布鲁氏菌病(Brucellosis),简称布病,是一种广泛存在于动物与人之间的人畜共患病,对全球公共卫生构成了重大威胁
[1]。基于流行病学特征,宿主特异性以及基因组差异,布鲁氏菌被分为6个经典种,包括羊种布鲁氏菌(
B.melitensis)、牛种布鲁氏菌(
B.abortus)、猪种布鲁氏菌(
B.suis)、绵羊布鲁氏菌(
B.ovis)、沙林鼠布鲁氏菌(
B.neotome)和犬种布鲁氏菌(
B.canis)。羊种布鲁氏菌致病性最强,其次是猪种布鲁氏菌。犬类对不同种布鲁氏菌均表现出易感,特别是犬布鲁氏菌对犬类具有高度的感染性。自1967年首次报道人感染犬布鲁氏菌的病例以来,全球多地均有病例报道
[2]。表明犬布鲁氏菌对人类健康的潜在风险不容忽视。
疫苗接种是预防和控制布病的重要手段。目前,动物布鲁氏菌病的疫苗接种主要使用减毒的光滑型布鲁氏菌株,如牛种布鲁氏菌19(
B.abortus stain 19, S19)和羊种布鲁氏菌Rev.1(
B.melitensis Rev.1, Rev.1)以及一些国家如美国、阿根廷、墨西哥等国家使用的非光滑型牛种布鲁氏菌RB51(
B. abortus RB51, RB51)疫苗,这些疫苗已被证实能有效预防特定宿主的布鲁氏菌感染
[3]。然而,迄今为止,成功应用的疫苗均为弱毒疫苗,现有疫苗存在安全性缺陷,例如可能导致怀孕动物流产和对人类具有致病性。此外,布鲁氏菌的传播途径多样、缺乏适用于人类的疫苗、现有疫苗株的安全性问题、气溶胶传播风险以及疾病的非典型症状,都使得布鲁氏菌的防控工作复杂化。鉴于这些因素,布鲁氏菌的分离、培养和鉴定必须在生物安全三级实验室中进行,并且布鲁氏菌被也认为是潜在的生物战剂。
治疗布鲁氏菌感染通常依赖于多西环素和利福平等抗生素,但由于布鲁氏菌能在巨噬细胞内复制,常导致慢性感染,患者需长期服用抗生素,并面临复发的风险
[4]。Th1免疫反应,特别是γ干扰素(IFN-γ)的产生,在免疫保护中扮演着关键作用,对调控布鲁氏菌的天然适应性免疫至关重要
[5]。鉴于现有疫苗的安全性问题,研究学者探索新的疫苗研发策略,如亚单位重组疫苗和载体疫苗
[6],以提升疫苗的安全性和有效性。特别是,针对保护性B/T细胞表位的靶向策略,被认为是一种安全且高效的疫苗开发途径。合成表位或基于肽的疫苗由于不存在突变或毒力返强风险,在疫苗设计和生产过程中提供了快速途径,目前,布鲁氏菌表位疫苗的研究仍处于探索性阶段,主要集中于筛选和鉴定具有免疫保护力的布鲁氏菌免疫抗原和关键抗原表位,并开发创新疫苗设计和构建策略,以提高疫苗的效力和安全性,这对于有效应对布鲁氏菌病对全球公共卫生的挑战至关重要。
本综述系统回顾了布鲁氏菌免疫抗原表位筛选的最新研究进展和多表位疫苗的设计策略,同时对犬布鲁氏菌的表位疫苗研究进行了深入分析。通过识别布病表位疫苗研发中的技术瓶颈并提出相应的解决策略,旨在为布鲁氏菌疫苗的研究提供新视角,并为开发安全、高效的布病疫苗奠定基础。
1 表位疫苗的概念与分类
