達澤蛟,祝秉東,張穎
1. 蘭州大學結核病研究中心暨病原生物學研究所,蘭州 730000; 2. 美國約翰·霍普金斯大學布隆博格公共衛生學院分子微生物學與免疫學系,馬里蘭州 21205
結核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis, Mtb)是一種頑固的病原體,已感染全世界1/3人口。每年有約900萬例新發結核病患者,近200萬例死于結核病[1]。隨著越來越多耐藥菌株的出現,特別是耐多藥(至少對2種一線抗結核藥物異煙肼和利福平耐藥)和廣泛耐藥(在耐多藥的基礎上,又對2種主要的二線抗結核藥物氨基糖苷類和氟喹諾酮類藥物耐藥)菌株的出現,給結核病的控制帶來了巨大挑戰[2]。由于人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)感染、社會經濟影響(如部分地區經濟發展落后、個體營養狀況差)、精神及軀體壓力等因素,宿主免疫力低下,最終使處于潛伏期的結核分枝桿菌活化或導致部分個體再感染[3]。這使得當前結核病疫情愈加嚴峻。
目前,結核病疫情與其化療藥物和卡介苗(bacillus Calmette-Guérin,BCG)的有效性形成矛盾。導致該結果的主要因素包括:結核病需要長期服藥和結核分枝桿菌耐藥,特別是結核病控制策略沒有充分考慮到結核分枝桿菌的潛伏感染。BCG不能提供有效的免疫保護力來抵抗結核分枝桿菌的感染,尤其不會對處于潛伏期的結核病患者產生任何效果。每年900萬的新發結核病例,在某種程度上反映了這個問題。結核分枝桿菌的潛伏感染就像一顆定時炸彈,已成為結核病防治的一大隱患。當機體免疫力低下時(如HIV感染、麻疹、營養不良、情緒低落等),潛伏的結核分枝桿菌感染就可能轉化為活動性結核病[4]。因此,對于結核病防治,必須兼顧針對活動期和潛伏期的結核分枝桿菌感染。本文將圍繞結核病免疫發病機制的研究進展,討論如何將其用于新疫苗研制,同時對當前新疫苗研發的進展作一綜述。
當人吸入結核分枝桿菌后,30%個體會被感染。感染個體中,90%處于潛伏期,不到10%發展為活動性結核。處于潛伏感染期的個體,一生中有不到10%的概率發展為活動性結核病。導致以上變化發生的危險因素包括宿主的易感性、社會經濟發展落后、年老及其他原因導致的免疫力低下。如HIV感染者發展為活動性結核病的概率每年>10%[5]。
結核分枝桿菌經呼吸道引起肺部感染,在機體建立免疫力前被肺泡巨噬細胞吞噬,并在其中增殖。機體在抗結核免疫反應作用下,細胞及組織病理損傷表現為典型的干酪樣壞死,參與的各種免疫細胞包括巨噬細胞、樹突細胞、中性粒細胞和淋巴細胞,并構成結核肉芽腫。在機體免疫反應作用下,結核分枝桿菌停止增殖,病理損傷有所局限。但不是所有結核分枝桿菌都被殺死,在機體免疫力低下時又會增殖。干酪樣損傷進一步液化,流入血管引起血行播散,形成粟粒型肺結核和肺外結核(如結核性腦膜炎)。病灶液化可侵入氣道形成結核空洞,大量結核分枝桿菌在空洞增殖、生長,并通過呼吸道進行傳播[6]。
結核分枝桿菌通過補體受體3(complement receptor 3,CR3)[7]、甘露糖受體(mannose receptor,MR)和清道夫受體(scavenger receptor,SR)[8]被巨噬細胞吞噬,形成吞噬體(圖1)。吞噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體,溶酶體中的酶再降解結核分枝桿菌的蛋白及其他成分,該過程稱為自噬,是天然免疫的一部分。但結核分枝桿菌通過分泌酸性磷酸酶(secreted acid phosphatase,SapM)[9]、蛋白激酶G(protein kinase G,PKG)[10]和糖基化磷脂酰肌醇等來抑制吞噬體與溶酶體的融合[11]。SapM是一種分泌型類脂磷酸酶,能水解磷脂酰肌醇-3-磷酸(phosphatidylinositol-3-phosphate,PI3P)。PI3P是位于吞噬體膜表面的一種運輸調節脂類,為吞噬體與溶酶體融合所必需[9]。吞噬體中的結核分枝桿菌清除PI3P,能阻止吞噬體與溶酶體的融合。另外,結核分枝桿菌細胞壁成分脂阿拉伯甘露聚糖(lipoarabinomannan,LAM)可模仿哺乳動物磷脂酰肌醇阻止磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase,PI3K)及其產物PI3P,從而抑制吞噬體發展為吞噬溶酶體,使結核分枝桿菌存活[11,12]。PKG類似于真核細胞的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(serine/threonine kinase,Akt),與抑制吞噬體與溶酶體融合有關[10],但確切機制及其宿主靶位還不清楚。