作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2021/7/16 10:07:56
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保护寨卡病毒入侵胎体 消除登革病毒ADE
“一箭双雕”!高福团队设计出新型寨卡病毒疫苗

 

在7月15日在线发表于《自然—免疫学》的一项研究中,中国科学院微生物研究所高福院士、戴连攀研究员、严景华研究员等基于结构生物学“设计”的一款新型保护性寨卡疫苗,为抗疫“武器库”再添利器。

众所周知,寨卡病毒最臭名昭著的影响是导致婴儿小头症,以及其他不可逆的新生儿严重出生缺陷。不止如此,它还会与另一种由蚊虫传播的疾病——登革病毒感染诱导交叉反应的抗体响应,增加登革病毒感染的严重程度,甚至对人产生致命威胁。

新疫苗“一箭双雕”,既能保护寨卡病毒侵袭胎体,又能切断寨卡预存抗体对登革病毒感染的严重抗体依赖增强(ADE)效应。“这项研究针该长期存在的问题提出了一个漂亮的解决方案。”一名审稿人评价。

在这篇题为“通过免疫优势转换消除登革感染增强的保护性寨卡疫苗”的论文中,作者提出了消除登革ADE的保护性寨卡疫苗新策略。

疫苗困境

寨卡病毒主要通过埃及伊蚊传播,最早于1947年在乌干达寨卡森林的猴子身上分离。2015至2016年,寨卡疫情成为国际公共卫生紧急事件。据世卫组织(WHO)统计,全球已有86个国家和地区暴发寨卡疫情。

通常情况下,寨卡病毒感染人类,只引起低热、斑丘疹、关节疼痛、结膜炎等症状;但其感染孕妇可能使出生婴儿患有小头症和其他不可逆的出生缺陷。

WHO认为,要应对未来的疫情,开发疫苗是一项首要重点。然而,至今为止,尚无相关疫苗获批。其中原因与寨卡病毒和登革病毒之间的“跨种”ADE效应不无关系。在这种情况下,抗体不会“中和”病毒,使其失去感染细胞的能力;而是发挥相反的作用,协助病毒进入靶细胞,提高感染率。

“寨卡病毒与登革病毒都是黄病毒属,其抗原性接近,属一个超血清家族。”论文第一作者兼通讯作者戴连攀向《中国科学报》解释,去年8月发表于《科学》的一项人群队列研究就发现,既往的寨卡病毒感染能够显著增加后续登革病毒感染的严重程度,证明寨卡预存抗体对登革病毒感染有严重的ADE风险。

寨卡、登革血清型之间的ADE是疫苗研制亟需解决的焦点安全问题,特别是这两类病毒可由相同的媒介——埃及伊蚊传播,且流行区域重叠,更导致了疫苗研发的困难。

对此,高福等在文中表示,理想的寨卡疫苗应该具备三个特点:预防寨卡病毒的母婴传播;预防由于寨卡病毒感染引起的登革ADE;预防由于寨卡疫苗免疫导致的登革ADE。然而,目前,全球进入临床阶段的寨卡疫苗在设计上都没有避免潜在的登革ADE风险。

“剪”得断,“理”不乱

解决寨卡疫苗研制的安全问题,就需要找到连接寨卡与登革病毒之间的“跨种”ADE效应的“纽带”,并剪断它。

以往研究表明,寨卡或登革病毒引起ADE效应的交叉抗体,主要靶向的是病毒表面结构蛋白prM和E蛋白的融合肽(FL)这一保守区域。通过两种方式——在FL表位引入突变,或构建E蛋白二聚体遮蔽FL表位,都能显著降低寨卡疫苗对登革病毒感染的ADE。

“但在小鼠模型上,这两种疫苗方式都不能产生足够的保护性免疫应答,完全阻断寨卡病毒母婴垂直传播。”戴连攀说,鉴于寨卡病毒感染孕妇对新生儿潜在的长期严重后果,能诱导母婴清除性免疫应答的寨卡疫苗尤为重要。

如何才能“干掉”FL表位这个保守派,同时又能隔断寨卡病毒母婴传播呢?

