沈洪波,王洪海
復旦大學生命科學學院遺傳學研究所遺傳工程國家重點實驗室,上海 200433
結核病是由結核分枝桿菌引起的重大傳染病,嚴重危害人類健康。目前全球大約有1/3人口感染了結核分枝桿菌,其中5%~10%轉化成活動性結核病。近幾年來,結核病的發病率和病死率持續增加[1]。多重耐藥菌株的出現是近年來全球結核病疫情肆虐的主要原因之一[2-4]。針對多重耐藥結核病的治療非常困難,與治療敏感菌感染引起的結核病相比,失敗率要高80倍,且預示著多重耐藥結核病有成為不治之癥的危險[5]。目前直接監督下的短期化療(directly observed treatment, short course,DOTS)方案治療周期過長,且現有抗結核藥物主要作用于生長活躍的結核分枝桿菌,不能有效殺死生長緩慢或處于休眠期的結核分枝桿菌,容易產生耐藥菌株。因此,如何有效殺死胞內殘存的結核分枝桿菌,預防結核病復發,以及有效治療耐藥結核分枝桿菌感染,是結核病研究面臨的重大挑戰。
疫苗接種可有效激發宿主針對結核分枝桿菌的特異性免疫反應,有助于清除宿主體內殘存和休眠期的結核分枝桿菌。傳統的結核病疫苗主要用于疾病預防[6]。未來疫苗開發的目標包括研制針對潛伏感染的疫苗,抑制、清除潛伏感染的細菌,阻止結核病復發[7];同時,要開發接種于已感染結核分枝桿菌(尤其是耐藥結核分枝桿菌)個體的新型疫苗,配合化學抗結核藥物的使用,徹底清除耐藥的以及殘留的結核分枝桿菌。
接種于已感染個體的疫苗,稱為治療性疫苗,是近年建立和發展起來的免疫治療新概念[8]。1999年,Lowrie等在Nature報道了表達熱休克蛋白60(heat-shock protein 60,Hsp60)的DNA疫苗,用于小鼠結核病治療的研究[9],進一步激發了學者們對治療性結核病疫苗的研究興趣。目前,治療性結核病疫苗的研究已經取得了很大的進展。治療性疫苗RUTI(無毒的結核分枝桿菌片段)已成功完成了臨床Ⅰ期試驗[10]。
結核分枝桿菌的潛伏感染是結核病防治中的一大隱患。在潛伏感染者體內,結核分枝桿菌的復制變得非常緩慢或已經休眠,即結核分枝桿菌已適應了宿主的免疫環境,從快速生長狀態轉變到非復制的緩慢生長狀態,抗原表達譜較快速生長狀態時有顯著差異。在目前的結核病化學治療過程中,抗結核藥物殺死了快速生長的結核分枝桿菌,卻無法徹底清除生長緩慢的細菌,也造成部分細菌在宿主體內殘留[11]。這些細菌生長緩慢或處于休眠狀態,數目極少,產生的抗原量少,導致的炎癥反應小,激起細胞免疫的能力有限,因此宿主免疫系統無法將其清除[12]。
宿主通過氣溶膠感染結核分枝桿菌后,獲得性免疫在肺部的誘導表達非常緩慢[13]。結核分枝桿菌存在于宿主肺部的肺泡組織(alveolar tissue),生長緩慢,激起的肺泡組織免疫反應非常微弱。結核分枝桿菌感染樹突細胞(dendritic cell,DC)后,降低DC激發T細胞的活性。感染的DC由肺移動到淋巴結大約需要14 d;T細胞激活后,DC轉移到感染部位大約在感染后的15~18 d[13]。這樣就給結核分枝桿菌提供了足夠時間,擴增到一定數目,從而干涉宿主保護性免疫反應的有效表達,建立穩定的感染。獲得性免疫雖然能控制細菌生長,但在細菌數目多到一定程度后,細菌生長就無法控制[13]。因此,免疫反應的慢啟動對于疾病控制非常不利。
治療性結核病疫苗的主要任務是誘導和增強以抗原為基礎的細胞免疫反應,通過誘發抗原特異性細胞毒性T淋巴細胞(cytotoxic T lymphocyte,CTL)免疫應答,殺死細胞內寄生的結核分枝桿菌。研究表明,Th1型為主的細胞免疫對抗結核分枝桿菌感染具有重要作用。DNA疫苗等治療性疫苗能將低效的抑菌反應轉換成高效的殺菌反應,讓外源基因在真核細胞內表達,表達出的抗原能在細胞質中與主要組織相容性復合物(major histocompatibility complex,MHC)Ⅰ類分子結合,然后被呈遞到細胞表面。CD8+T細胞在識別含有抗原肽的MHCⅠ類分子后,產生可裂解細胞的效應分子。這些效應分子具有穿膜活性,如perforin和granulysin,由此降解靶細胞[14]。這些效應分子還能破壞宿主細胞內存活的結核分枝桿菌。CD8+T細胞也能產生Th1型的典型細胞因子[15],促進調理作用抗體的產生。調理作用抗體有助于宿主細胞吞噬胞外結核分枝桿菌,從而阻斷病原體從干酪樣壞死部位向遠距離組織擴散。