最近研究表明,T輔助細胞1型(T helper cell type 1,Th1)相關細胞因子——γ干擾素(interferon γ,IFN-γ)能促進吞噬體與溶酶體融合,并通過干擾素誘導蛋白1(interferon-inducible Golgi membrane associated GTPase,Irgm1/LRG-47)[13,14]和PI3K[15]細胞信號轉導通路發揮作用。然而Th2相關細胞因子——白細胞介素4(interleukin 4,IL-4)和IL-13可通過Akt信號途徑終止自噬功能和自噬介導的殺菌作用。此外,IL-4和IL-13通過信號轉導和轉錄激活子6(signal transducer and activator of transcription 6,STAT6)轉錄因子抑制IFN-γ誘發的自噬作用[16]。除吞噬作用相關的細胞信號轉導,結核分枝桿菌19kD脂蛋白、脂化甘露聚糖、磷脂酰肌醇甘露糖苷和核酸與巨噬細胞表面Toll樣受體2(Toll-like receptor 2,TLR2)、TLR4、TLR9等模式識別受體相互作用,通過髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MyD88)、IL-1 I型受體相關蛋白激酶激活TLR介導的細胞信號轉導通路,導致核因子κB(nuclear factor κB,NF-κB)活化入核,促進腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)、IL-12表達和一氧化氮(nitric oxide,NO)等生成增多[17]。此外,TLR2活化激活巨噬細胞維生素D受體和維生素D-1-羥化酶基因,最終分泌抗菌肽以殺死細胞內的結核分枝桿菌[18]。

圖1 結核分枝桿菌與宿主細胞在巨噬細胞水平的相互作用
Fig.1Mycobacteriumtuberculosis-host cell interaction at macrophage level
感染的巨噬細胞和樹突細胞分泌各種細胞因子,包括IL-12、IL-23、IL-7、IL-15、TNF,并呈遞各種抗原給CD4+T細胞、CD8+T細胞、CD1限制性T細胞(識別脂質抗原)和γδT細胞(圖2)[19]。活化的T細胞分泌IFN-γ,與TNF共同激活巨噬細胞,通過活性氮、活性氧介導,殺死胞內的結核分枝桿菌。另外,CD8+細胞毒性T細胞分泌顆粒溶素、穿孔素,殺死胞內結核分枝桿菌。但CD4+Th2產生的IL-4和CD4+CD25+Foxp3+調節性T細胞(regulatory T cell,Treg)產生的IL-10和轉化生長因子β(transforming growth factor β,TGF-β)抑制IFN-γ介導的殺結核分枝桿菌作用[20-22],有效下調炎癥反應,從而有助于結核分枝桿菌生存。另有研究發現,結核分枝桿菌甘露糖末端修飾的LAM可刺激Treg分泌免疫抑制因子IL-10和TGF-β[23]。近幾年來,對以分泌IL-17為特征的新T細胞亞群Th17的研究表明,Th17是重要的炎癥反應和CD4+T細胞免疫反應的調節者[24]。Th17分泌IL-17并募集中性粒細胞、單核細胞。CD4+T細胞分泌IFN-γ,刺激趨化因子表達[24]。但IFN-γ亦能抑制Th17分泌IL-17,有利于限制結核分枝桿菌誘導的免疫病理損傷(圖2)[25]。雖然近幾年免疫學發展迅速,但目前對干酪樣壞死及液化的機制仍不清楚。

圖2 結核分枝桿菌感染的免疫反應
Fig.2 Cellular immune response toMycobacteriumtuberculosisinfection
BCG是Calmette和Guérin將牛型結核分枝桿菌經過230次傳代培養,歷時13年(1908~1921年)所研制的減毒分枝桿菌。BCG是目前應用最廣泛的結核分枝桿菌疫苗,已接種76%新生兒。它能降低小兒患嚴重結核性腦膜炎及粟粒型肺結核的風險,保護70%~80%的新生兒;但其保護效應不穩定,尤其對患肺結核的成人保護力較差。如在南印度Chingleput地區,BCG的保護率為0%;而在英國學齡兒童中保護率可高達80%[26,27]。盡管BCG得到廣泛應用,但面對全球結核病疫情的蔓延卻無能為力。因為作為一種預防性疫苗,它不能有效治療結核分枝桿菌的潛伏感染。此外,由于BCG仍存在一定毒力,免疫力低下的兒童(多為先天性免疫缺陷)接種BCG后可引起結核病樣的BCG疾病(經血行及淋巴播散全身)。
BCG缺乏有效性的確切原因還不清楚,可能與以下因素有關[27]:BCG菌株多樣,不同菌株的免疫原性可導致不同的保護效應;BCG菌株可能在反復的體外培養中丟失了一些重要的抗原;也可能與宿主的遺傳因素有關;環境分枝桿菌的感染可能掩蓋BCG的保護力;最近研究顯示BCG與臨床致病結核分枝桿菌有很大不同,如BCG對流行的臨床菌株北京株缺乏有效作用[28];還可能與寄生蟲感染增強Th2反應和Treg減弱BCG的保護效應有關[29]。
