基因工程疫苗的研究进展
摘 要:随着分子生物学及重组DNA技术的发展,基因工程疫苗的研究不断深入,传统疫苗已体现出诸多缺陷,利用基因工程开发新疫苗是当前解决这个问题的最好途径之一。目前开发的主要有基因工程亚单位疫苗、基因工程活载体疫苗、核酸疫苗、合成肽疫苗、转基因植物可食疫苗、抗独特型疫苗等。本文对新型疫苗发展方向及进展情况作以综述。
关键词:基因工程疫苗 生物制品 免疫系统 病毒样颗粒
中图分类号:S852文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)04(a)-0003-02
1 前言
自从英国乡村医生Edward Jenner 1798年发明天花疫苗以来,人类已研制出上千种疫苗用来预防和控制各种疾病,20世纪80年代随着现代生物学技术的兴起,特别是DNA重组技术的出现,为研制新一代的疫苗提供了崭新的方法。基因工程疫苗是用分子生物学技术,对病原微生物的基因组进行改造,以降低其致病性,提高其免疫原性,或者将病原微生物基因组中的一个或多个对防病治病有用的基因克隆到无毒的原核或真核表达载体上制成疫苗,接种动物产生免疫力和抵抗力,达到防制传染病的目的。现在疫苗已成为人类同疾病斗争的一种重要武器,而基因工程疫苗是当今最先进的疫苗,相比传统疫苗而言它有巨大的优势。
2 各种基因工程疫苗简介
目前利用基因工程技术已经使用和正在研制开发的新型疫苗主要有基因工程亚单位疫苗、基因工程活载体疫苗、核酸疫苗、合成肽疫苗、转基因植物可食疫苗等,这些疫苗统称为基因工程疫苗。
2.1 基因工程亚单位疫苗
基因工程亚单位疫苗(Subunit vaccine)又称生物合成亚单位疫苗或重组亚单位疫苗,指只含有病原体的一种或几种抗原,而不含有病原体的其他遗传信息。能利用体外表达系统(如大肠埃希氏菌,杆状病毒,酵母等)大量表达病毒的主要保护性抗原蛋白作为免疫原,因此具有良好的安全性,且便于规模化生产。
在研制亚单位疫苗时,首先要明确编码具有免疫原活性的目的DNA片段,一般选择病原体表面糖蛋白编码基因,而对于易变异的病毒(如A型流感病毒)则可选择各亚型共有的核心蛋白基因序列。其次,还必须选择合适的表达系统用来表达基因产物,表达系统主要有大肠埃希氏菌、酵母、昆虫细胞、哺乳类细胞、转基因动植物等。迄今研制出的亚单位疫苗,有预防病毒性和细菌性疾病的,也有激素类的亚单位疫苗。比较成功的重组亚单位疫苗有人乙型肝炎病毒亚单位疫苗(酵母表达),口蹄疫病毒亚单位疫苗,牛瘟病毒亚单位疫苗,猪细小病毒亚单位疫苗等。基因工程亚单位疫苗分以下3类:
细菌性疾病亚单位疫苗:传统的细菌疫苗用全菌、细菌胞壁抽提物或培养肉汤粗滤液制成,除免疫原外,还含有很多有毒成分。鉴定和分离致病菌关键的免疫原和毒力因子是研究细菌性亚单位疫苗的基础,现已研制出预防产肠毒素大肠埃希氏菌、炭疽杆菌、链球菌和牛布鲁氏菌病等的亚单位疫苗,都能对相应的疾病产生有效的保护作用。
病毒性疾病亚单位疫苗:研制病毒性亚单位疫苗比细菌性亚单位疫苗简单,病毒病原体只编码少数几种基因产物,大部分病毒基因组已被克隆和完全测序,这为病毒性亚单位疫苗的研制提供了有利条件。目前已商品化或在中试阶段的病毒性疾病亚单位疫苗主要有乙型肝炎、口蹄疫、狂犬病等十几种亚单位疫苗。