在治療性疫苗中,卡介苗(Bacillus Calmette-Guérin,BCG)已無法發揮重要作用[13]。因為結核分枝桿菌感染阻止BCG的復制,BCG不能作為后感染疫苗提供保護。同樣道理,許多活的全菌疫苗也不能提供有效的免疫保護。但是,亞單位疫苗僅表達少數重要抗原基因,其表達不會像BCG一樣被阻止,并能激活重要抗原在感染個體中的免疫活性,誘導抗原特異性淋巴細胞發揮吞噬功能,且不會對宿主造成嚴重的免疫病理后果。
治療性結核病疫苗的主要任務是激發宿主特異的保護性免疫反應,逆轉發生在疾病進行中的非保護性免疫反應,使其向保護性Th1型反應發展,從而有助于清除潛伏的結核分枝桿菌,縮短傳統的化學藥物治療療程。為實現這一目的,目前的結核病疫苗的研究主要集中在以下幾個方面。
結核分枝桿菌為了適應宿主體內的免疫環境,使早期表達的蛋白成為宿主免疫系統的誘騙(decoy)蛋白,因此只有在潛伏感染期首次表達的蛋白才是治療性疫苗表達的重要抗原。目前,對誘導結核分枝桿菌休眠的條件及細菌對這些條件的反應還知之甚少。但有證據表明,控制細菌在動物模型中的復制需產生γ干擾素(interferon γ,IFN-γ)、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)和一氧化氮。另外,模擬病原菌在肉芽腫內環境的條件,如缺鐵、缺氧、缺營養等是最近幾年集中研究的重點[7]。Wayne 等通過逐漸減少氧氣,改變細菌的呼吸而產生硝酸還原作用,鑒定出可被厭氧誘導的與休眠相關的基因hspX(Rv2031)[16]。近年來全基因組芯片研究表明,厭氧條件下100多個基因的表達發生改變,其中DosR調節子包含48個基因,與hspX具有協同作用[17]。
蛋白質組學和基因芯片分析表明,在宿主體內結核分枝桿菌的許多脂代謝相關基因的轉錄發生了改變,如鼠肺內長期存活的結核分枝桿菌表達異檸檬酸裂合酶,這是一個脂肪酸代謝必需的酶。結核分枝桿菌在體內的代謝顯著受宿主反應的影響,因為激活的巨噬細胞能更有效地剝奪細菌的營養,為了抵制吞噬體運輸的改變,細菌關閉了脂肪酸的降解代謝途徑[11]。這些研究的深入將為針對休眠菌的疫苗設計提供重要指導。
2.1.1結核分枝桿菌的分泌性抗原Ag85復合體包括3種蛋白成分——Ag85A、Ag85B和Ag85C,它們是主要的分泌性抗原,也是目前在結核病疫苗研究中最受關注的抗原。在Ag85A 抗原中,P242-250是MHCⅠ類限制性CD8+T細胞的識別位點,在抗結核病的保護性免疫中,CD8+T細胞也發揮重要作用。另一個重要蛋白質抗原ESAT6是早期分泌蛋白,其基因在BCG中缺失,具有多個CD4+和CD8+T細胞結合位點,可激活有效的體液免疫和細胞免疫。
2002年吳雪瓊等用結核分枝桿菌H37Rv腹腔內注射感染BALB/c小鼠建立模型,發現DNA疫苗治療組肺組織涂片細菌數和肺菌落計數均比對照組明顯減少,證實Ag85A DNA疫苗具有一定的免疫治療效果[18]。隨后,吳雪瓊等先后證實Ag85A、Ag85A/ESAT6嵌合型質粒DNA與藥物聯合使用能顯著提高藥物對耐藥結核分枝桿菌感染的治療效果[19,20]。
江山等[21]探討了分別表達Ag85B、MPT64抗原的DNA疫苗對小鼠的治療作用。通過檢測器官載菌量以及脾淋巴細胞特異性IFN-γ、白細胞介素4(interleukin 4,IL-4)、TNF-α的分泌水平等指標,結合相關組織病理變化,發現Ag85B DNA疫苗對小鼠結核病有一定的免疫治療作用,可能通過增強宿主Thl型免疫反應,誘導TNF-α、IFN-γ共同升高而達到治療目的。