由于現有的BCG存在很多問題,因此尋找新的疫苗尤為重要[19,26,30,31]。總的來說,處于現研究階段的疫苗可分為3類:暴露前疫苗(預防為主)、暴露后疫苗(針對潛伏感染活化)和治療性疫苗(可提高化療的療效,增強殺菌效果)。
當前候選疫苗也可分為BCG替代疫苗和亞單位疫苗[19,26]。BCG替代疫苗包括表達結核分枝桿菌抗原Ag85和38kD的重組BCG,重組李斯特菌溶素(listeriolysin)[32]或產氣莢膜梭菌溶素(perfringolysin)(http://www.aeras.org)的BCG,以及減毒活疫苗(結核分枝桿菌leuD、panCD、lysA、RD-1、phoP和mce2/3的突變體)[33-35]。亞單位疫苗包括蛋白疫苗(使用新型佐劑的融合蛋白Mtb72f、Ag85-ESAT6、Ag85-TB10.4)、表達結核分枝桿菌抗原(如Ag85A)的病毒載體疫苗(痘病毒和腺病毒)[36,37]和DNA疫苗(HSP60、Ag85)[26,38]。表1列出了一系列處于不同研發階段的結核候選疫苗。其中進展最快的為MVA85A(表達Ag85A的Ankara改良痘苗病毒),用于強化BCG免疫,已進入臨床Ⅱ期試驗[39]。早期分泌抗原靶蛋白6(early secretory antigenic target 6,ESAT6)已作為診斷抗原,用以區別BCG免疫和結核分枝桿菌感染。因此,在各種研發的疫苗中,含有ESAT6的候選疫苗可能給結核病的診斷帶來困難[40]。
表1 處于不同研發階段的主要候選疫苗
Tab.1 Current tuberculosis vaccine candidates

Vaccine candidateDeveloperStageDescriptionAeras 422AerasClinical ⅠOverexpression of selected antigens and endosome escape to enhance antigen immunogenicityBCG::RD1Institut PasteurPreclinicalRecombinant BCG with reintroduction of RD1 and expressing antigens ESAT6 and CFP10rBCG::ΔureC-hlyMax Planck InstituteClinical ⅠUrease-deleted recombinant BCG expressing listeri-olysin from Listeria monocytogenesAttenuated MtbAlbert Einstein College of MedicinePreclinicalMtb with double deletion of lysA/panCD and RD-1/panCD Mtb ΔphoPInstitut PasteurPreclinicalMtb with inactivation of phoP by inserting a drug-resistance geneMVA85AOxford UniversityClinicalⅡA recombinant modified vaccinia virus Ankara (MVA) containing Mtb antigen 85AAeras 402 / Crucell Ad35Crucell N.V./AerasClinicalⅡA replication-deficient adenovirus Ad35 containing Mtb antigens 85A, 85B, and TB10.4Mtb72FAeras/GlaxoSmithKlineClinicalⅡA fusion protein of Rv1196 and Rv0125 in adjuvant AS01 or AS02H1-CAF01Statens Serum Institut Clinical ⅠA fusion protein of 85B and ESAT6 in adjuvant CAF01H1-IC31Statens Serum Institut Clinical ⅠA fusion protein of 85B and ESAT6 in adjuvant IC31SSI/SP H4-IC31Statens Serum Institut /AerasClinical ⅠA fusion protein of 85B and TB10.4 in adjuvant IC31
Mtb,Mycobacteriumtuberculosis.