抗原表位根据其识别受体类型,分为B细胞抗原表位和T细胞抗原表位,B细胞通过B细胞表面受体(B cell receptor, BCR)直接识别抗原肽。T细胞通过T细胞受体(T cell receptor, TCR)识别主要组织相容性复合体I/II类分子(Major histocompatibility complex I/II, MHC-I/II)递呈的短肽,T细胞表位进一步细分为细胞毒性T细胞(CTL)表位和辅助性T细胞(Th)表位,CTL识别MHC-I类分子递呈的内源性T细胞表位,直接杀伤靶细胞。Th细胞识别由MHC-II类分子递呈的外源性抗原表位,它们在激活体液免疫、细胞免疫过程中发挥重要作用。TCR或BCR识别的抗原表位存在差异(
表1)。
表位疫苗可以根据多个维度进行分类:根据抗原来源,它们可以分为天然表位疫苗和合成表位疫苗;根据包含的表位数量,可以分为单一表位疫苗和多表位疫苗;根据免疫机制的不同,可分为T细胞表位疫苗、B细胞表位疫苗和T-B细胞联合表位疫苗;根据抗原的结构特性,可以进一步分为线性表位疫苗和构象表位疫苗;最后,根据应用目的,表位疫苗可分为预防性表位疫苗和治疗性表位疫苗。
抗原表位的多样性及其通过B细胞和T细胞受体的特异性识别,为疫苗设计提供了丰富的分类基础,从而可以根据抗原来源、表位数量、免疫机制、结构特性和应用目的,开发出适应不同需求的预防性或治疗性表位疫苗。
2 布鲁氏菌重要免疫抗原的研究进展
2.1 免疫抗原的筛选与鉴定方法
随着转录组学、蛋白质组学、生物信息学等技术的发展,免疫抗原的筛选与鉴定更加高效和精准。Jiang等
[8]利用转录组分析技术,对比
B.suis1330株与减毒活疫苗S2株感染的巨噬细胞进行了基因表达差异分析,筛选出潜在编码免疫抗原的基因。除此之外,通过比较蛋白质组学和抗体谱分析,He等
[9]还鉴定出了候选疫苗株A18BG的特征抗原。蛋白质微阵列等高通量血清学筛选技术,也被用于筛选山羊血清中感染和未感染布鲁氏菌的差异识别抗原。生物信息学分析在布鲁氏菌潜在免疫抗原筛选中发挥重要作用。通过分析蛋白质序列,寻找与抗原性相关的特征,如亲水性和序列保守性等。这些筛选出的候选抗原,需要经过功能鉴定,以评估它们作为疫苗靶点的潜力
[5-10]。综合运用这些方法对布鲁氏菌免疫原进行筛选鉴定,不仅有助于布鲁氏菌病的发病机制的研究,而且对于疫苗设计和开发具有重要意义。
2.2 重要免疫抗原
选择精确的抗原表位是开发有效表位疫苗的基石。在小鼠模型的研究中,鉴定出多种布鲁氏菌的免疫抗原,这些抗原具备激发免疫保护的潜力
[10-11]。特别是布鲁氏菌的外膜蛋白,作为感染初期最先与宿主接触的抗原,它们是疫苗设计和免疫治疗中的关键候选抗原
[11-12]。例如,Gouran等
[12]证实以重组流产布鲁氏菌Omp25活疫苗能够编有效激活T细胞免疫应答,并促进IFN-γ的产生,表明其引发以Th1型免疫应答为主的反应。Ghasemi等
[13]进一步证实,Omp31和BP26蛋白能够激发小鼠对布鲁氏菌的免疫反应,由这2个蛋白嵌合表达所产生的表位能有效激活B细胞和T细胞的免疫反应。此外,Omp16和Omp19这2种重组脂蛋白也在免疫研究中显示出保护作用,即使不依赖佐剂,通过注射或口服途径免疫,这些蛋白也能显著增强机体对布鲁氏菌感染的抵抗力,同样,当Omp16或Omp19蛋白通过植物源疫苗的形式
[10],以纯化蛋白或转基因烟草植物的形式给小鼠口服时,也能诱导显著的保护性免疫反应
[13-15]。Omp25作为一种肽聚糖膜蛋白,对布鲁氏菌的存活至关重要,并且是其重要的毒力因子;
