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      減毒單增李斯特菌疫苗遞呈研究進(jìn)展①

      2016-06-29 05:22:13丁承超陳國薇劉武康
      中國免疫學(xué)雜志 2016年6期
      關(guān)鍵詞:革蘭氏毒力抗原

      丁承超 陳國薇 吳 嫚 劉武康 劉 箐

      (上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海200093)

      ·專題綜述·

      減毒單增李斯特菌疫苗遞呈研究進(jìn)展①

      丁承超陳國薇吳嫚劉武康劉箐

      (上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海200093)

      單核細(xì)胞增生性李斯特菌(Listeriamonocytogenes,Lm)是一種革蘭氏陽性兼性厭氧胞內(nèi)寄生條件致病菌。該菌可穿越腸道屏障、血腦屏障和胎盤屏障,引起人和動物的胃腸炎、腦膜炎、敗血癥[1]。且具有獨(dú)有的胞內(nèi)逃逸存活和胞間傳送等特性,因此是研究胞內(nèi)寄生的模式細(xì)菌。目前研究發(fā)現(xiàn)Lm的毒力主要由六個毒力因子編碼基因(prfA-plcA-hly-mpl-actA-plcB)組成。plcA和plcB分別編碼磷脂酰肌醇特異性磷脂酶(PI-PLC)和卵磷脂酶(PC-PLC),有助于Lm逃離吞噬小體;actA與基于Lm肌動蛋白的運(yùn)動性有關(guān);hly則與Lm的溶血素有關(guān),參與單增李斯特菌一級和次級吞噬小體的逃離;prfA主要調(diào)控Lm的侵襲相關(guān)毒力因子,如inlA和inlB等;mpl是一個依賴鋅的金屬蛋白酶基因[2,3]。以“Listeriamonocytogenes+vaccine”為關(guān)鍵詞在Medline進(jìn)行檢索發(fā)現(xiàn),截至(2015/05/06)為止,共有703篇關(guān)于Lm作為疫苗載體的研究,其中近五年相關(guān)研究為301篇。這些研究表明,Lm能夠同時引起MHCⅠ和MHCⅡ類抗原遞呈系統(tǒng),具有顯著激發(fā)強(qiáng)烈的CD8+和CD4+細(xì)胞免疫的能力。同時,減毒Lm作為口服疫苗載體可以調(diào)動機(jī)體的黏膜免疫效應(yīng)[4]。近年來隨著對單增李斯特菌毒力基因、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制研究的不斷深入,以及平衡致死載體和細(xì)菌表面展示等技術(shù)的快速發(fā)展,進(jìn)一步證明了減毒單增李斯特菌作為高效遞呈抗原活載體的實(shí)用價值。迄今為止減毒Lm活載體疫苗已成功應(yīng)用于人類免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus,HIV)、人類乳頭瘤病毒(Human papillomavirus HPV)和轉(zhuǎn)移性胰腺癌等[5-7]人類復(fù)雜疾病的免疫治療中。

      1減毒Lm的免疫機(jī)理及途徑

      單增李斯特菌具有典型的胞內(nèi)寄生和胞間傳遞等特性,減毒后作為疫苗載體,能夠同時引起MHCⅠ和MHCⅡ抗原遞呈系統(tǒng),刺激機(jī)體產(chǎn)生強(qiáng)烈的細(xì)胞免疫反應(yīng)。因此單增李斯特菌已成為最重要的減毒活載體疫苗載體之一。減毒Lm作為疫苗載體有兩條抗原遞呈系統(tǒng)[8,9](如圖1所示),其一是交叉遞呈途徑(Cross-presentation pathways),即Lm被宿主吞噬細(xì)胞等細(xì)胞捕獲并降解后,細(xì)菌多肽被樹突狀細(xì)胞(Dendritic cell,DC)通過細(xì)胞受體、內(nèi)吞等作用攝入細(xì)胞內(nèi),再經(jīng)MHCⅠ和MHCⅡ兩條途徑分別遞呈給CD8+和CD4+T細(xì)胞;另外一條是傳統(tǒng)的遞呈途徑(Classical pathways),即Lm進(jìn)入細(xì)胞后,絕大部分Lm被溶酶體所包裹降解,降解的抗原通過MHCⅡ遞呈給CD4+T細(xì)胞,另外有5%~10%的Lm可通過其特有的毒力蛋白LLO降解溶酶體膜后逃逸,逃逸出來的細(xì)菌分泌的蛋白被蛋白酶體降解加工后通過MHCⅠ遞呈給CD8+T細(xì)胞。Lm從噬菌體的逃逸能力為其獨(dú)有,逃逸的Lm在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)抗原基因?qū)乖f呈至關(guān)重要,也是其作為減毒載體的最大優(yōu)勢。