目前,BCG和重組BCG初次免疫后再用亞單位疫苗加強免疫的免疫策略被人們所接受[19,26,36]。巴西的研究表明[41],反復接種BCG不能增強BCG的保護效果,即增加接種BCG次數也不能提高疫苗本身的效果。
各型疫苗的研發主要集中在抗原篩選方面,但僅考慮抗原是遠遠不夠的,因為單個抗原所引起的免疫效應有限,需合適的佐劑提高其免疫效應和保護力。因此,新一代結核蛋白亞單位疫苗需要尋找一個理想的佐劑。70多年來,鋁佐劑是唯一一個在世界范圍廣泛應用的注冊佐劑。另外,MF59在一些國家作為預防流行性感冒(簡稱流感)和甲型肝炎疫苗的佐劑,已經注冊[42,43]。但以上2種佐劑主要介導體液免疫,對以細胞免疫為主的結核疫苗效果不佳。結核分枝桿菌與HIV的合并感染已成為世界公共衛生問題,這2種疾病都以細胞免疫為特點,但現有疫苗缺乏理想的針對細胞免疫為主的佐劑。
近幾年來,隨著佐劑技術的發展,一系列能誘導較強細胞免疫的佐劑已進入臨床試驗。如Ag85B-TB10.4、Ag85B-ESAT6和Mtb72F融合蛋白分別在一種陽離子多肽﹝KLKL5KLK與寡脫氧核苷構成的佐劑(IC31)和由單磷酰脂A和皂角苷QS-21構成的水-油乳濁液(AS02A) ﹞介導下,可誘導有效的細胞免疫反應,并具有免疫保護效應[44,45]。由陽離子脂質體二甲基三十六烷基銨(dimo-thylidioctyl ammonium bromide,DDA)和trehalose 6,6-dibehenate (TDB)構成一種新型的復合佐劑CAF01,可輔助結核融合蛋白Ag85B-ESAT6誘導較強的細胞免疫效應。TDB為結核分枝桿菌細胞壁索狀因子(cord factor)類似合成物,動物實驗顯示其保護效果較理想,已進入Ⅰ期臨床試驗[46]。從以上不難看出佐劑發展的一個趨勢,即單個成分的佐劑可能被復合佐劑所取代。單個佐劑的免疫效應有限,且不同佐劑之間各有特點,所以合理搭配不同的佐劑已成為研發新型佐劑的趨勢。一些新技術的應用(如納米技術)也推動了佐劑發展,如以聚乳酸-羥基乙酸共聚物﹝poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA﹞為載體的佐劑聯合融合蛋白TB10.4-Ag85B,能增強T細胞免疫反應[47]。
雖然佐劑技術有了長足進步,但尋找一個安全、穩定和有效的佐劑,仍需要大量的研究和時間檢驗。
抗結核疫苗的保護效率通常以免疫原性、結核菌載量(bacterial load)和感染動物的生存時間來評價[19,26]。免疫原性的實驗指標包括與保護相關的細胞因子(如IFN-γ、IL-2和TNF-α)分泌量和活化的T細胞數目(CD4+和CD8+T細胞)。評價結核疫苗的保護效率是一項十分復雜的工作,牽涉諸多因素,包括不同的動物模型(小鼠、豚鼠、兔和靈長類動物),不同的免疫途徑(皮內、皮下、腹膜內、肌內、鼻內、氣溶膠和口腔),不同的劑量(低、中、高),不同的間隔時間和加強次數(4周、6周、8周),不同的毒力菌株(Erdman、H37Rv、臨床株),不同的毒株攻擊劑量(低、中、高),不同的感染途徑(氣溶膠、靜脈),從感染到檢測時間間隔(4周、6周、8周)和不同的判斷標準(動物生存狀況、菌落形成單位、病理學和脾臟重量)。
