Vaccination can activate the immune system to develop long-lasting immunity against specific antigens derived from pathogens, and is considered one of the most effective strategies for preventing infectious diseases in individuals as well as public health. In addition to prophylactic vaccines to prevent infectious diseases in advance, therapeutic vaccines to treat diseases that have already occurred are also being developed recently. In chapter 1, the basic introduction to vaccination and advantages and limitations of peptide-based vaccines are described, and self-assembled nanomaterial-based delivery systems are introduced as one of the strategies to overcome the aforementioned limitations.In chapter 2, I described the development of self-assembled nanoparticle based vaccines made of nontoxic, biocompatible lipid components for cancer treatment. Cancer immunotherapy is a treatment that uses the patient’s own immune system to treat cancer, and so is known to have fewer side effects than conventional anticancer therapy and can induce persistent antitumor effects. In particular, cancer vaccines have the advantage of inducing tumor antigen-specific immune responses as well as memory responses, so that long-term sustained antitumor effects can be expected. Despite these advantages of the cancer vaccines, the occurrence of immune evasion and suppression is believed to cause resistance against the vaccines. Immune checkpoint inhibitors, which have recently been in the spotlight as cancer immunotherapy, have been approved for clinical application in several solid cancers in that they can restore immune suppression in the tumor microenvironment. However, there are limitations in that the therapy responsiveness differs depending on the type of cancer and patients, and therapeutic effect is limited when appropriate immune responses do not exist. Therefore, there is a need for combination approach that can increase low responsiveness of the immune checkpoint blockade therapy. To overcome these limitations, combination therapy of cancer vaccine and immune checkpoint inhibitor was conducted, and a strategy to increase the therapeutic efficacy of combination therapy was proposed in this study. In particular, cancer nanovaccine based on lipid nanoparticle that can simultaneously deliver tumor antigenic peptide and adjuvant was developed. The resulting nanovaccine not only induced tumor antigen-specific T cell responses, but also showed highly potent antitumor efficacy in both prophylactic and therapeutic E.G7 tumor models. In addition, cancer nanovaccine can increase the therapeutic responsiveness to immune checkpoint inhibitors by increasing CD8$^+$ T cells infiltration and PD-L1 expression in the tumor tissue, thereby transforming immunologically cold tumor into hot tumor. The possibility of combined use of cancer nanovaccine and immune checkpoint inhibitor was also verified. In order to further increase the therapeutic effect of cancer nanovaccine, combination with anti-PD-1 antibody was performed, and the treatment efficacy was different depending on the treatment sequence and timing of each modality. Sequential administration and combination of the nanovaccine and anti-PD1 antibody could result in an effective antitumor effect and inhibition of tumor relapse. Thus, a new combination treatment regimen, consisting of cancer nanovaccine and immune checkpoint blockade immunotherapy, based on treatment sequence and timing was proposed. These findings further suggest the need to evaluate these new combination treatment regimens in other immunotherapy modalities.In chapter 3, I described the development of self-assembled protein-based nanobarrel vaccine capable of preventing influenza infectious disease. Although naturally occurring, self-assembled protein nanoarchitectures have been utilized as antigen-delivery carriers, the inability of such carriers to elicit immunogenicity requires additional use of strong adjuvants. Here, I report an immunogenic Brucella outer membrane protein BP26-derived nanoarchitecture displaying the influenza extracellular domain of matrix protein-2 (M2e) as an antiviral vaccine platform. Genetic engineering of a monomeric BP26 containing tandem repeats of M2e resulted in a hollow barrel-shaped nanoarchitecture (BP26-M2e nanobarrel). Immunization with BP26-M2e nanobarrels induced a strong M2e-specific humoral immune response in vivo that was much greater than that of a physical mixture of soluble M2e and BP26, with or without the use of an alum adjuvant. An anti-M2e antibody generated by BP26-M2e nanobarrel-immunized mice specifically bound to influenza virus-infected cells. Furthermore, in viral challenge tests, BP26-M2e nanobarrels effectively protected mice from influenza virus infection-associated death, even without the use of a conventional adjuvant. These findings suggest that the BP26-based nanobarrel developed here represents a versatile vaccine platform that can be used against various viral infections.