      圖1 Lm抗原遞呈途徑[9]Fig.1 Vaccine delivery of Lm[9]

      2減毒Lm作為疫苗載體的優(yōu)勢

      1990年,Wolff等[10]將裸露的脫氧核糖核酸注射給小鼠能引起外源基因的長期表達(dá),由此誕生了脫氧核糖核酸免疫技術(shù),使得DNA疫苗成為繼減毒疫苗、滅活疫苗、亞單位疫苗和重組多肽疫苗之后的又一新型疫苗,被譽(yù)為第三次疫苗革命。在此后的20多年間,由此引發(fā)的DNA疫苗、基因工程疫苗等研究成為疫苗研究的熱點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)用中發(fā)現(xiàn),這種裸露的DNA極易受到環(huán)境及宿主的降解,如何能將這些抗原基因在有保護(hù)的狀態(tài)下遞送給免疫對象成為疫苗開發(fā)必須解決的問題。細(xì)菌、病毒等微生物本身具有入侵并啟動宿主免疫系統(tǒng)的原始本能,早在一個世紀(jì)以前,紐約大夫Coley[11]驚訝地發(fā)現(xiàn)將滅活的革蘭氏陽性菌或陰性菌注射進(jìn)入腫瘤組織后腫瘤出現(xiàn)消退現(xiàn)象。這是第一次將細(xì)菌用于腫瘤控制的“原始疫苗載體”。此后有大量研究顯示,微生物疫苗載體在腫瘤控制中有良好的靶向性和控制力,甚至發(fā)現(xiàn)某些病原微生物似乎對腫瘤組織有一定的“偏好”[12]。因此,經(jīng)過毒力基因的減毒,攜帶靶標(biāo)抗原的減毒活載體疫苗迅速成為新型疫苗研究的熱點(diǎn)。

      迄今為止,已開發(fā)的減毒疫苗微生物載體包括細(xì)菌,如沙門氏菌(Salmonella)、單增李斯特菌、乳酸桿菌(Lactobacilli)等,病毒如腺病毒、皰疹病毒,真菌如釀酒酵母等,與其他疫苗載體或者佐劑相比,微生物載體具有以下優(yōu)勢:①部分病原微生物偏好入侵抗原提呈細(xì)胞比如樹突狀細(xì)胞(Dendritic cell,DC),抗原遞呈效果好;②可穿透腸道屏障通過血液循環(huán)遠(yuǎn)程遞呈抗原;③抗原性良好,可刺激機(jī)體先天性和獲得性免疫系統(tǒng);④可攜帶多個抗原研發(fā)多價疫苗;⑤能穿透腸道屏障進(jìn)入血液的疫苗載體,是口服式疫苗研發(fā)的最佳選擇[13]。但值得注意的是,雖然微生物減毒疫苗載體一出現(xiàn),就表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景,但其自身毒力基因的潛在安全性、對宿主基因表達(dá)的負(fù)面影響等也引起人們的關(guān)注。而與其他微生物疫苗載體如沙門氏菌相比,Lm存在明顯的優(yōu)勢:①對環(huán)境耐受性強(qiáng),可在較高的鹽濃度(可高達(dá)40%NaCl)以及寬泛的pH(pH3~12)和溫度范圍(0~45℃)內(nèi)生長,VazquezBoland等[14]研究發(fā)現(xiàn)Lm在16~30℃下,均可入侵魚類細(xì)胞但30℃入侵最多,這種超強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力拓寬了Lm載體疫苗的使用范圍;②抗原遞呈增強(qiáng)能力,Lm表面的脂胞壁酸質(zhì)、肽聚糖、載脂蛋白等可與DC表面特異性Toll樣受體結(jié)合,DC在識別這些抗原后可以通過調(diào)節(jié)CD80、CD86、MHCⅡ類分子及炎性分子如IL-12、TNF-α起到加強(qiáng)抗原提呈作用[15];③較好的安全性,減毒后的Lm其毒性下降明顯,如使hly基因發(fā)生突變,可使其毒力水平下降105數(shù)量級,敲除actA基因可使其毒力下降104數(shù)量級[16]。目前,以actA/plcB、actA/inlB、hly、prfA、actA等單個或者多個毒力基因敲除減毒的Lm已成功應(yīng)用于腫瘤、病毒等DNA疫苗載體中,部分疫苗已經(jīng)進(jìn)入Ⅰ期、Ⅱ期臨床實(shí)驗(yàn);④多種抗原遞呈能力,2006年,Loeffler等[17]發(fā)現(xiàn)減毒Lm不僅可以運(yùn)送抗原蛋白,而且可以運(yùn)送DNA和RNA,這種多種抗原的遞呈能力為疫苗的免疫保護(hù)提供了更多選擇;⑤口服免疫的最佳選擇,2011年Whitney等[18]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Lm作為HIV口服式疫苗時不會減弱抗HIV-gag的免疫效應(yīng)。另外,目前并未發(fā)現(xiàn)Lm的胞內(nèi)寄生和其致病性的必然關(guān)系,比如目前關(guān)于其致病性報(bào)道最多的是其可隨食品傳染人類并導(dǎo)致嚴(yán)重的致病甚至死亡,但對其原始宿主,如牛、豬、羊等畜類,并未發(fā)現(xiàn)其嚴(yán)重的致病性,這為其作為除人類之外的動物減毒疫苗載體提供了可能性。水產(chǎn)品也是Lm的寄主之一,現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)Lm幾乎可以寄生全部水產(chǎn)品,但并未有報(bào)道由其引發(fā)的水產(chǎn)品疾病爆發(fā)[19]。2001年Dietrich等[20]發(fā)現(xiàn)用Lm(EGD-e)分別感染鯉魚上皮細(xì)胞、刀劍尾魚胚胎細(xì)胞和黑色素瘤細(xì)胞三種細(xì)胞,Lm均可在24 h內(nèi)高效入侵三種細(xì)胞且無差異。因此,早在1996年前后Horne(1997)、Menudier(1996)、Jeyasekaran(1996)等人就提出Lm有望在將來成為漁用疫苗載體[21-23],但遺憾的是迄今為止并未發(fā)現(xiàn)以其為載體的漁用疫苗上市。

