颠覆传统！反向疫苗学如何让家禽疫苗研发快人一步？

生物制品圈 · 公众号 · 生物 · 2025-03-17 10:48

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摘要：本文系统介绍了反向疫苗学在家禽疫苗研发中的应用进展。反向疫苗学作为一种基于基因组序列的快速筛选策略，通过生物信息学工具预测候选抗原并结合实验验证，已成功应用于多杀性巴氏杆菌、空肠弯曲菌、沙门氏菌等多种家禽病原体的疫苗开发。研究涵盖单菌株分析、泛基因组策略及减法反向疫苗学等方法，不仅鉴定出如 PlpE、PstS 等具有保护潜力的抗原，还探索了多表位疫苗设计。同时，文章讨论了抗原预测中的关键考量因素，包括菌株选择、亚细胞定位、跨膜结构域及免疫原性评估等技术难点。未来，结合人工智能、多组学数据及标准化实验流程，反向疫苗学有望加速家禽疫苗的精准开发，为提升动物健康和公共卫生安全提供新路径。

疫苗发展历程与反向疫苗学的兴起

在疫苗发展的历史长河中，从 18 世纪末詹纳发现的疫苗原理，到 19 世纪 巴斯德 研发出第一种灭活全细胞疫苗，疫苗技术不断进步。灭活全细胞疫苗通过分离、灭活致病微生物来刺激免疫系统，但因其诱导的免疫反应较弱，逐渐被减毒活全细胞疫苗取代。不过，活全细胞疫苗存在安全性问题，比如减毒活口服脊髓灰质炎疫苗在罕见情况下会恢复毒力。随着基因工程的发展，亚单位疫苗应运而生，像重组乙肝疫苗，它能大规模标准化生产，还可修饰抗原增强免疫原性。但亚单位疫苗需要深入了解病原体的发病机制和免疫原性，且并非对所有病原体都适用，所以需要新的方法来寻找潜在的疫苗抗原。

21 世纪以来，生物信息学和全基因组测序技术飞速发展，反向疫苗学应运而生。它是一种基于病原体基因组序列筛选潜在疫苗抗原的策略，与传统方法不同，它至少在初始阶段无需培养病原微生物。这种方法先通过计算机分析预测候选抗原，再经实验评估其免疫原性和保护潜力，大大加快了疫苗研发进程，已在人类医学领域广泛应用。

反向疫苗学的原理及在人类医学中的应用

反向疫苗学的首要步骤是借助多种生物信息学工具进行计算机分析，预测疫苗候选抗原。一般来说，有效的候选抗原应具备多个特征（见图 1）：位于病原体细胞外或细胞表面，便于免疫系统识别；若是细菌抗原，最好是黏附素；跨膜区域较少（通常最多 2 个），或具有可溶性，利于生产和纯化；能轻易引发免疫反应，具备 B 细胞和主要组织相容性复合体（MHC） I、II 类抗原表位；同时，要分析候选抗原与宿主蛋白的同源性，避免产生副作用和自身免疫反应，还不能与其他致病抗原发生交叉反应。筛选出合适的候选抗原后，会进行生产、纯化，并通过实验评估其免疫原性和保护潜力，最终作为亚单位疫苗进行接种。

反向疫苗学的原理首次在开发针对 B 群脑膜炎奈瑟菌的人类疫苗时得到应用。当时，传统疫苗研发方法因 B 群脑膜炎奈瑟菌荚膜多糖免疫原性低和自身免疫潜力大而失败，基于外膜囊泡的疫苗也无法诱导对异源菌株的交叉保护。于是，研究人员通过分析细菌基因组，确定了 570 个开放阅读框，最终成功开发出疫苗 Bexsero®。此后，生物信息学工具不断涌现，反向疫苗学被广泛应用于多种感染人类的病原体研究，包括细菌、病毒、寄生虫和真菌等。最初，研究多基于单个病原体菌株的基因组，后来为了寻找更有效的交叉保护性抗原，泛基因组反向疫苗学模型和减法反向疫苗学方法相继出现，还结合了人工智能等技术，使疫苗研发更加高效、精准。

反向疫苗学在家禽疫苗研发中的应用

在家禽养殖中，疫苗接种对于保护家禽健康、预防人畜共患病至关重要。反向疫苗学在家禽疫苗研发中也发挥了重要作用，多种软件和网络平台被用于筛选潜在疫苗抗原（见表 1）。

