日益复杂的新疫苗旨在以广泛的致病病原体为目标，以更低的成本、更高的效率靶向它们，采用改进的措施确保安全。为了推动这一需求，来自亚利桑那州立大学的科学家们设计出了一种传递高效DNA疫苗的万能平台，利用一种巧妙重组的细菌加速将DNA疫苗传递给疫苗接种者宿主细胞。研究结果在线发表在11月5日的美国《国家科学院院刊》（PNAS）上。
科学家设计出高效传递DNA疫苗的细菌载体
领导这一研究的是亚利桑那州立大学传染性疾病和疫苗开发中心，美国科学院院士Roy Curtiss教授，Roy Curtiss博士是探索遗传学基础上的细菌定殖，入侵和诱导疾病的领头人。曾构建了美国第一个通过在基因工程减毒细菌中递呈保护性抗原的方法构建多效价疫苗以防治由细菌、病毒、真菌和寄生虫病原引起的流行性疾病的平台。文章的第一作者是生物设计研究所助理教授Wei Kong。
“在这篇论文中我们描述的技术可用于开发一种对抗所有病毒、寄生虫、真菌的疫苗，而在开发出如我们实验室这样的重组减毒细菌株之前，这是绝不可能的事情，”Curtiss说。
新研究中描述的实验性疫苗证实可在小鼠中完全抵御流感。Wei Kong强调这一创新技术可应用于快速制造有效的疫苗对抗几乎所有感染性入侵者，显著地降低成本，且不会对于疫苗接种者或更广泛的公众造成风险。
“采用一种重组减毒细菌传递DNA疫苗，我们每升培养物能够得到10,000-100,000剂量，”Wei Kong说，相比注射前需费力从细菌中分离出的裸质粒DNA提高了3-4个数量级。
设计一种既安全又有效的疫苗向研究人员提出了“二十二条军规”（Catch-22）。模拟自然感染，致病菌株通常会生成强烈的免疫反应，但要确保这样的菌株不会引起疾病或逃逸至环境中有可能仍然存活下来，存在着许多的挑战。灭活致病菌株或由病原体亚单位生成的疫苗为了增强安全性，舍弃了一些免疫原效应，有可能需要随后加强剂量来确保持续的效应。
Curtiss研究小组一直致力于以传统方法的小部分费用为代价生成兼具安全性和有效性的口服疫苗。为此，他们采用开创了新技术，采用沙门氏菌（Salmonella）作为“货船”将一组疾病抗原传递给受者。结果是开发和不断完善了一类称作RASVs的疫苗，它能够激起一种强烈的、全身的免疫反应，并赋予有效的免疫。
一种专门的沙门氏菌株是由Wei Kong和Curtiss研究组其他成员较早开发的关键创新之一。一旦完成它的免疫职责，这种沙门氏菌株就会在机体内定时自毁。为了构建这种菌株，研究人员对细菌进行了改良，使得它只能依靠一种非天然存在的糖形式存活。一旦沙门氏菌细胞耗尽作为疫苗的一部分提供给它们储存的专用糖，它们就无法维持细胞壁的完整性，基本上完全崩溃。“这一关键的安全特征确保了如果排泄到环境中，沙门氏菌无法继续作为活生物体生存下去，”Wei Kong说。
这种自我毁灭特征可以进行微调，从而使得细菌能够完全移植到宿主细胞，触发体液和细胞介导免疫系统武器的强有力反应。在宿主组织内，重组沙门氏菌能够合成保护性抗原，当它们变得不稳定并裂解为细胞溶质时释放它们的内容物。
研究小组在采用流感和分枝杆菌等各种病原体的疫苗试验中证实了这种延迟裂解细菌的效力，Curtiss实验室开发的一种对抗婴幼儿肺炎的RASV疫苗目前进入到FDA I期临床试验阶段。这一较早的工作侧重于在细菌中生成保护性蛋白质抗原，当细菌细胞在宿主细胞和组织中裂解时随后能够释放出一小团这样的抗原。
在最新的研究中，研究小组设法将一种延迟裂解的沙门氏菌株转变为了一种万能DNA疫苗传递载体。DNA疫苗是通过直接导入遗传物质，促使宿主细胞生成特异性基因产物，从而促进对于蛋白质抗原的细胞和体液免疫反应。其关键性的进展在于它允许生成了通过一种称作糖基化过程经历宿主细胞修饰的抗原。这种存在于广泛的致病病毒、真菌和寄生虫中的修饰抗体需要由宿主细胞合成，而非减毒细菌。
作者们指出他们的口服RASV明显优于早前努力采用肌肉注射或基因枪导入的DNA疫苗。这些方法无法将疫苗传递到粘膜组织和某些内部淋巴组织，这对于持续的保护性免疫是至关重要的。Curtiss说：“在新研究中，我们能够保护小鼠对抗致死剂量的流感。且在小鼠中RASV的安全性也得到确立。”
Curtiss说：“包括流感、麻疹、腮腺炎和HIV等绝大多数的病毒都具有糖基化蛋白。利用细菌来生成这些蛋白质抗原你永远无法提供保护性免疫。”Kong说：“现在我们有机会生成对抗这些病原体的疫苗。此外，这一技术允许以低成本大量快速生产DNA疫苗，冻干保存以供必要时使用。”
Turning self-destructing Salmonella into a universal DNA vaccine delivery platform
Wei Kong, Matthew Brovolda, Brian A. Koeneman, Josephine Clark-Curtiss, and Roy Curtiss
We previously developed a biological containment system using recombinant Salmonella Typhimurium strains that are attenuated yet capable of synthesizing protective antigens. The regulated delayed attenuation and programmed self-destructing features designed into these S. Typhimurium strains enable them to efficiently colonize host tissues and allow release of the bacterial cell contents after lysis. To turn such a recombinant attenuated Salmonella vaccine (RASV) strain into a universal DNA vaccine-delivery vehicle, our approach was to genetically modify RASV strains to display a hyperinvasive phenotype to maximize Salmonella host entry and host cell internalization, to enable Salmonella endosomal escape to release a DNA vaccine into the cytosol, and to decrease Salmonella-induced pyroptosis/apoptosis that allows the DNA vaccine time to traffic to the nucleus for efficient synthesis of encoded protective antigens. A DNA vaccine vector that encodes a domain that contributes to the arabinose-regulated lysis phenotype but has a eukaryotic promoter was constructed. The vector was then improved by insertion of multiple DNA nuclear-targeting sequences for efficient nuclear trafficking and gene expression, and by increasing nuclease resistance to protect the plasmid from host degradation. A DNA vaccine encoding influenza WSN virus HA antigen delivered by the RASV strain with the best genetic attributes induced complete protection to mice against a lethal influenza virus challenge. Adoption of these technological improvements will revolutionize means for effective delivery of DNA vaccines to stimulate mucosal, systemic, and cellular protective immunities, and lead to a paradigm shift in cost-effective control and prevention of a diversity of diseases.
文献链接：Turning self-destructing Salmonella into a universal DNA vaccine delivery platform