B. melitensis、
B. abortus和
B. ovis Omp25 的缺失会减弱其致病性。作为重组蛋白,
B. abortus S19的Omp25通过皮内或腹腔途径免疫小鼠,已被证实能有效抵抗B.
abortus 544菌株的感染
[16]。
相比之下,来自
B. abortus的周质蛋白Cu-Zn超氧化物歧化酶的3个肽段在小鼠中的保护效果较差,仅有一个肽段可显著抵抗
B. abortus2308的感染
[17]。此外,胞质蛋白SurA和DnaK作为重组蛋白免疫小鼠时,其保护效果并不明显,与活疫苗对照相比,差异显著。研究表明在疫苗设计中选择具有良好免疫原性的抗原,对抗原表位的筛选至关重要。
3 表位疫苗的设计与优化
3.1 表位的筛选方法
3.1.1 B细胞表位筛选方法
B细胞表位的鉴定是免疫学研究的一个关键领域,它对于疫苗开发和疾病诊断具有重要意义。目前,研究学者采用多种方法来筛选B细胞表位,主要包括重叠多肽法、X衍射技术或核磁共振技术、噬菌体展示肽库技术以及表位预测法
[18-19]。
重叠多肽法是一种基于序列相似性的筛选技术,通过合成一系列短重叠多肽,并利用ELISA等免疫学方法分析它们与特异性抗体的反应性,来预测可能的线性表位
[20]。X衍射技术或核磁共振技术作为表位鉴定的金标准,能够提供精确的抗原-抗体复合物结构,揭示构象表位
[21]。噬菌体展示肽技术通过将外源多肽的编码基因插入噬菌体结构蛋白的编码基因中,实现外源多肽在噬菌体外壳表面的展示,从而快速鉴定线性和构象表位
[22]。表位预测法则利用计算生物学方法,基于序列和结构数据来预测表位。Hopp等
[23]在1981年提出了一种B细胞线性表位的预测方法,Kulkarni-Kale等
[24]在2005年开发了基于结构生物信息学的构象表位预测服务器(CEP)。这些方法各有其优势和局限性,重叠多肽法适合于线性表位的鉴定,而X衍射技术、核磁共振技术和噬菌体展示技术适用于构象表位的识别。噬菌体展示技术成本低和操作速度快。表位预测法可以减少工作量,预测结果需进一步验证。近年来,布鲁氏菌表位疫苗的研究中,研究者更加倾向于选择表位预测的方法筛选B细胞表位
[5],随着技术的发展和数据库的完善,预计未来的表位鉴定方法将更加高效和准确,为疫苗设计和疾病治疗提供更有力的支持。
3.1.2 T细胞表位筛选方法
T细胞表位是激发宿主抗布鲁氏菌T细胞免疫反应的关键。目前,在IEDB数据库已收录了542个布鲁氏菌T细胞表位,其中151个T细胞表位已进行功能验证,尚有大量表位待发掘和验证。随着研究策略和技术的不断进步,更多的T细胞表位被发现。T细胞表位筛选方法与B细胞表位筛选方法类似,主要包括X衍射技术和核磁共振技术、噬菌体展示肽技术、生化及功能验证、质谱分析和表位预测。X衍射技术和核磁共振技术通过高分辨率结构分析T细胞表位的精确结构特征
[25];噬菌体展示技术利用噬菌体展示肽库筛选与MHC分子高亲和的肽段
[26];生化及功能验证包括MHC的重链和轻链体外共复性、肽-MHC亲和力测定、T细胞增殖检测、细胞因子释放测定等。通过体外共复性鉴定多肽是否能够辅助MHC的重链和轻链正确折叠
[27-28];肽-MHC亲和力测定是利用SPR技术等试验方法测定肽段与MHC分子的亲和力
[29];T细胞增殖通过多肽体外刺激T细胞并测量其增殖反应来筛选表位;细胞因子释放则通过测定肽段刺激T细胞释放IFN-γ等细胞因子的量
[10];质谱分析:通过温和酸洗的方法将淋巴细胞悬浮液在低pH缓冲液中孵育以破坏细胞表面MHC I多肽复合物并将MHC I类分子结合肽释放到上清液中,脱酸后进行质谱鉴定
[30]。或者通过免疫共沉淀方法,利用MHC抗体进行免疫沉淀,洗脱多肽,质谱分析鉴定与MHC结合的肽段;生物信息学预测,使用算法如SYFPEITHI、NetMHC和NetCTL等,基于MHC分子结合特性和已知表位数据库进行预测
[10]。
这些方法可以单独使用,也可以结合使用,以提高T细胞表位筛选的准确性和效率。通过这些筛选方法,可以鉴定出具有免疫原性的T细胞表位,为疫苗设计和免疫治疗提供重要信息。