在人體評價疫苗的免疫原性更復雜,因為能保護人體有關的免疫參數還未徹底搞清楚。不過,新方法的建立給疫苗篩選帶來了啟發。如從已注射疫苗動物體內分離T細胞,與巨噬細胞進行體外結核分枝桿菌抑制檢測。最近Ⅱ期臨床試驗表明,BCG初次免疫后用MVA85A強化可誘導較高的細胞免疫反應, IFN-γ和TNF-α分泌增多,并誘導可分泌IL-2的記憶性T細胞[39],但其保護效果仍有待觀察。然而,南非的研究發現,新生兒接種BCG 2年后,CD4+T細胞分泌IFN-γ的水平與免疫保護效果并不相關[48]。
新疫苗的臨床試驗花費巨大,耗時較長,在整個臨床試驗階段,評價體系又不夠精確,因此新疫苗的臨床前研究至關重要。如果能在實驗室盡可能系統地評價出理想的新疫苗,就有可能避免臨床試驗時不必要的浪費,節省大量的資金和時間。合適的動物模型是首先要考慮的問題。不同動物對結核分枝桿菌的敏感性不同,不同動物針對結核分枝桿菌的免疫特點也不同(如小鼠感染結核分枝桿菌后可誘導明顯的細胞免疫,但不能形成典型的干酪樣壞死病變,而豚鼠恰好相反)。因此,長期以來作為結核免疫研究對象的兔模型,已得到很多學者的重視。有研究表明,兔模型在篩選疫苗方面可能有更好的優勢。為避免不同動物模型的局限性,盡可能選擇多個動物模型,最后綜合評價,也許是不錯的辦法[49]。
目前,許多實驗室都選擇H37Rv標準株作為毒力攻擊株,這也存在很大的局限性,或許應該選擇一些臨床菌株如北京株。最好在進行流行病學調查的基礎上,選擇當地的優勢菌株進行毒力攻擊實驗,這可能更有臨床意義[50]。
長期以來,人們普遍認為Th1型細胞因子IFN-γ能保護機體抵抗結核病,但過強的Th1型免疫反應會引起組織病理損傷。Th2反應和Treg抑制Th1反應能阻止組織損傷,但會導致結核分枝桿菌存活[16,22]。如何在兩者之間找到平衡,在保護組織、局限組織損傷的同時,也能限制甚至殺死結核分枝桿菌,是理想疫苗設計的關鍵。Th2型細胞因子IL-4、IL-13對抗IFN-γ介導的免疫保護,減少TNF介導的感染細胞的凋亡和誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)的活動,增強Treg作用,提高TNF的毒性,故會減弱抗菌作用[22]。疫苗可能不僅需提高CD4的Th1反應,還要減弱Th2(IL-4)和Treg反應(IL-10、TGF- β)[22]。最近研究表明,重復接種可刺激Th1反應的候選疫苗可能導致隨后向Th2反應發展。如有保護效果的Ag85B DNA疫苗經蛋白Ag85B加強后,免疫保護效果丟失。這可能是由于經過強化免疫后,免疫反應向Th2方向發展[51]。Ag85A DNA疫苗初次免疫能增強BCG的保護效果,但BCG免疫后用Ag85A的DNA、85A蛋白或MVA85A強化免疫不能增強BCG的保護力,相反可引起與病理相關的IL-17分泌[52]。
候選疫苗(rBCG::△ureC-hly、DNA疫苗、表達結核分枝桿菌抗原的病毒載體)刺激CD8+T細胞,能提供有效的保護力,抵抗肺結核的發生[32,37,38,53]。德國馬普研究所依據宿主與病原體之間的免疫反應,設計了重組BCG(rBCG::△ureC-hly),從BCG剔除了尿素酶基因以防尿素酶堿化吞噬小體空泡,而酸化空泡可利于吞噬小體與溶酶體的融合。此外,該BCG變異株表達來自于李斯特菌的溶菌素基因,導致吞噬小體溶解,更有效地通過主要組織相容性復合物(major histocompatibility complex,MHC)Ⅰ類分子呈遞抗原給CD8+T細胞。同時,使已感染的巨噬細胞凋亡,樹突細胞攝取其裂解物,反過來進行更有效的抗原呈遞,整個過程稱交叉致敏[32]。人們依據產氣莢膜梭菌溶素研制了一個類似的疫苗。