2.1.2結核分枝桿菌的細胞內蛋白1999年,Lowrie等[9]首次將編碼麻風分枝桿菌Hsp65的DNA疫苗用于小鼠結核病的治療,顯著降低了肺、脾中細菌數目。實驗結果表明,DNA疫苗能將Th2型免疫反應向Th1型轉換。2005年Nuermberger等[22]用Hsp65 DNA疫苗和藥物化療(利福平、莫西沙星)治療結核潛伏感染的小鼠,發現Hsp65 DNA疫苗能增加莫西沙星的抗結核活性。Silva等[23]用Hsp65 DNA疫苗結合藥物治療BALB/c小鼠結核病,1個月就可顯著減少肺和脾結核分枝桿菌載量,6個月后肺中未檢測到結核分枝桿菌;同時還發現Hsp65結合藥物治療對結核分枝桿菌敏感株H37Rv和耐藥株同樣有效。
還有研究[24]表明,多肽與結核分枝桿菌家族的細菌蛋白融合表達對結核病有治療作用。首選的多肽是結核分枝桿菌中低氧壓引起的潛伏期上調表達的蛋白。融合多肽的組合包括ESAT-6、ESAT-6-Ag85B、TB10.4、CFP10、RD1-ORF5、RD1-ORF2、Rv1036、MPB64、MPT64、Ag85A、Ag85B(MPT59)、MPB59、Ag85C、19kDa 脂蛋白或MPT32。研究表明該疫苗既可用于治療,也可用于預防結核病。
大量研究發現,結核分枝桿菌抗原與宿主來源細胞因子等編碼基因的融合體顯示較好的免疫效果。Okada等[25]融合表達了結核分枝桿菌 Hsp65與IL-12編碼基因,采用日本紅細胞凝聚病毒包膜和脂質體(Hsp65+IL-12/HVJ)為載體,在豚鼠結核分枝桿菌感染的治療中,顯著提高CD8+和CD4+T細胞的保護效率,減少耐藥結核分枝桿菌的數目,提高耐藥菌株感染豚鼠的存活率。在目前最好的結核病動物模型恒河猴中的研究表明,該疫苗表現出良好的治療效果(包括存活率和免疫反應)。這些數據表明該疫苗可能對感染結核分枝桿菌(包括廣泛耐藥菌株和多重耐藥菌株)的患者,具有治療作用。
Andersen等[24]構建了一個DNA載體,以表達Hsp65與人IL-2融合基因,結果表明該疫苗提高了Th1型細胞免疫反應,產生大量IFN-γ和IL-2,激起高效價的抗Hsp65的抗原特異性IgG2a抗體。在用DNA疫苗治療結核病小鼠的實驗中,該疫苗能顯著降低結核分枝桿菌的數目,提高Th1型反應[26]。
結核分枝桿菌Hsp70包含多個T細胞和B細胞表位,免疫原性較Hsp65更強,能誘導出特異性Th1型反應,對結核分枝桿菌的攻擊可產生較強的保護性免疫效應。CD80(B7-1)是近年來發現的一種具有免疫活化功能的第二信號分子,與其共刺激受體CD28和(或)CTLA24 相互作用可提供T細胞活化所必需的協同刺激信號,對體液免疫和細胞免疫具有全面的活化作用。史小玲等用結核分枝桿菌強毒株攻擊小鼠后,接種Hsp70/CD80嵌合DNA疫苗,結果表明該疫苗具有較好的免疫治療效果[27]。
2003年,Ha等[28]將Ag85A和IL-12N220L DNA疫苗聯合異煙肼和吡嗪酰胺治療C57BL/6J結核病小鼠,防止結核病復發的效果優于IL-12N220L DNA疫苗與藥物聯合治療組,更優于單純藥物組。
RUTI由脂質體包裹的結核分枝桿菌片段構成,脂質體由磷脂酰膽堿和膽堿鈉組成[10]。在鼠類模型中,感染結核分枝桿菌9~17周后采用異煙肼和利福平治療,并用RUTI 在17、19和21周進行免疫治療,殘留的結核分枝桿菌數目顯著降低。在C57BL/6和DBA/2純系小鼠模型中,RUTI能調節Th1/Th2反應的平衡。RUTI可在初期化療后使用,那時細菌載量已極大降低,RUTI可加快破壞殘留的細菌。在中止化療的感染實驗動物中,RUTI可顯著降低細菌載量,其作用機制可能是在治療動物肺內產生CD8+IFN-γ+T細胞;RUTI也能產生很強的抗體反應,對多種抗原肽產生IgG1、IgG2a和IgG3抗體。RUTI是針對潛伏結核分枝桿菌感染的治療性疫苗,與藥物化療聯合在治療結核病小鼠和豚鼠模型中非常有效,不存在毒性[29,30]。