3.2 布鲁氏菌表位疫苗的构建策略
布鲁氏菌表位疫苗的构建策略聚焦于识别和利用能够激发宿主免疫应答的特定B细胞和T细胞表位。这些策略通常基于筛选到的优势B细胞和T细胞表位,进而设计出包含多个表位的疫苗。近年来,布鲁氏菌表位疫苗构建的策略是多表位融合蛋白的设计,即将多个已知具有免疫原性的表位肽融合表达,这些表位通常与结核分枝杆菌的肝素结合血凝素(Heparin-binding adhesin, HBHA)、非天然的泛DR表位(Pan-DR epitope, PADRE)、人防御素3(Human-defensin 3,hBD 3)或破伤风毒素C片段(Tetanustoxin C fragment, TTFRC)等融合表达,HBHA是一种新型的Toll样受体(TLR4)激动剂,可促进树突状细胞成熟;PADRE和TTFRC作为通用辅助T细胞表位,能够诱导Th细胞反应;而人类防御素3(Human-defensin 3,hBD 3)是一种小分子抗菌肽,对先天性和获得性免疫反应都具有免疫调节作用,并且能够增强疫苗的免疫原性
[31-32]。这些片段因此可以作为多表位疫苗的佐剂。此外,融合蛋白通过KK、GPGPG、EAAAK和AAY等连接子进行连接。EAAAK、GPGPG和AAY用于连接B细胞、T细胞和辅助表位。这些连接子有助于减少新表位的形成,EAAAK连接子作为佐剂接头,GPGPG用于增强HTL激发免疫反应,而AAY则用于连接CTL表位
[33]。疫苗构建策略示意图见
图1。已有多种布鲁氏菌表位疫苗采用相同或相似的构建策略,并通过ELISPOT、布鲁氏菌感染等方法进行了验证,证实了重组表位疫苗能够引起较强的体液及细胞免疫应答反应
[34-36]。
3.3 布鲁氏菌多表位疫苗免疫效果评估
布鲁氏菌多表位疫苗的免疫效果评估是一个多维度的过程,它不仅包括了体液免疫和细胞免疫两大关键维度,还融入了针对多表位疫苗特性的评估方式。
具体而言,在小鼠完成最终免疫剂量后的第8周,通过酶联免疫吸附试验(ELISA)测定特异性IgG1和IgG2a抗体水平。其中IgG1与Th2免疫应答相关,促进B细胞的活化和抗体的产生,而IgG2a则与Th1免疫应答相关,有助于CTL活化
[37]。细胞免疫应答的评估则通过细胞因子分析方法,如ELISA或细胞因子芯片技术,测定血清中IFN-γ、IL-1β、IL-2、IL-6、IL-10和TNF-α等关键细胞因子,从而评估细胞免疫应答的强度和类型
[37]。淋巴细胞增殖试验和ELISPOT技术分别用于评估T细胞的增殖反应和特异性细胞免疫应答的诱导
[11]。流式细胞术进一步分析免疫细胞类型,包括CD4
+T和CD8
+T细胞的比例,以及其他免疫细胞亚群,以了解免疫应答的免疫细胞组成。
此外,多表位疫苗的评估还包括分子动力学模拟,用以评估疫苗分子的稳定性和免疫受体的相互作用;计算免疫模拟,预测疫苗激发的免疫反应,包括细胞因子产生和免疫细胞活化水平,以及交叉保护能力的评估,分析所选表位在不同种布鲁氏菌之间的保守性,从而评估疫苗的广泛保护效果。多表位疫苗独特的评估方式为多表位疫苗的开发和优化提供了更加精确和全面的科学依据。
攻菌保护试验是评估疫苗免疫保护效果的关键方法,通过在免疫后的小鼠中注射布鲁氏菌,观察存活率、细菌负荷量、病理变化等指标,评价疫苗的保护效果
[10-11]。除了上述方法外,还可以考虑使用基因芯片或RNA测序技术分析免疫相关基因的表达情况,深入理解疫苗诱导的免疫应答机制。采用免疫组化或组织病理学方法评估免疫后的组织损伤和炎症反应。安全性评估:在评估免疫效果的同时,对疫苗的安全性进行评估,监测局部和全身的不良反应,以及疫苗对小鼠生长和行为的影响。长期免疫效果监测:除了在免疫后的第8周进行初步评估后,进一步在更长时间点(如12周、16周等)监测免疫效果,评价疫苗诱导的免疫记忆和长期保护能力。目前,布鲁氏菌多表位疫苗免疫效果评估主要在小鼠模型上进行,尚未见其他布鲁氏菌宿主的免疫保护验证报道。
4 表位疫苗在犬布鲁氏菌病疫苗研究中的应用前景