新型佐劑IC31已用于重組結核分枝桿菌Ag85B和TB10.4蛋白,可有效刺激T細胞和B細胞[44]。此外,佐劑AS02與蛋白亞單位疫苗Mtb72F能誘導Th1免疫反應(表1)[45]。
BCG缺乏RD1區域,已表明將該區域基因互補入BCG能提高其保護力[54],但是否會增強BCG的毒力還有待進一步評價。PhoP是結核分枝桿菌的一個重要毒力致病因子,結核分枝桿菌減毒株H37Ra株毒力降低與phoP基因突變密切相關。phoP突變株亦可能是一個有希望的候選疫苗[34]。最近,H37Ra基因組測序已經完成[55],有可能以H37Ra株為參照研制出新的減毒活疫苗。
利用處于休眠期的蛋白研制針對潛伏感染的疫苗,引起了人們的濃厚興趣。人們設計了表達休眠相關基因如DosR調節蛋白的重組BCG(表1)[56]或基于DosR蛋白設計亞單位疫苗[57,58]。最近有研究報道,將結核分枝桿菌休眠期抗原Rv2660c和Ag85B、ESAT6融合制備的疫苗既具有預防性疫苗的作用,還可有效預防潛伏感染結核分枝桿菌的復活[59]。
結核病疫苗的發展面臨諸多挑戰,如缺乏預測臨床保護效果的替代指標,這將是疫苗研發的巨大障礙。Ⅲ期臨床試驗需花費很長時間(3~4年,甚至更長)和大量患者,試驗成本昂貴。更重要的是,缺乏臨床試驗場所。不過,最近Aeras全球結核病疫苗基金會正在印度、南非、肯尼亞和烏干達等地建立試驗場地(http://www.aeras.org),包括歐洲和發展中國家的合伙人也正在增建臨床試驗場地,這些將為結核疫苗的最終應用奠定基礎。
在結核疫苗的發展研制過程中,出現了很多有趣的問題。許多候選疫苗正在進行臨床前研究,有幾種已經進入臨床Ⅰ期或Ⅱ期試驗研究。Aeras全球結核病疫苗基金會受比爾·蓋茨及梅林達·蓋茨基金會資助,將在肺結核病防治中發揮重要作用,有望在未來幾年內開發出能控制結核病疫情的新疫苗 (http://www.aeras.org)。但依然有很多不確定的因素,如動物研究中有效的候選疫苗在人體是否同樣有效?所以,有必要進一步探索與人體保護效果有關的人體免疫參數或生物標記,然后用多參數分析復雜的免疫系統。對比分析結核病患者和純化蛋白衍生物(purified protein derivative,PPD)陽性健康對照的免疫反應,同時動態、長時間監測處于潛伏期感染的個體免疫參數,尤其是發展為結核病和最終未發展為結核病的個體參數,可揭示免疫系統(包括固有免疫和獲得性免疫)抗結核及控制潛伏感染的機制。這將使人們不僅更深入了解宿主針對結核分枝桿菌的免疫保護反應,還有助于研發更有效的疫苗。為能更好地控制結核病,不僅需要快速診斷和較短時間的化療,更重要的是需要一種優于BCG或可強化BCG的疫苗即接觸前疫苗,還需要針對結核分枝桿菌潛伏感染的治療性疫苗。
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