在确保安全性和可负担性的同时诱导有效免疫应答的疫苗的开发仍然是一个巨大的挑战。
2024年1月18日，河南农业大学张改平、张二芹及清华大学饶子和共同通讯在PNAS上在线发表题为“A universal design of restructured dimer antigens: Development of a superior vaccine against the paramyxovirus in transgenic rice”的研究论文，该研究提出了一种重组的"头对尾"二聚体的疫苗模型，以有效地刺激B细胞反应。研究人员也证明了利用该模型通过低成本的水稻胚乳表达系统开发副粘病毒疫苗的可行性。晶体结构和小角X射线散射数据表明，重组的血凝素-神经氨酸酶( HN )形成四聚体，具有充分暴露的四受体结合结构域和中和表位。
与原始的HN抗原和三种传统的商品化全病毒疫苗相比，重组的HN促进了关键抗原表位的暴露，并启动了更快、更有效的免疫反应。用0.5 μ g的重组抗原(相当于稻谷的1 / 127)进行2次免疫和5 μ g的1次免疫可以完全保护鸡抵抗病毒的致死性攻击。这些结果表明，从转基因水稻种子中获得的重组HN是安全、有效、低剂量和廉价的。总之，该研究提供了一个植物平台和一个简单的重组模型，以用于高效疫苗的开发。
一个多世纪以来，疫苗为控制传染病做出了重大贡献。通过疫苗接种，破伤风、麻疹、脊髓灰质炎、腮腺炎、风疹、肺炎球菌和乙型肝炎的发病率和死亡率降低了97 % ~ 99 % 。疫苗接种被认为是过去一个世纪最具成本效益的公共卫生措施。对每一美元的免疫接种投资，估计有16美元的医疗保健储蓄和增加的经济生产率(世界卫生组织)。自问世以来，疫苗几乎完全依赖于经验性的、试错的方法，试图模仿自然感染的过程，同时将不良反应降低到可接受的水平。基础免疫学的进步，加上病毒表面蛋白原子水平结构数据的可获得性，极大地促进了疫苗免疫原的设计。这个过程已经演变成一种蛋白质工程运动，与使用生物制剂相比，现在的不确定性较小。
针对病原体的常规疫苗目前有3种形式：灭活的强毒病原体、减毒活疫苗和病原体的主要成分。第一代全病毒疫苗依赖于经验衰减，但其经典衰减过程仍然不可预测。国际贸易和生物安全方面的担忧，包括向野生型毒力返祖的风险和对免疫力受损个体的潜在危害，限制了全病毒疫苗的使用。因此，人们转向使用病原体的主要成分作为疫苗。以具有明确分子结构的重组产物为特征的第二代亚单位疫苗已成为疫苗开发的焦点。亚单位疫苗的例子包括乙肝疫苗和肺炎疫苗。然而，这种策略并没有普遍获得成功，因为表达原始蛋白作为免疫原往往不能产生足够的保护性免疫反应。
B细胞抗原受体( B cell antigen receptor，BCR )是最丰富的受体之一。先前的研究已经证实，BCRs的有效交联是B细胞活化早期阶段的重要步骤。具有相同抗原表位的多价抗原能够引发B细胞交联和T细胞非依赖的IgM反应，而可溶性蛋白不能引起足够的免疫反应。为了解决这一问题，之前通过构建病毒样颗粒( virus-like particle，VLP )和基于结构的表位疫苗来增强可溶性蛋白的免疫原性。这些自组装抗原展示多个重复的抗原表位，并形成大颗粒以提高免疫原性。虽然自组装疫苗已成功应用于控制人乳头瘤病毒引起的疾病，但VLPs仍具有一定的局限性。例如，VLPs并不总是稳定的。VLPs需要严格的高离子溶液以保证结构的完整性，但可能引起副作用。因此，有必要寻找其他方法改变抗原构象，提高亚单位疫苗的免疫原性。
副黏病毒科家族病毒是有囊膜、负链RNA病毒，可感染人和动物。该家族病毒包括腮腺炎病毒、麻疹病毒、副流感病毒1 ~ 5、犬瘟热病毒、新城疫病毒( NDV )、尼帕病毒和亨德拉病毒。在感染过程中，几乎所有的副粘病毒都必须以受体依赖、pH非依赖的方式将其脂质包膜与宿主细胞膜融合。对于副黏病毒科的大多数成员来说，膜融合和进入是由脂质膜上的两个刺突糖蛋白介导的，一个附着蛋白被称为血凝素-神经氨酸酶( HN )或血凝素( H )或糖蛋白( G ) (依赖于病毒)，以及Fusion ( F )蛋白。HN / H / G和F蛋白在诱导病毒中和抗体的产生中起着关键作用，因此它们是亚单位疫苗开发的有前途的抗原。HN蛋白是一种II型膜蛋白，由N端跨膜结构域( TM )、茎部区域和具有酶活性的神经氨酸酶( NA )组成。该蛋白在病毒进入和排出过程中发挥多种作用。
在病毒表面，HN蛋白以四聚体形式存在。HN四聚体在膜融合的免疫活性和过程中发挥重要作用。HN四聚体的结构稳定性依赖于二硫键和非共价键。然而，值得注意的是，单独的HN蛋白胞外区不能形成稳定的四聚体。尽管HN的123位存在一个半胱氨酸，形成链间二硫键，但不足以赋予四聚体稳定性。此前，已尝试基于HN蛋白开发疫苗，但均未取得令人满意的结果。因此，目前还没有商品化的亚单位疫苗问世。
"理想的疫苗"应该是有效的、安全的和廉价的，不会对免疫系统产生菌株。它应易于放大用于大批量生产，并应易于储存和运输。此外，理想的疫苗应以较低的接种剂量准确诱导有效的免疫应答。为了实现这一目标，利用共价键稳定连接的"头对尾"二聚体提出了疫苗抗原模型。重组抗原展示多对相同的抗原表位，且距离适当，可有效激活B细胞。因此，本研究以新城疫病毒副黏病毒科家族中的受体结合蛋白为例，利用柔性连接子重组二聚体抗原。重组的HN蛋白在水稻胚乳中表达，以获得低成本的真核抗原。通过溶液SAXS (小角X射线散射)分析和X -射线晶体衍射确定了蛋白质的折叠结构。免疫检测和保护性试验表明，抗原设计显著增强了抗体滴度更高的亚单位疫苗的免疫应答。纳克水平的免疫剂量完全保护鸡免受致死性病毒感染。这种极低剂量的疫苗有效地激活了B细胞，并极大地减少了与疫苗接种相关的副作用。
(来源：iMedicines)
原文出处：Ma F, Xu Q, Wang A, Yang D, Li Q, Guo J, Zhang L, Ou J, Li R, Yin H, Li K, Wang L, Wang Y, Zhao X, Niu X, Zhang S, Li X, Chai S, Zhang E, Rao Z, Zhang G. A universal design of restructured dimer antigens: Development of a superior vaccine against the paramyxovirus in transgenic rice. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Jan 23;121(4):e2305745121. doi: 10.1073/pnas.2305745121. Epub 2024 Jan 18. PMID: 38236731; PMCID: PMC10823241.
链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38236731/