犬类不仅是现代家庭的重要成员,还在搜救、导盲、治疗辅助等专业领域扮演着重要角色。随着宠物犬数量的增长,犬类健康问题逐渐成为公共卫生领域关注的焦点。犬布鲁氏菌病作为一种重要的人畜共患病,其防控工作的重要性日益凸显。然而,目前尚无安全可用的商业化犬布鲁氏菌疫苗。现有减毒活疫苗存在诸多局限性,包括毒力返强、怀孕犬只的垂直传播风险,免疫失败可能性以及在血清学检测中造成感染。此外使用减毒活疫苗还可能增加病原体传播给其他动物或人类的风险。
面对这些挑战,表位疫苗的研发为犬布鲁氏菌病的防控提供新思路。表位疫苗是基于病原体特定免疫原性区域设计的,具有高特异性、高安全性和高效性的特点。与传统疫苗相比,表位疫苗不使用完整的病原体,从而无毒力返强和垂直传播的风险。同时,由于其针对性强,表位疫苗在减少非特异性免疫激活方面具有明显优势,有助于提高疫苗的安全性和减少副作用。
表位疫苗的设计需要综合考虑病原体的生物学特性、宿主的免疫应答机制以及疫苗的生产工艺。研究人员首先通过生物信息学分析和试验验证,筛选出布鲁氏菌中具有高度保守性和稳定性的表位,以确保疫苗的广泛适用性和长期有效性。接着,对选定的表位进行合理设计和优化,以提高其免疫原性并激发宿主产生有效的免疫反应。此外,疫苗的递送系统和佐剂的选择也是影响表位疫苗效果的重要因素,需要通过科学的方法进行筛选和配伍,以实现最佳的免疫效果。
因此,表位疫苗在犬布鲁氏菌病疫苗研究中的应用前景广阔,有望为犬类和人类健康提供更为安全有效的预防手段。
5 犬布鲁氏菌病表位疫苗研究面临的技术瓶颈及解决方案
在犬布鲁氏菌病表位疫苗的研究与开发中,面临一系列挑战,这些瓶颈问题需要被逐一克服以实现疫苗的有效性和实用性。首先,免疫原性预测的准确性是关键,尽管生物信息学在表位预测上取得了一定进展,但其准确性和覆盖范围仍有待提高。其次,MHC分子的多态性对疫苗的免疫原性有显著影响,而目前犬类MHC分子数据库的不完善限制了疫苗设计的普适性和有效性。此外,表位疫苗的免疫原性相对较低,通常需要依赖佐剂来增强免疫反应。疫苗的稳定性和递送也是一大挑战,新型疫苗递送系统的研究尚处于初期阶段。长期保护效果的提升和疫苗安全性的评估同样重要,同时,生产成本和经济性也是决定疫苗实际应用可行性的关键因素。
为解决这些问题,本研究团队提出了一系列解决方案。首先,加强MHC分子分析,建立更全面的犬类MHC分子数据库,以指导表位疫苗的精准设计。其次,提高预测技术,结合高通量试验技术如质谱分析,对预测结果进行验证和优化,以提高表位筛选的准确性和覆盖率。开发新型佐剂,以诱导强烈的先天免疫反应,从而提高表位疫苗的免疫效果。研究新型疫苗递送系统,利用纳米技术等提高疫苗的稳定性和免疫效果。建立标准化评估体系,包括体液免疫和细胞免疫的多维度分析,以监测长期免疫保护能力。进行安全性评估,确保疫苗不引发不良反应,并进行长期免疫效果监测。
总之,在犬布鲁氏菌病表位疫苗的研究中,不仅要面对现有的挑战,更要积极寻求创新的解决方案。通过加强基础研究、优化技术手段、提高疫苗设计的精准度,并结合新型佐剂和递送系统的研究,有望克服这些瓶颈,最终实现疫苗的有效性和实用性。
6 展望
犬布鲁氏菌病作为一种严重威胁公共卫生和动物健康的重要人畜共患病,其防控工作的重要性日益凸显。面对传统疫苗的局限性,表位疫苗以其高安全性、强特异性和潜在高效性,成为疫苗研究的新趋势,为犬布鲁氏菌病的防控提供了新思路。然而,要实现表位疫苗在犬布鲁氏菌病上的应用,还需解决多项挑战。表位疫苗研发需免疫学、分子生物学、生物信息学和兽医学等多学科紧密合作。跨学科研究团队可综合前沿技术,推动表位疫苗创新。展望未来,表位疫苗在犬布鲁氏菌病疫苗研究中具有广阔前景。通过科学研究和技术进步,预期开发出安全、有效、经济的犬布鲁氏菌病表位疫苗,为犬类健康和公共卫生安全提供保障。未来的研究将聚焦于提高表位疫苗设计的精准性、增强免疫原性、确保安全性,并推动其在实际防控工作中的应用。这不仅将为犬类健康提供有力保障,也将为公共卫生安全做出重要贡献。
国家自然科学基金项目(32302912)
中国农业科学院科技创新工程项目(CAAS-CSLPDCP-202403)
中国农业科学院基本科研业务费专项(Y2024JC36)