      3減毒活載體疫苗載體構(gòu)建及高效抗原遞呈新策略

      在活細(xì)菌作為疫苗載體的研究中,抗原基因通常克隆至相應(yīng)質(zhì)粒的多克隆位點(diǎn)進(jìn)而整合至細(xì)菌染色體內(nèi),解決了抗原在遞呈過程中容易降解、免疫原性易丟失等問題[24]。然而在抗原表達(dá)系統(tǒng)中質(zhì)粒需要經(jīng)過抗生素篩選,無法保證其安全性和免疫效果。首先,抗生素殘留進(jìn)入生物環(huán)境中會導(dǎo)致抗生素污染甚至引發(fā)細(xì)菌耐藥性問題[25];而且,在具有抗性的環(huán)境下抗原表達(dá)量會隨著質(zhì)粒丟失而下降,最終導(dǎo)致免疫效果低下[26]。因此,選擇合適的抗原遞呈方式是提高細(xì)菌載體疫苗免疫效果的有效手段。目前,減毒微生物遞呈疫苗的新策略主要包括平衡致死載體和細(xì)菌表面展示技術(shù)。

      3.1平衡致死載體系統(tǒng)(Balanced lethal vector system)該載體系統(tǒng)針對某些關(guān)系細(xì)菌生死的關(guān)鍵基因,采用“質(zhì)粒攜帶,菌株缺失”的原則設(shè)計(jì),使得菌株的存活依賴于質(zhì)粒所攜帶的關(guān)鍵基因,從而提高質(zhì)粒遺傳穩(wěn)定性并擺脫對抗生素的依賴。在針對Lm的研究中發(fā)現(xiàn)dal和dat基因分別控制D-丙氨酸消旋酶和D-丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶的合成,dal、dat基因雙缺失的Lmdd無法合成細(xì)胞壁[27]?;诖嗽順?gòu)建的突變Lmdd菌株是目前最成功的減毒Lm疫苗載體。該系統(tǒng)構(gòu)建原理是在Lm中敲除dal和dat基因,之后在穿梭載體中表達(dá)dal基因操縱子并篩選穩(wěn)定的突變菌株,基于這種“平衡致死系統(tǒng)”構(gòu)建的突變菌株無需抗生素篩選壓力以確保減毒Lm的存活,有效地解決了最早的減毒活載體疫苗使用中抗生素污染問題,即“綠色減毒疫苗活載體”。 Gaia等[28]在利用減毒Lm作為猴免疾缺陷病毒(Simian immune virus,SIV)疫苗載體的研究中,構(gòu)建Lmdd平衡致死載體并外源表達(dá)SIV-gag(如圖2所示)。結(jié)果在口服接種獼猴后同時產(chǎn)生了針對SIV和Lm的細(xì)胞免疫反應(yīng)。另外,其他平衡致死載體系統(tǒng),如基于asd等基因缺失的載體系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于沙門氏菌、大腸桿菌、霍亂弧菌、愛德華氏菌等細(xì)菌載體疫苗的設(shè)計(jì)中[29-32]。

