细菌芽胞--一种新型的疫苗载体
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微生物学报ActaMicrobiologica
Sinica
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ISSN
0001・・6209;CNll・・1995/Qhttp:∞ournals.im.ac.cn
细菌芽胞——一种新型的疫苗载体
王艳春,张兆山’
(军事医学科学院生物工程研究所.北京100071)
摘要:杆菌属的芽胞作为益生菌已经应用于人和动物的食品生产和细菌疗法。目前,芽胞作为一种新型的疫苗载体,开始用于破伤风、炭疽等疫苗的研究。与目前的第二代疫苗相比,细菌芽胞热稳定性好,遗传操作方便,是一种理想的疫苗载体。本文就其作为疫苗载体的相关研究进行综述。关键词:细菌芽胞;疫苗;疫苗载体中图分类号:Q933.91
文献标识码:A
文章编号:0001.6209(2008)03.0413-05
疫苗是用来预防和控制传染病的关键手段,在产生芽胞的细菌主要是革兰氏阳性杆菌——芽胞杆人类与疾病作斗争的过程中发挥着越来越重要的作菌科的两个属,即好氧性的芽胞杆菌属(Bacillus)和用。根据WHO的建议【11,良好的疫苗应该是口服或厌氧的梭菌属(Clostridium)。其中芽胞杆菌属的枯草鼻腔给药,室温下稳定,能提供长期的免疫效果,并芽胞杆菌(Bacillussubtilis)芽胞研究较多。研究表明且能够保护主要的病原体感染途径。而细菌芽胞作为细菌芽胞外层芽胞衣蛋白具有一定的伸缩性,能够一个新颖的疫苗载体,在贮存和运输过程中不要求延长或缩短.而这一特质既对芽胞形成或萌发有非冷链,可以口服免疫,且使用方便,因此日益受到常重要的作用[2,31。同时芽胞也因为具有这些特性而关注。
在表面呈现和药物递送方面表现出很好的应用前景。
由于芽胞具有上述的特点,因此研究人员开始1芽胞——疫苗载体
将其应用于疫苗学的研究中,发展成一种新型的疫芽胞是某些细菌生长发育后期,在细胞内形成苗载体。这是细菌芽胞一个比较新的用途,而利用重的一个圆形或椭圆形的抗逆性休眠体。芽胞具有极强组的芽胞作为口服疫苗的研究,更只是近5年的事的抗热、抗辐射、抗化学药物和抗静水压的能力。能
情【4~1.但是已经表现出了许多潜在的优点,如表1所
表1
芽胞疫苗的潜在优点
Table
1
Potentialbeneficial
attributesofsporevaccines
Deliveryroute
Beeffectivefororaldeliveryofall
antigenand
can
stimulatemucosalimmuneresponse.
StabilityStable
to
85—90"Cdepending
on
species,canbedesiccatedandstored
at
roomtemperatureand
nocool-chain
needing.
Salty
MostBacillussporeformers
arenon-pathogenic
or
attenuated
nontoxinogenic.
Production
Simplifiedproduction,butproductionofsporeswouldrequirea
separatefermentor.
GeneticmanipulationExcellentgenetictoolsavailableforBacillussubtilis.Genomesequencedfor
a
numberofspore
formers.
1icensing
Havebeenused
as
humanandanimalprobioticsinEurope,AsiaandtheUS.
n.L…Potentialto
antigensinspores.Two
routes
for
Uthc碍
expressmultipleantigenexpressionavailable(spore
andgerminating
spo他).Potenlialto
expressanybiologicaIlyimportantprotein.