为了解决这一问题,高福团队从2016年起便开展针对寨卡病毒的研究,解析出寨卡病毒保护性免疫原E蛋白的晶体结构(E蛋白在黄病毒表面就如同钥匙一样帮助病毒打开宿主细胞的大门),分离到了一系列靶向E蛋白不同结构域的中和/保护抗体,解析了靶向FL表位的代表性ADE抗体的结构基础。这些研究为理性设计消除ADE的寨卡疫苗提供了重要的指导。

在新研究中,作者采取了一种“抗体指导疫苗设计”的反向疫苗学策略。基于ADE抗体结合FL的结构基础,对寨卡免疫原E蛋白进行理性改造,其目的是既消除FL表位,又能维持其他中和抗体表位的完整。

他们通过同源替换的方法,将寨卡E蛋白的FL,替换成黄病毒属中进化关系最远的昆虫特异性黄病毒的同源序列,从而改变了FL表位上结合ADE抗体的3个关键氨基酸。

随后,他们进一步通过一系列中和保护性抗体和ADE抗体,对改造后的E蛋白抗原进行正向和负向筛选,获得同时满足FL表位消除和中和表位维持的构建。其中两种设计MutB和MutC被制备成黑猩猩腺病毒载体(AdC7)疫苗进行评估。

其结果是“一箭双雕”。一方面,MutB/C疫苗一次免疫可产生清除性的免疫应答, 完全保护小鼠抵御寨卡病毒攻毒, 在病毒感染的所有靶组织中都检测不到病毒载量,能够完全阻断寨卡病毒的母婴传播。

另一方面,两种疫苗免疫血清完全消除了对四种血清型登革病毒的ADE;血清过继试验证实MutB/C疫苗免疫血清不会引起登革病毒感染的ADE,而野生型构建(WT)则引起会加快动物的死亡和病症加重。

“这是一项非常好的研究,基于结构的抗原设计被用于解决寨卡疫苗中的ADE问题。”一名审稿人在评议中说,寨卡病病毒FL表位被节肢动物特异性序列取代,既保持了抗原的构象和免疫原性,又避免了FL特异性抗体的结合。

 基于靶向FL表位的ADE抗体结构指导抗原理性设计 作者供图

充实抗疫“武器库”

研究者并未就此止步。知其然还要知其所以然,他们进一步探究了改造后疫苗MutB/C消除ADE的免疫学基础。

通过B细胞受体(BCR)的单细胞测序方法,他们分析了免疫后小鼠淋巴结的抗原特异性BCR的特性。结果显示,野生型疫苗激发的体液免疫存在明显的免疫优势情况,60%以上的BCR使用3组胚系基因。而MutB/C打破了原有的免疫优势,使抗原特异性BCR使用的胚系基因呈分散式分布。

研究者们最后解析了其中一个抗原改造E蛋白MutC结合中和抗体的分子基础,发现MutC仍然能够通过新的作用力维持E蛋白的二聚体结构,这对于激活有效中和抗体非常重要。此外,改造后的FL氨基酸产生对ADE抗体的位阻和电荷排斥,因此揭示了MutC不诱导ADE抗体产生的结构基础。

新研究将有助充实我国抗疫“武器库”。正如另一位审稿人所说:“这项研究针对该领域长期存在的问题提出了一个漂亮的解决方案。合理设计出一种改进的寨卡病毒免疫原,消除ADE是开发有效寨卡疫苗的重要一步。”

高福等在文中也指出,本项研究通过小鼠模型为疫苗未来进行临床试验提供了免疫学趋势,也为面向疫苗的蛋白质设计提供新的见解。理性设计消除ADE的新型寨卡疫苗将指导寨卡疫苗未来在临床使用。

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https://doi.org/10.1038/s41590-021-00966-6

 
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