基于百日咳杆菌脂多糖的潜在抗菌疫苗

注：文末有本文科研思路分析

百日咳是由百日咳杆菌引起的一种高传染性呼吸道疾病，主要通过患者咳嗽或喷嚏释放的飞沫传播。这种疾病在青少年和成年人当中通常只会表现出相对轻微的症状。然而，婴幼儿感染之后却会引发剧烈的咳嗽和呼吸暂停，甚至可能导致死亡。百日咳-白喉-破伤风三联疫苗是当下预防百日咳的主要手段，包括婴儿注射用的全细胞疫苗，以及用于儿童加强针注射的非细胞疫苗。尽管疫苗的出现一度大大降低了百日咳杆菌的危害，近年来在许多国家，百日咳的感染案例却逐渐出现了回升趋势。基于细菌外毒素的非细胞疫苗失效，可能是这一趋势的原因之一。

由于婴幼儿使用的灭活全细胞疫苗的副作用会随着接种者年龄增加而增强，实际用于儿童/成人注射的加强针，是由多种百日咳杆菌外毒素（蛋白质）混合而成的非细胞疫苗。有研究发现，一些菌株会通过降低这些外毒素的表达量，从而躲避免疫系统的清除。此外，非细胞疫苗并不能带来终身的免疫效果。当青少年和成年人的免疫反应消退，或是感染了变异菌株之后，就可能成为感染未接种婴幼儿的主要传染源。因此，如何获得长效而且广谱的免疫反应，就成了百日咳新疫苗设计亟待解决的问题。

近日，密歇根州立大学的黄雪飞教授团队和俄亥俄州立大学的Rajendar Deora教授团队合作，基于百日咳杆菌的脂多糖结构设计了一种新型的潜在抗菌疫苗。脂多糖是包括百日咳杆菌在内的革兰氏阴性菌细胞壁的重要组成部分，同时也是细菌表面的特异性抗原。与细菌外毒素不同的是，脂多糖的结构在不同菌株之间有更强的一致性。同时，从百日咳病人的血清中分离的抗脂多糖免疫球蛋白也有很好的杀菌效果。通过多步糖化学合成设计，作者成功地完成了对基于脂多糖末端结构的五糖化合物的首次合成。当把这种五糖抗原连接到噬菌体蛋白载体上，并对实验小鼠进行皮下注射时，就可以有效的激活免疫系统产生特异性抗体。通过酶联免疫吸附试验，作者在受免疫小鼠的血清中检测出了数百万滴度的针对五糖抗原的特异性抗体。此外，血清内的抗体可以在很长的时间内维持高水平。对抗体亚型的进一步分析表明，小鼠通过注射疫苗同时激发了Th1型优先介导的免疫应答，而这种免疫应答对于清除部分藏匿在吞噬细胞内的细菌至关重要。由于从免疫小鼠提取的抗血清对多种常见的百日咳杆菌菌株都有良好的结合效果，这种基于脂多糖的抗菌疫苗有望被用于解决百日咳杆菌突变引起的免疫逃逸的难题。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，文章的第一作者是密歇根州立大学博士研究生王鹏。

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Chemical Synthesis and Immunological Evaluation of a Pentasaccharide Bearing Multiple Rare Sugars as a Potential Anti-pertussis Vaccine

Peng Wang, Chang-xin Huo, Shuyao Lang, Kyle Caution, Setare Tahmasebi Nick, Purnima Dubey, Rajendar Deora, Xuefei Huang

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.201915913

导师介绍

黄雪飞

https://www.x-mol.com/university/faculty/2894

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们的研究兴趣是基于寡糖的噬菌体蛋白运载疫苗。现有的百日咳杆菌疫苗基于细菌表达释放的蛋白质类外毒素，很容易通过突变或低表达造成免疫逃逸。一些研究也发现非细胞疫苗激发的抗体只能中和外毒素，却不能带来有效的杀菌效果。脂多糖是位于细菌细胞壁的重要组成部分，且有研究表明结构更为保守。因此我们猜测，通过激发针对脂多糖的特异性抗体，可以更有效地对细菌进行清除。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：细菌的脂多糖通常含有非常复杂的罕见单糖结构，如何高效的制备这些合成砌块是我们首先要解决的问题。合成中最大的困难在于带有4-甲胺基的非天然岩藻糖在糖苷化反应中的立体选择性。通过计算机辅助的分子模拟，我们发现用于保护甲胺基的基团会影响立体选择性，才设计了现有的非保护合成砌块。此外，由于我们不具备传染菌实验条件和微生物学研究背景，难以开展最后菌株实验。非常幸运的是，我们找到优秀的合作者来通过合作完成了这部分跨学科工作。