‘通讯作者。Tel:+86.10.66948834;E-mail:zhangzs@nic.bmi.们.cn
作者简介:王艳春(1980一)。男.山西人,博士研究生,研究方向为病原微生物及其疫苗。E-majl:springwyc@hotmail.com
收稿日期:2007.07.16:修回日期:2007.09.05
万
方数据
4t4
示[g-101。重组芽胞冻干后能在锅箔包装中保存,且可浚室温下僳存相当长的时闯。必要时霹以惩承重悬精El服免疫,因此使用起来非常方便。理论上讲,芽胞疫苗被摄人后,黏附于肠道表丽,并进一步萌发,产生有增殖簏力的菌体。这样能够保证有楚够的抗原产生。从而激发机体很强的免疫反应。
I.I钤源抗原递送方式
芽胞用作疫萄裁体时,其携带外源抗原的方式主要有两种:芽胞表面展示外源抗原和在芽胞萌发后在繁殖体态表达外源抗骧。以下对嚣种方式分别进行简要介绍。
芽胞表面展示外源抗原目前研究最多的是枯草芽麓轩麓芽戆表霹展示系统,其最初勰醑究是在B.subtilis的芽胞衣蛋白CotB上以融合表达的方式展示破伤风毒素C片段(tetanus
toxin
fragmentC,
芽胞的新型表面呈现系统。以定位于芽胞表面的芽胞衣蛋白CotB作为基础,采用融合表达的方式表达破伤风毒素C端459令氨基酸残基片段。通过一系列蜜验估算,每个芽胞表面约暴露有1.5x103个TTFC分子,旦能够被TTFC特异性抗体识别。这种呈理外源蛋白的方式效率高,且芽胞稳定性好,熊够在室温下长期贮存,纯化过程简单,所以,很快受到研究人员魏重视。此外,另个一个芽胞农蛋皇缰分CotC也被贬单位(B
subunitoftheheatlabiletoxin
ofE.coli,
比例较大.同时,融含有外源蛋白片段时对其结构和另外,除了在芽胞表面融合表达外源抗原外,还anthracis)antigen,PA)重组菡MASC一10。在体终诱露
采鼷繁殖俸表达抗覆蛋崮这种方式时,井嚣抗万
方数据YanchunWang
etaLIActa
MicrobiologicaSinica(2008)48(3)
制下进行表达114I,也可以用其它相关的启动子进行调控l强l,同样可以达到递送外源抗羰豹蟊鹄。鬏终通过对免疫原性等进行评估来选择合理的表达方式。1.2芽胞疫苗兔疫特点
芽胞作为一耪疫苗载体,盛须很好地了解芽胞或者是菌体免疫(口服或采用其它方式免疫)后在宿主体内的命运,精确把握其激发枧体体渡免疫或缨照免疫的相关事件,这对发展裙应合理和有效的疫苗有着十分重要的意义。
Duc等‘16,17t发褒芽胞疫菌墨服免疫看,与辫攘关淋巴组织(gut。associated
lymphoid
tissue,GALT)有着
复杂的相互作用。被摄取的芽胞一部分在肠内萌发,在再次形成芽脆蘸经历一个很有限麓生命蜀甥。同对,芽胞也能够短时间内在派伊尔结(Peyer’spatches)的泌。通过分析GALT稻淋巴组织中穗关细脆因子的巨噬细胞内萌发是其激发机体免疫反应的一个关键步骤,保证了相应抗原顺利地被抗原提呈细胞加工帮摄肇给港巴缓胞。
同时,由予芽胞疫苗对所携带的外源抗原有多芽胞麓与抗原提呈细胞(APC)裙互诈爰,诱导蘸cytokines)的产生,且具
吞噬细胞内持续存在。这种持续存在可能引起针对芽麓的细胞免疫应答,也霹麓增强体渡免疫帮天然免疫。这一点对予提高疫苗效果来讲是非常有利的。而且芽胞能够在腻噬细胞内荫发,诱导炎症因子的分mRNA,结果表明用芽胞疫苗免疫后,在早期能诱导Thl缨胞分泌IFN一译,同时也熊诱导炎症因子TNF,p的产生。与此同时,体外实验也汪明,B,subtilis芽胞与单核细胞相互作用后,合成TNF.0【和IL.1B的细胞跑铡明显增艇。Hoa[’Sl也表明,B。subtilis芽胞在种表达方式,因此,其免疫特点也存在一定的区别。Uyen等瓣朝研究在破伤风芽胞疫茁时发现,TTFC呈现于芽胞表面和农芽胞萌发后表达这两种情况下,免疫小鼠后激发的免疫效果蠢着明显的区别。采用表面呈现的方式表达TTFC时,能激发较为强烈的免疫应答,且具有明显的Thl偏向性,但血清中抗体水平达到最离豹对翔较馒(筹醴天}。裰比之下,采用蒡照在体内荫发后再表达TTFC,产生的TTFC特异性应答达到最高水平的时间要快(第23天),且诱发的是Th2型蕈缨胞反应。Mauriello等翡实验结果遣涯明,当曩表面展示有TTFC的重组B.subtilis芽胞免疫Balb/C小鼠时,能够激发很强的Thl型细胞免疫应答f2叭。
炎症因子(pro。inflammatoryTTFC)。Isticato等【耱l通过疆究发震出了一种基予细菌成功地用来表达TTFC和大肠杆菌热稳定肠毒素的BLTB)疆10CotB程CotC都是定位子芽藏衣豁蘸酶结构蛋白,为组成性表达,且在芽胞衣总蛋白禽量中所占功能不会产生太大的影响,适予融合表达外源蛋自珏2l。