早期的一些研究以单个病原体基因组为起点寻找潜在疫苗抗原。例如，针对引起禽霍乱的多杀性巴氏杆菌，研究人员在只有非毒力菌株 Pm70 基因组序列的情况下，通过反向疫苗学分析，鉴定出 129 种分泌蛋白和脂蛋白，最终发现脂蛋白 E（PlpE）能保护鸡抵抗毒力菌株引起的禽霍乱。在对空肠弯曲菌的研究中，选取了一株对人类致病力强的菌株，从其基因组编码的 1758 种潜在蛋白中筛选出 14 种作为潜在疫苗抗原，其中 4 种蛋白能诱导鸡产生特异性体液免疫反应，并降低空肠弯曲菌在鸡盲肠中的载量，但保护效果在后续研究中未得到证实。针对鸡白痢，研究人员基于沙门氏菌 Pullorum 菌株 R51 的基因组，筛选出 22 种潜在疫苗候选蛋白，其中 PstS 等蛋白能引发免疫反应，PstS 的保护效果显著，使鸡的存活率达到 75%，远高于对照组的 31.25% 。

为了更全面地寻找潜在疫苗抗原，泛基因组反向疫苗学方法在家禽研究中得到应用（见表 3）。研究人员对引起蛋鸡输卵管炎和腹膜炎的鸭源鸡杆菌，选取 10 个不同菌株的基因组进行分析，最终确定了 5 个疫苗候选蛋白，其中 3 个蛋白（GtxA-N、FlfA 和 Gab_1309）在体内试验中表现出保护潜力。在对空肠弯曲菌的研究中，分析 4 个不同家禽来源菌株的基因组，筛选出 3 个保守的潜在疫苗候选蛋白，不过这些蛋白尚未进行体内试验。针对禽致病性大肠杆菌和鸭疫里默氏杆菌等病原体的研究，也通过泛基因组方法确定了多个潜在疫苗抗原，但部分抗原的体内保护效果还有待研究。此外，研究人员还运用泛基因组方法设计了针对禽轮状病毒和传染性法氏囊病病毒的多表位肽疫苗候选物，不过目前仅在计算机模拟中预测了其效果。

减法反向疫苗学方法在家禽研究中也有应用（见表 4）。在对产气荚膜梭菌的研究中，比较了 16 个菌株的基因组，筛选出 6 个潜在候选蛋白，经体内研究发现，用其中 5 个蛋白免疫鸡后，鸡产生的抗体能特异性识别致病菌株中的重组蛋白和天然蛋白。

反向疫苗学预测抗原时的关键考量因素

在家禽反向疫苗学研究中，选择合适的病原体菌株对确定有效的疫苗候选抗原至关重要，后续的筛选步骤会根据不同标准逐步排除效果不佳的抗原，通常最终确定的疫苗候选抗原不超过 10 个，特殊情况下可能达到 30 - 50 个。研究中使用的选择工具会随着技术发展不断更新，研究人员也会采用不同的反向疫苗学方法和蛋白筛选标准，不过除了病原体菌株的选择外，其他步骤和工具使用顺序的差异对最终抗原预测的影响较小。

预测抗原的亚细胞定位是关键步骤，PSORTb 常被用于此（见表 2）。一般来说，细胞表面定位的抗原才能被宿主免疫系统识别，但大多数蛋白是细胞质蛋白，无法被选择。不过，一些被称为 “兼职蛋白” 的细菌胞质蛋白会被分泌到细菌细胞表面，未来的蛋白定位预测工具应考虑到这一点。蛋白的跨膜区域通常被视为筛选标准之一，一般含有两个或更多跨膜区域的蛋白会被排除，以便于实验室生产、分离和纯化，但也有研究表明，去除跨膜结构域的 C 末端区域可提高重组蛋白表达水平。VaxiJen 服务器常用于预测家禽研究中的保护性抗原（见表 2 - 4），许多研究进行了 B 细胞表位预测，但未来应加强 T 细胞表位预测，因为家禽的细胞免疫越来越受到重视。

在计算机分析之后，必须通过实验研究评估预测蛋白的实际免疫原性和保护效果。通常将预测的疫苗抗原表达为重组蛋白进行评估，但重组蛋白可能存在难以获得、不溶性、产量低或含有杂质等问题。体外测试如 Western blot 和 ELISA 可用于评估蛋白的免疫反应性，但结果不一定能反映天然蛋白的免疫原性，因为重组蛋白和天然蛋白的折叠方式可能不同，而且预测算法难以识别构象表位。要准确评估疫苗候选物的免疫和保护潜力，最好在体内进行测试，尤其是在目标物种中，但高抗体水平并不一定意味着能抵抗病原体感染。反向疫苗学目前仍存在一些局限性，如难以识别构象表位和某些家畜物种（包括家禽）的 T 细胞表位，但随着免疫学知识的积累和生物信息学工具的发展，其预测结果会越来越可靠。此外，结合人工智能、机器学习等技术，以及整合病原体感染、宿主反应和环境等多方面知识，有助于开发出更有效的疫苗。

颠覆传统！反向疫苗学如何让家禽疫苗研发快人一步？

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反向疫苗学的原理及在人类医学中的应用

反向疫苗学在家禽疫苗研发中的应用

反向疫苗学预测抗原时的关键考量因素

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