激素亚单位疫苗:动物的生长主要受生长激素的调节,而生长激素的分泌受到生长抑制素的抑制。所谓生长抑制素疫苗是以生长抑制素作免疫原,使免疫动物的生长抑制素水平下降,生长激素释放增多,使牛、羊等家畜获得显著的增重效果。
2.2 基因工程活载体疫苗
活载体疫苗(Live recombinant vaccine)可以是非致病性微生物通过基因工程的方法使之表达某种特定病原物的抗原决定簇基因,产生免疫原性,也可以是致病性微生物通过基因工程的方法修饰或去掉毒性基因,但仍保持免疫原性。在这种疫苗中,抗原决定簇的构象与致病性病原体抗原的构象相同或者非常相似,活载体疫苗克服了常规疫苗的缺点,兼有死疫苗和活疫苗的优点,在免疫效力上很有优势,主要有基因突变疫苗和复制性活载体疫苗。
基因突变疫苗:这类疫苗是人为地将病原体的某个或某些基因(复制非必需,或与毒力相关)全部或部分删除,使其毒力下降,不再引起临床疾病,但仍能感染宿主并诱发保护性免疫力。这种基因缺失的病毒作为疫苗的突出优点是不易返祖而重新获得毒力。缺失的基因可作为一种遗传标志用于建立鉴别诊断方法。虽然,到目前为止这类疫苗中成功的例子还不多,但的确是研制疫苗的一个重要方向。
复制性活载体疫苗:这类疫苗以非致病性病毒(株)或细菌为载体来表达其他致病性病原体的抗原基因,在被接种的动物体内,特定免疫原基因可随重组载体复制而适量表达,从而刺激机体产生相应的免疫抗体,根据载体不同分为:病毒活载体疫苗和细菌活载体疫苗。
病毒活载体疫苗利用低致病力的病毒作为载体,将其它病原的主要保护性抗原基因插入到载体基因组的非必需区形成新的重组体,在同源或兼容性好的启动子驱动下随载体的复制表达插入的外源基因。此疫苗具有常规疫苗的所有优点,而且便于构建多价疫苗,建立鉴别诊断方法。常作为载体的病毒有痘苗病毒、禽痘病毒、火鸡疱疹病毒、腺病毒、伪狂犬病毒、反转录病毒等。
细菌活载体疫苗是指将病原体的保护性抗原或表位插入细菌基因组或质粒使其表达。目前主要有沙门氏菌活载体疫苗、大肠杆菌活载体疫苗、卡介苗活载体疫苗以及以单核细胞增多性李斯特菌和小肠结肠耶尔森氏菌为载体的细菌活载体疫苗。研制活载体疫苗,必须注意人用疫苗和畜禽用疫苗的区别,人用疫苗的焦点是安全性,畜禽用疫苗除安全性外还要考虑成本效益。选择理想的载体是活载体疫苗研制及应用成功的关键,目前常用的除痘病毒外,疱疹病毒和腺病毒也被选作载体。
2.3 核酸疫苗
核酸疫苗(Nucleic vaccine)又名基因疫苗(Gene vaccine)或DNA疫苗(DNA vaccine),是一种或多种抗原编码基因克隆到真核表达载体上,将构建的重组质粒直接注入到体内而激活机体免疫系统,因此也有人称之为DNA免疫。它所合成的抗原蛋白类似于亚单位疫苗,区别只在于核酸疫苗的抗原蛋白是在免疫对象体内产生,并能引起体液和细胞免疫反应。
核酸疫苗是近几年来新兴的一种疫苗,它以其独特的优点吸引着人们:(1)抗原合成和递呈过程与病原的自然感染相似,通过MHCⅠ类和Ⅱ类分子直接递呈免疫系统。特别是特异性CD8＋淋巴细胞(CTL)的免疫反应,这是灭活疫苗和亚单位疫苗不能比拟的;(2)免疫原的单一性,只有编码所需抗原基因导入细胞得到表达,载体本身没有抗原性。(3)易于构建和制备,稳定性好,成本低廉,适于规模化生产。