可以在芽胞萌发以羼,在繁殖体内表达外源抗原。Cohent”1等以高度减毒的炭痘耔菌(Bacillus为宿主莆,构建了分泌表达炭疽的保护性抗原
(protective表达时,rPA得到了较高水平的表达(__100I_tglmL),更重要的是,这一重组菌以芽胞的形式免疫豚鼠后,能够在豚鼠体爽检溅羽高演瘦的撬PA中穰挽俸,说明芽胞在体内萌发后嗣样可以表达PA,发挥后者的免疫保护作用。
原的表达既可以是在芽胞萌发相关基因启动子的控
王艳春等:细菌芽胞——一种新犁的疫苗载体.,微生物学报(2008)48(3)
415
有免疫刺激特性,这些使得芽胞成为一个值得关注的疫苗载体.通过其将相关的抗原提呈给APC和其它二级淋巴器官。但是B.subtilis芽胞在动物体内的免疫原性比较低,不能象B.anthracis的芽胞一样有效地激发机体的全身或局部的抗体反应,特别是经口服途径进行免疫时,因此要求免疫剂量比较大(1010个芽胞)【41。如何提高B.subtilis芽胞的免疫原性一直是研究人员努力的一个方向,并且取得了一定
的成果。
2芽胞作为疫苗载体的应用
细菌芽胞是一个新颖的疫苗载体,可以以口服的方式进行免疫,易于激发机体的黏膜免疫,增加了抗原提呈机会,这使得机体能对芽胞本身或者芽胞上呈现的外源抗原产生较好的免疫应答。
在以往的研究过程中,本实验室通过对炭疽芽胞杆菌A16R(基因型为pOXl+OX2一)进行高温传代培养,获得一株能够形成芽胞,但基因型为pOXl。OX2’的新型减毒株(命名为AP422,已经申请专利),实验证明其毒性大大降低,并用其成功表达了相关的蛋白,极有可能发展成为一种新的疫苗,为相关烈性传染病疫苗开发提供有效的帮助。目前我们正在从基因水平对AP422株进行进一步改造,以期获得一种新型的疫苗载体。在相关疫苗的研究中取得一定的成就。
另外,用芽胞作为疫苗载体研究,国外的研究主要集中在B.subtilis形成的芽胞上。同时也有用减毒的B.anthracis进行相关研究成功报道。现选取几例简单介绍。
2.1基于芽胞的炭疽疫苗
炭疽是一种由B.anthracis引起的烈性种染病,为人兽共患。人感染炭疽主要有3种临床形式:皮肤炭疽、吸入炭疽和胃肠道炭疽。在过去的120年中,人们一直在努力寻找一种安全有效的炭疽疫苗。很多研究表明。芽胞疫苗比繁殖体疫苗和重组PA疫苗都更加有效.因此现在人们开始越来越关注基于芽胞的炭疽疫苗。
Cohen等【”】用减毒的B.anthracis株A14815(pOXl一pOX2一)分泌表达的炭疽芽胞杆菌的保护性抗原PA,构建了相应的重组菌株MCSA.10,并利用该菌株能形成芽胞的特性,分别用繁殖体细菌和芽胞经皮下免疫豚鼠。结果表明,两种免疫方式都能激发
万
方数据豚鼠产生高水平的抗PA抗体(分别为600和2900),但前者保护率仅为40%,而用芽胞进行免疫时,保护率达到了100%。这一结果也表明芽胞作为疫苗的形式有很明显的优势。在这一研究的基础上,同一研究小
组的Mendelson掣2¨用A14815分别构建了表达PA
的突变体和致死因子LF的重组菌MCSA.13和MCSA.51。其中用MCSA.13的芽胞经皮下免疫豚鼠后,能诱导产生高水平的的抗PA的中和抗体,并且在能够保护作用持续12个月以上。更重要的是,MCSA.13免疫后,能够很快进入脾脏,可在体内持续存活一个月以上。在其萌发的过程中不断表达PA,激发机体的免疫应答,从而提供较长时间的保护作用。Aloni.Grinstein等【71则用MCSA.13的芽胞采用口服方式免疫豚鼠,研究口服芽胞疫苗。免疫实验结果表明,以芽胞的形式口服免疫后豚鼠后,芽胞能较好的抵抗胃肠道的杀伤作用,可以顺利通过胃肠道,且产生PA特异性IgG,同时也引发了的抗PA分泌型IgA应答,这也就证实很好地引发了黏膜免疫系统的应答,同时也起到了很好的保护作用。
Duc等【22】用B.Subtilis街芽胞采用两种不同的表达方式表达炭疽的保护性抗原PA及PA的片段,研究相应的炭疽芽胞杆菌疫苗。并以A/J小鼠为动物模型进行相关的免疫学研究。结果表明,当PA以分泌表达的形式从萌发后的活菌表达和展示在芽胞表面上时,均能引起机体的保护性免疫应答。但采用胞内表达时则不能引发相应的保护性性免疫。且两种表达方式引起的保护性免疫水平都比较高。用100倍LD50的B.anthracisSTI芽胞进行攻毒实验的结果也表明,所有重组B.subtilis芽胞免疫的A/J小鼠均得到很好的保护,而对照组则出现明显的炭疽症状,并且在攻毒实验后2—5d全部死亡。
这些研究表明,不论是减毒的B.anthracis芽胞还是B.subtilis芽胞都能够作为炭疽保护性抗原PA或其它抗原的载体,起了很好的免疫保护作用。同时也揭示了许多使用重组芽胞进行炭疽的免疫保护时重要的特点,PA只有表达于芽胞表面或分泌表达时,才能激发有效的免疫保护,而在胞内表达时,则不能激发机体的免疫应答。
2.2基于芽胞的破伤风疫苗