      3.2細(xì)菌表面展示系統(tǒng)(Bacterial surface display system)免疫效果不佳是目前制約細(xì)菌載體疫苗臨床應(yīng)用的最大障礙,其原因在于外源抗原基因在伴隨細(xì)菌進(jìn)入宿主內(nèi)表達(dá)量不足。目前解決此類問題的方法主要集中在如何使抗原基因在進(jìn)入宿主機(jī)體后表達(dá)并分泌至細(xì)菌表面。表面展示技術(shù)使得抗原分泌至細(xì)菌表面,易被免疫系統(tǒng)識別。另外,細(xì)菌的脂多糖、外膜蛋白等能刺激機(jī)體產(chǎn)生非特異免疫。這種類似免疫佐劑功能的疫苗設(shè)計(jì)理念具有獨(dú)特的優(yōu)勢[33]。目前在疫苗載體研究領(lǐng)域,表面展示技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于沙門氏菌、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌等[34-36]微生物。其基本原理(如圖3所示)是將外源蛋白基因序列與特定的錨定蛋白基因序列融合后導(dǎo)入細(xì)菌宿主細(xì)胞,在信號肽的引導(dǎo)下融合蛋白向細(xì)胞外分泌,被展示的外源蛋白可保持相對獨(dú)立的空間結(jié)構(gòu)和生物活性[37]。由于革蘭氏陰性菌遺傳背景比較清楚,更便于控制蛋白的展示,因而研究主要集中在革蘭氏陰性菌。而革蘭氏陽性菌跨外膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制尚不清楚,目前還未有將表面展示技術(shù)應(yīng)用于Lm的研究報(bào)道。但從應(yīng)用角度來看,革蘭氏陽性菌的某些特性更適合于表面展示:首先,革蘭氏陽性菌的蛋白表面展示系統(tǒng)有著相同或類似的表面錨定機(jī)制,允許多達(dá)幾百個氨基酸的外源蛋白插入。再者,革蘭氏陽性菌所展示的蛋白只需通過單個質(zhì)膜層,而革蘭氏陰性菌的展示蛋白不僅要通過質(zhì)膜層還要在外膜上正確的整合,這對展示蛋白的結(jié)構(gòu)和活性可能產(chǎn)生影響。而且,革蘭氏陽性菌細(xì)胞壁較厚,因而更堅(jiān)固而易于操作[38]。在不久的將來,隨著革蘭氏陽性菌外膜蛋白自主轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制研究的不斷深入,將表面展示技術(shù)應(yīng)用于Lm以提高抗原遞呈效率的方式可能成為現(xiàn)實(shí)。

      圖2 Lmdd-SIV-gag平衡致死載體系統(tǒng)的構(gòu)建[29]Fig.2 Construction of Lmdd-SIV-gag[29]

      4展望

      疫苗遞送系統(tǒng)與其產(chǎn)生的免疫效力直接相關(guān),如何將免疫原高效地送到MHCⅠ和MHCⅡ類分子并提呈至細(xì)胞表面是目前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Lm全基因組2001年測序成功至今才15年,其作為疫苗載體的潛力仍未完全開發(fā)。除平衡致死載體和細(xì)菌表面展示技術(shù)外,很多高效遞呈疫苗的新策略還未應(yīng)用于Lm疫苗載體的研究中。如Guan等[40]將二元調(diào)控機(jī)制引入重組大腸桿菌作為疫苗載體的研究中,當(dāng)大腸桿菌攜帶抗原進(jìn)入機(jī)體后,PviuB調(diào)控機(jī)制作用從而誘導(dǎo)抗原基因表達(dá)。此類調(diào)控機(jī)制在高效表達(dá)抗原方面具有獨(dú)特優(yōu)勢,在Lm作為疫苗載體的研究中值得借鑒。另外,減毒微生物疫苗載體的安全性同樣是細(xì)菌載體疫苗研究過程中不可忽視的因素。因此,對Lm毒力基因進(jìn)行深入探討,尋找最佳的減毒靶標(biāo)基因,提高其使用安全性同樣是未來研究的主攻方向。相信隨著對Lm毒力基因和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制認(rèn)識的深入,不斷會有高效遞呈疫苗的新策略出現(xiàn)并極大促進(jìn)Lm作為疫苗載體研究的發(fā)展。

      圖3 細(xì)菌表面展示技術(shù)錨定系統(tǒng)Fig.3 Bacterial surface display system

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      [收稿2015-06-25修回2015-07-13]

      (編輯張曉舟)

      doi:10.3969/j.issn.1000-484X.2016.06.028

      作者簡介:丁承超(1992年-),男,碩士,主要從事病原微生物疫苗研究,E-mail:ding10118026@163.com。 通訊作者及指導(dǎo)教師:劉箐(1970年-),男,博士,教授,主要從事食源性致病菌致病機(jī)理及控制研究研究,E-mail:liuq@usst.edu.cn。

      中圖分類號R392.9

      文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

      文章編號1000-484X(2016)06-0892-04

      ①本文受國家自然科學(xué)基金(No. 31371776)和上海市科委重點(diǎn)支撐項(xiàng)目(No.13430502400)資助。

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