江山等[21]研究表明,IL-12質粒單獨用于治療小鼠結核病有一定作用。邵燕麗等[31]研究表明,IL-12、IL-18和IL-10都可用于免疫治療,且IL-18用作疫苗佐劑可能優于IL-12。
日本科學家[32]發明了新型的治療性結核病疫苗,即采用腺病毒載體表達IL-6相關基因(IL-6 gene + IL-6 receptor gene + gp130 gene)。IL-6相關的DNA疫苗具有顯著的治療效果,能激發CTL活性,減少組織病理性結核壞死。采用該疫苗治療小鼠后,肺部結核分枝桿菌數目明顯低于BCG東京株,而且針對結核分枝桿菌的CTL活性明顯提高,肺部的組織病理學變化明顯改善。另外,他們還采用質粒pcDLSR表達人源顆粒溶素cDNA,用該疫苗治療后,小鼠肺、脾和肝組織中的結核分枝桿菌數目明顯少于非治療組。目前他們正在研究兩者協同治療的效果。
目前,治療性結核病疫苗主要是以質粒為載體的DNA疫苗。隨著基因治療研究的深入及病毒載體應用研究的較大進展,病毒載體可在宿主體內長期、穩定地表達目的基因。
慢病毒載體具有能感染分裂和非分裂期細胞、容納外源性目的基因片段大、基因持續表達、免疫反應小等特點,被廣泛應用于癌癥的治療研究。基于人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)的慢病毒載體已成為基因治療最有效的手段[33]。
腺病毒載體是非常有潛力的結核病疫苗載體,因為其具有定向性和強烈的CD8+T細胞刺激作用[34]。然而5型腺病毒在人群中高度流行,感染后的個體將產生中和抗體,會削弱其高流行區的疫苗效率。35型腺病毒是非流行株,所以具有較為廣泛的用途。由于安全性高,重組腺病毒已被用作各種基因治療的載體。腺病毒對呼吸道上皮細胞有天然的高親和力,是呼吸道黏膜抗結核的理想載體。
電轉染也是一種有效的治療性疫苗的轉染技術。李忠明等[35]采用施加方型波電脈沖、促進質粒DNA體內轉染的方法,研究了電轉染技術聯合初次免疫后加強免疫的策略能否增強結核分枝桿菌核酸疫苗的免疫原性。3次初次免疫后,用相應抗原或BCG加強免疫,結果表明該策略能顯著增強結核分枝桿菌核酸疫苗在動物體內的免疫原性。
治療性結核病疫苗的發展優勢在于針對常規治療無法徹底清除的潛伏期細菌和難以采用化學藥物治療的耐藥菌株,防止疾病復發。治療性疫苗可打破機體免疫耐受,調節機體免疫系統功能,增強機體特異性免疫反應,從而起到積極治療作用;可逆轉通常發生在疾病進展期的非保護性免疫反應,使其向Th1型反應發展,從而治愈肺結核或作為佐劑縮短傳統的化學藥物治療的療程。
結核病是慢性傳染病,其生物學過程包括病原潛伏、免疫逃避機制或病原儲備機制。治療性疫苗的作用在于被接種后在宿主體內仍能有效激發免疫反應,但慢性感染患者通常表現為免疫防御受損。因此,真正的趨勢應該是將化學藥物與治療性疫苗聯合使用,優化在藥物治療過程中治療性疫苗的接種時間、接種次數等。
在疫苗設計上,治療性疫苗與傳統意義上的預防性疫苗具有顯著不同的特征。通常,預防性疫苗主要作用于從未感染的機體,因此天然結構的微生物蛋白可直接用作疫苗抗原。而治療性疫苗的作用對象則是曾經感染的個體,天然結構的微生物蛋白一般難以誘導機體產生特異性免疫應答。但在多數微生物感染中,抗原呈遞細胞已被感染,因此需要設計與常規感染過程不同的抗原加工與處理途徑。治療性疫苗必須經過分子設計和重新構建,以獲得與原天然病毒蛋白結構類似、但又不同的新的免疫分子。
疫苗研制屬高科技生物藥物開發范疇。 美國食品藥品管理局(Food and Drug Administration,FDA)的報告顯示,開發中的疫苗增長非常迅速,年增加品種達44%。國外權威專家預測,未來生物技術的“重磅炸彈”——生物藥品將由治療性疫苗等5類組成,因此研究與開發治療性疫苗將具有重大的理論意義及潛在的巨大經濟和社會效益,已經受到世界范圍的廣泛關注。
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