广谱流感疫苗设计新策略：抗原表位突变体库促进HA保守区域的抗体生成

生命科学前沿 · 公众号 · · 2024-05-12 07:32

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流感病毒 按其核心蛋白可分为甲、乙、丙、丁四种类型。在人群中呈季节性流行的流感病毒是甲型 Group 1 的 H1N1 亚型和 Group 2 的 H3N2 亚型以及乙型的 Yamagata 系和 Victoria 系流感病毒。流感病毒感染可导致轻度到重度的呼吸系统疾病，每年约造成全球范围内 29-65 万人死亡 [1] 。控制流感的最有效方式是接种流感疫苗。目前广泛使用的流感疫苗诱导产生的免疫反应主要针对位于流感病毒血凝素（ hemagglutinin ， HA ）头部的抗原优势表位。 由于这些表位经常发生抗原飘变，需要每年根据预测的流感毒株进行疫苗的重新设计、生产并接种以帮助机体抵抗病毒。 此外，由于抗原优势位点的突变频率高，流感疫苗对造成大流行的毒株效果十分有限。因此，开发能够抵抗多种毒株的广谱流感疫苗是目前急需的。

HA 呈三聚体形式，是病毒表面分布最多，也是病毒感染、疫苗免疫后诱导机体免疫反应最多的病毒结构蛋白，一直是流感疫苗研发的重要靶点。尽管 HA 存在抗原突变及抗原飘变，其中也不乏在不同毒株间相对保守的表位，包括研究最多的 HA 茎部。许多研究表明，针对 HA 茎部的抗体能够抵抗多种流感病毒的感染 [2-7] 。然而，在病毒感染及疫苗免疫时，机体很少产生针对 HA 茎部的抗体 [8-9] 。另外，与针对 HA 头部的抗体相比，靶向 HA 茎部的抗体控制病毒扩散的作用有限。目前靶向 HA 茎部抗体的疫苗研究主要将去掉头部或者引入糖基化位点以遮蔽头部的 HA 作为抗原，也有研究进行多次 HA 嵌合体免疫以用不同的头部、相同的茎部增强针对茎部的反应 [10-18] 。这些诱导茎部反应的研究方法往往以失去针对 HA 头部的反应作为代价。

2024 年 5 月 1 日，杜克大学医学院 Nicholas S. Heaton 实验室在 Science Translational Medicine 杂志上发表题为 “ Vaccination with antigenically complex hemagglutinin mixtures confers broad protection from influenza disease” 的文章，设计了一种基于 HA 抗原位点的突变体库，跟野生型相比，发现其作为流感疫苗能够促使机体产生更多针对 HA 茎部的抗体反应，同时不影响靶向 HA 头部抗体的生成，从而在亲本病毒及同种亚型不同分支的毒株感染中提供更好的保护作用，甚至能引起更强的针对包括 H2, H5, H6, H9 的甲型 Group 1 内不同亚型 HA 的反应。

研究的主要目标是提高机体产生针对 HA 保守区域抗体的比例。作者猜想通过改变 HA 抗原优势表位和保守表位的比例，使保守表位相对更多地暴露于免疫系统能实现这一目标。在 H1 HA 的头部，有 Sa, Sb, Ca1, Ca2, Cb 这 5 个抗原优势表位，其中 Sb 是人和小鼠最优势的抗原表位。作者选取了 A/Puerto Rico/8/1934 （ PR8 ， H1N1 ）毒株 HA 位于 Sb 表位相互临近的 4 个氨基酸进行饱和突变（ saturation mutagenesis ），得到了一个约有 17 万个突变体的库。为了筛选其中能够正确折叠成三聚体的突变体，作者使用结合三聚体形式茎部的单抗 6f12 对表达突变体库的细胞进行了磁珠分选。分选后的文库含有超过 8 万个突变体。随后，作者将这些突变体在 293f 悬浮细胞系中进行表达并用于后续的动物实验。

图 1. 突变氨基酸的位置及突变体库筛选的流程图。

在小鼠体内， HA 突变体库蛋白（ Sbmut HA ）诱导产生了更多针对 HA 全长和亲本病毒 PR8 的抗体。有意思的是， Sbmut HA 不仅诱导了更多针对 HA 头部和茎部的抗体，而且提高了茎部抗体的相对比例。对这些抗体进行功能分析发现， Sbmut HA 组小鼠血清有更高的针对 HA 头部的血凝抑制（ hemagglutinin inhibition ， HAI ）活性和病毒中和活性，以及更高的针对 HA 保守结构的抗体依赖的细胞介导的细胞毒性作用（ antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity, ADCC ）。最终， Sbmut HA 在亲本病毒 PR8 感染中提供更好的保护力。通过感染接受免疫血清的空白小鼠，作者证实 Sbmut HA 带来的体内保护作用部分源自于其诱导产生的抗体。

由于 Sbmut HA 诱导了更多针对茎部的抗体，作者测试了其免疫后的小鼠血清对一系列不同亚型毒株的反应。结果显示， Sbmut HA 诱导了更多抗体结合所测试 H1N1 流感的 HA ，这些 HA 源自从 1933 年到 2015 年的多株病毒。尽管 Sbmut HA 未显示诱导更多针对来自 Group 2 的 H3N2 毒株 HA 的抗体反应， Sbmut HA 诱导了更多针对 Group 1 其他分支 HA 的抗体反应，包括 H2 ， H5 ， H6 和 H9 。作者后续深入研究了造成 2009 年的大流行毒株 A/California/04/2009 （ H1N1 ），发现 Sbmut HA 诱导了更多 ADCC 反应并在病毒感染过程中提供了更好的保护力。

由于在小鼠体内， Sb 是最优势的抗原位点，但在一些动物，如雪貂， Sa 而非 Sb 为 HA 最优势的表位。为了研究 Sbmut HA 在非 Sb 优势的动物体内会产生怎样的抗体表型，作者测试了其在雪貂体内的效果。结果显示，尽管 Sbmut HA 诱导了与野生型 HA 类似的针对 HA 全长和 HA 头部的抗体，但仍然诱导了更多针对 HA 茎部的抗体，最终，其免疫血清能够更好地结合其他分支 H1N1 病毒的 HA ，并减轻雪貂在 A/California/07/2009 （ H1N1 ）病毒感染后的临床症状。

本研究的动物实验均在无流感免疫远暴露史的动物中进行，未评价其在有流感病毒免疫史 / 感染史的动物体内的效力。此种疫苗构建策略是否能在其他亚型的流感病毒 HA 中引起相似的表型有待测试。此外，本疫苗诱导免疫反应表型的机制需要进一步研究。

文章结论与讨论，启发与展望

综上，作者研发了一种新型抗原表位突变体库疫苗，这种疫苗在保持或者提高对 HA 头部反应的同时，增强对保守 HA 茎部的反应。与野生型相比，这种突变体库疫苗可增强针对多种 Group 1 流感毒株的抗体反应。将这种方法推广到甲型 Group 2 和乙型流感病毒，并将这些疫苗联合免疫，可提高抗病毒谱。此外，这种疫苗设计方法可用于其他疫苗的开发，以提高非抗原优势表位免疫反应。

广谱流感疫苗设计新策略：抗原表位突变体库促进HA保守区域的抗体生成

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