高令人兴奋，但这仅仅是我们利用鼻内和其他黏膜给药系统所能发挥的潜力的开始。” 她强调了这些平台在改善黏膜癌症治疗策略方面的潜力。
与此同时，Shulman正在与医生合作，扩展其团队的研究成果，开发更好的抗过敏治疗方法，并可能利用其团队的研究成果帮助指导干预措施。“通过测试药物，看到细胞正在消失，或者观察到这些骨骼中的细胞被赶走了。这给我们提供了另一个可测量的参数，了解药物或疫苗或任何我们做的事情是否有效。”
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