백신은 질병의 예방을 위해 면역체계를 활성화시키는 의약품으로, 개인 뿐만 아니라 공중 보건 차원에서 감염성 질병을 예방하는 가장 효과적이고 비용 효율적인 전략 중 하나로 여겨지고 있다. 최근에는 질병을 사전에 예방하는 개념의 예방 백신뿐만 아니라 이미 발생한 질병을 치료하기 위한 치료용 백신 개발 역시 이루어지고 있다. 1 장에서는 백신에 대한 기본적인 소개부터 펩타이드 기반 백신의 장점 및 이의 한계점에 대해 언급하고, 이를 극복하기 위한 전략으로써 자기조립 나노물질 기반 전달체에 대해 소개하고자 한다.2 장에서는 생체 적합성 지질을 이용한 자기조립 나노입자를 제작하여 이를 항암 백신에 활용하는 연구를 기술하였다. 항암 면역치료는 환자들의 고유한 면역 체계를 자극하여 종양을 치료한다는 점에서 기존 항암요법보다 부작용이 적고 지속적인 항암 효과를 유도할 수 있는 것으로 알려져 있다. 특히 항암 백신의 경우, 종양 항원 특이적인 면역 반응을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 기억 반응을 유도하여 장기간의 지속적인 치료 효과를 기대할 수 있다는 장점이 존재한다. 항암 백신의 이러한 장점에도 불구하고, 면역 회피가 유도되어 백신에 대한 저항성이 발생할 수 있다는 한계점이 존재한다. 최근 항암 면역치료제로 각광받고 있는 면역관문억제제는 종양 미세환경 내 면역 억제를 되돌려줄 수 있다는 점에서 몇몇 고형암에서의 임상 적용이 허가되었으나, 실제로 치료 반응성이 암종 및 환자들에 따라 다르다는 점에서 한계가 존재하며 적절한 면역 반응이 존재하지 않는 경우에는 그 효과가 제한적인 것으로 알려져 있다. 따라서 면역관문억제제의 낮은 치료 반응성을 증가시켜줄 수 있는 병용 치료 요법의 필요성이 대두되고 있다. 이와 같은 한계를 극복하기 위하여 항암 백신과 면역관문억제제의 병용 요법을 진행하였으며, 병용 요법의 치료 효능을 증대시킬 수 있는 전략을 제시하였다. 특히 항암 백신의 효능을 증가시키기 위해 종양 펩타이드 항원과 면역증강제의 동시전달이 가능한 지질 나노입자 기반의 항암 백신을 개발하였다. 항암 나노백신이 종양 항원 단독 대비 항원-특이적 T 세포 면역 반응을 더욱 증가시킬 뿐만 아니라, 종양 동물모델에서 효과적인 암 예방 및 치료 효능을 보여주었다. 또한 항암 나노백신은 종양 조직 내 CD8$^+$ T 세포 침윤 및 PD-L1 단백질 발현을 증가시켜 면역학적으로 차가운 종양을 뜨거운 종양으로 변화시킴으로써 면역관문억제제에 대한 치료 반응성을 증가시킬 수 있음을 확인하였고, 이를 통해 항암 나노백신과 면역관문억제제의 병용 가능성 역시 검증하였다. 항암 나노백신의 치료 효과를 더욱 증대시키기 위해 면역관문억제제인 PD-1 항체와의 병용을 진행하였으며 병용 순서에 따라 치료 효능이 달라질 수 있음을 보여주었다. 항암 나노백신과 PD-1 항체의 순차적 병용 치료를 진행할 경우, 효과적으로 종양 성장 및 재발을 억제할 수 있음을 확인하였다. 즉 효과적인 항암 면역치료를 위한 나노입자 백신을 개발하였을 뿐만 아니라 기존 항암 백신 및 면역관문억제제가 가지는 한계를 극복할 수 있는 새로운 병용 요법 전략 제시하였다. 해당 전략을 통해 향후 다양한 항암 면역치료법에 적용하여 치료 효능을 더욱 증대시킬 수 있을 것으로 기대한다.3 장에서는 인플루엔자 감염성 질병의 예방이 가능한 자기조립 단백질 기반 나노구조체 백신 개발에 관한 연구를 기술하였다. 자연적으로 발생하는 자기조립 단백질 나노구조체는 바이러스 유사 구조체를 모방하여 효과적인 항원 전달체로 사용 가능하나, 항원의 면역원성을 증가시키기 위한 면역증강제를 추가적으로 사용하지 않고는 항원 특이적 면역 반응을 유도하는데 효과적이지 않다. 본 연구에서는 자체 면역원성을 가지는 브루셀라 외막 단백질 BP26을 인플루엔자 바이러스 M2e 항원의 전달체로 활용하여 인플루엔자 바이러스에 대한 새로운 백신 플랫폼을 제시하고자 하였다. 엔지니어링을 통해 인플루엔자 M2e 항원과 BP26 단백질 단량체의 융합을 진행하였고, 단량체들의 자기조립을 통해 나노구조체가 형성됨을 확인하였다. 단백질 기반 나노구조체 백신은 면역증강제 사용 유무에 상관없이 M2e 및 BP26의 물리적 혼합물보다 훨씬 더 강력한 M2e 항원 특이적인 체액성 면역 반응을 유도하였다. 또한 나노구조체 백신 면역화를 진행한 마우스에 의해 생성된 M2e 항체는 인플루엔자 바이러스에 감염된 세포에 특이적으로 결합하였다. 또한 나노구조체 백신은 면역증강제를 사용하지 않더라도 마우스를 인플루엔자 바이러스 감염으로부터 효과적으로 보호할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 연구에서 개발한 BP26 기반 단백질 나노구조체는 인플루엔자뿐만 아니라 다양한 감염성 병원체 유래 항원의 도입을 통해 병원체 감염에 대응할 수 있는 다목적 백신 플랫폼으로써 사용을 기대할 수 있다.