Isticato等…1用B.Subtilis的芽胞采用融合表达的方式,在芽胞衣蛋白CotB上展示了破伤风毒素459个氨基酸的C片段(TTFC)。经实验检测证实,融
416
合蛋白确实定位予芽胞衣上,且经测算,每个芽胞上约有1.5X103个TTFC分子。Duc等14]m强毅程鼻饲褥种方式免疫小鼠。实验证明,阴服免疫33天后,TTFC特异性IgG的滴度达到了较离的水平(>103),但针对芽脆衣鬣自应答籀对较低。阕时,免疫后的小鼠霄lO倍LD50的破伤风毒素进行攻毒实验,所有实验小鼠都褥到缀好的保护。最重要的是,经墨服免疫后的小鼠,用20倍LD50的破伤风毒索进行攻毒实验时,8只小鼠中只有一只出现明显的全身性症状,表现出很好的保护效果。这一结果裘曛,罪表露藏合表达TTFC的B.Subtilis重组芽胞免疫小鼠爵同时能够引起局部或全身性的抗原特异性免疫应答。
3
展望
疫蘸发展一个主要耳标就是研究和设计热稳定
的和菲淀射疫苗,以便于疫苗的使用。细藏芽胞能携带外源抗原,具有很好的热稳定性,同时即使是采用墨服鲍方式免疫,也能抵抗胃液的破坏,研究表明它是一种很有潜力的疫苗载体。另外,其生产加工容易,储存不需要冷链,非常有利于配送和储备条件相对较差懿发震孛国家使震。弱时,壶予杆蘸蒡胞已经体为益生菌在人及动物食品生产中广泛使用i2引,相对安全可靠,这一点也便于其将来作为一类口服疫茵获得最终援关法规孵许可。缨蘧芽脆作势一种薪颖的疫苗载体,越来越受到人们的关注和重视。
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Abstract:BacterialsporesBacillushavebeenusednetically
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for
probioticsfororalbacteriotherapybothinhumansandanimals.Recently,ge—
as
modifiedB.subtilissporesandB.anthracissporeshavebeenused
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indestructibledeliveryvehicles
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antigens.Theywereused
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spore
vaccinefororalimmunizationagainsttetanusandanthrax,andthe
spores
resultswereveryexciting.Unlikemanysecondgenerationvaccinesystemscurrentlyunderdevelopment,bacterialofferheatstabilityandthe
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canas
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byoralandnasaladministration.Thisreviewfocuses
Keywords:bacterialspore;vaccine;vaccine
theuse
ofrecombinantsporesvaccinedeliveryvehicles.
vehicle;immunization
’Correspondingauthor.Tel:+86・10-66948834;E-mail:zhangzs@nic.bmi.ac.ca
Received:6July2007/Revised:5September2007
科掌出版社生命科掌新书推介(2008一01)
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[美]雷蒙德・F格斯特兰德
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万方数据
细菌芽胞——一种新型的疫苗载体
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
王艳春, 张兆山, Yanchun Wang, Zhaoshan Zhang军事医学科学院生物工程研究所,北京,100071微生物学报
ACTA MICROBIOLOGICA SINICA2008,48(3)
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