但其潜在的危险性是:(1)被注射的、可由宿主吸收的DNA有可能被整合到宿主的染色体中,引起插入突变。(2)外源抗原的长期表达可能导致不利的免疫病理反应;(3)使用编码细胞因子或协同刺激分子的基因可能具有额外的危害;(4)有可能形成针对注射DNA的抗体和出现不利的自身免疫紊乱;(5)所表达的抗原可能产生意外的生物活性。解决这些安全问题是研究核酸疫苗的焦点。
2.4 合成肽疫苗
合成肽疫苗(Synthetical peptide vaccine)也称表位疫苗(Epitope vaccine),是用化学合成法人工合成类似于抗原决定簇的小肽(约20-40个氨基酸)。合成肽疫苗分子是由多个B细胞抗原表位和T细胞抗原表位共同组成的,大多需与一个载体骨架分子相耦联。合成肽疫苗的研究最早始于口蹄疫病毒(FMDV)合成肽疫苗,主要集中在FMDV的单独B细胞抗原表位或与T细胞抗原表位结合而制备的合成肽疫苗研究。
分析合成肽疫苗免疫效果不佳的原因主要有:(1)疫苗缺乏足够的免疫原性,很难如蛋白质抗原那样诱导集体的多种免疫反应;(2)B细胞和T细胞抗原表位很难发挥协同作用;(3)缺乏足够多的B细胞抗原表位的刺激。针对提高合成肽疫苗的免疫原性,进行了许多研究,如独特型肽疫苗、热休克蛋白—肽复合体疫苗等。一般来说单独的抗原决定簇的免疫原性较弱,所以通常要与载体偶联,或以融合蛋白的形式进行免疫,还可以与细胞因子一起作用,以提高免疫原性。
2.5 转基因植物可食疫苗
转基因植物可食疫苗(Transgenic plants edible vaccines)利用分子生物学技术,将病原微生物的抗原编码基因导入植物,并在植物中表达出活性蛋白,人或动物食用含有该种抗原的转基因植物,激发肠道免疫系统,从而产生对病毒、寄生虫等病原菌的免疫能力。
与常规疫苗相比较,转基因植物疫苗具有独特的优势:(1)可食用性,使用方便;(2)生产成本低廉,易大规模生产;(3)使用安全,没有其他病原污染;(4)转基因植物能对蛋白质进行准确的翻译后加工修饰,使三维空间结构更趋于自然状态,表达的抗原与动物病毒抗原有相似的免疫原性和生物活性;(5)投递于胃肠道粘膜表面,进入粘膜淋巴组织,能产生较好的免疫效果。
目前,国外已有将乙型肝炎病毒表面抗原(Hb-sAg)、变异链球菌表面蛋白(SPaA)、大肠杆菌热敏肠毒素B亚单位(LT-B)、霍乱毒素B亚单位(CTB)、狂犬病病毒糖蛋白、传染性胃肠炎病毒(TGEV)、口蹄疫病毒(FMDV)、兔出血病病毒(RHDV)在植物中表达的报道,国内在转基因植物可食疫苗方面的研究的报道甚少。
3 展望
总之,理想的疫苗必须安全、有效,同时还应具备价廉、易于推广等优点,基因工程疫苗技术是一项新兴的具有应用前景的生物技术,具有许多传统疫苗无法比拟的优点。研制疫苗的首要原则就是要获得巨大的经济效益和社会效益,多联或多价疫苗能降低生产成本、简化免疫程序,并且多联苗还可克服不同病毒弱毒苗间产生的干扰现象,因此将是基因工程疫苗的主要发展方向。
参考文献
[1]祁贤,汤奋扬,李亮等.新甲型H1N1(2009)流感病毒的早期分子特征[J].微生物学报,2010.
[2]陈尔曼,周道,杜淑军.口蹄疫疫苗研究进展[J].畜牧兽医科技信息,2010.