北大发现快速制备疫苗新方法

上传 / 管理员 ·2016-12-11 生物学,医学,微生物学

论文标题 / Generation of influenza A viruses as live but replication-incompetent virus vaccines

作者 / Longlong Si , Huan Xu, Xueying Zhou, Ziwei Zhang, Zhenyu Tian, Yan Wang, Yiming Wu, Bo Zhang, Zhenlan Niu, Chuanling Zhang, Ge Fu, Sulong Xiao, Qing Xia, Lihe Zhang, Demin Zhou

期刊 / Science

发表时间 / 2016-12-02

数字识别码 / DOI: 10.1126/science.aah5869

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近日,《科学》(Science)刊登了北京大学药学院周德敏教授和张礼和院士团队的一项研究。他们研制出了具有完整病毒结构,并能快速制备的活病毒疫苗,该成果或将普遍适用于几乎所有病毒,因此有可能成为病毒疫苗领域的革命性突破。本文通讯作者周德敏教授接受《环球科学》记者的采访,向我们详细讲解了这项研究。

疫苗诞生于19世纪末,法国微生物学家路易·巴斯德将狂犬病病毒经过人工减毒处理,使其不再能够伤害人类,但仍能刺激人类免疫系统产生对病毒的抗体,成功治愈了感染狂犬病的患者。这种减毒活疫苗开启了人类的病毒疫苗研发道路,人类历史上最著名的传染病之一天花,正是因为疫苗的诞生而永久绝迹。但是,现阶段的病毒疫苗多存在明显的缺陷。在我国,目前广泛使用的疫苗主要包括灭活疫苗和减毒活疫苗。前者在灭活过程中,病毒的蛋白质结构会发生改变,因此疫苗的免疫原性有限。此外,病毒拥有极快的突变速率,如果入侵人体的病毒发生突变,体内灭活病毒产生的“旧”抗体就难以中和这些“新”病毒,这种现象被称作“免疫逃逸”。减毒活疫苗的免疫效果更好,却存在着一定的安全隐患。

在美国,运用遗传密码扩增技术制备的活病毒疫苗已经投入使用。此类疫苗的制备原理是,将病毒的一个基因片段切除,使病毒能够正常地感染人体,但却失去复制能力。活病毒疫苗拥有强大的免疫能力,不过,该方案所需的工艺较为复杂。对于每一种病毒,研究人员都需要通过大量研究,从动辄几十万个基因中找出待切除的目标基因,因此成本高且不具有普适性。那么,是否可以采用更加高效的方法制备活病毒疫苗呢?

控制病毒复制开关

大多数病毒都是RNA病毒,即它们的遗传物质是RNA。病毒的信使RNA(mRNA)负责合成蛋白质,其中三个相邻的碱基构成一个密码子,病毒通过密码子的序列合成蛋白质并完成复制。而在这些密码子中,有一类特殊的终止密码子,它们的作用是终止蛋白质的合成。这类特殊的密码子成为了活病毒疫苗研制的突破口。

在这项研究中,周德敏等人对病毒进行了一个“微创手术”。周德敏介绍说,他们在(甲型)流感病毒的信使RNA中引入了一个终止密码子,并保留病毒的完整结构。这样,保留了感染性的病毒进入人体后,可以激活人体细胞的全部免疫反应,但由于终止密码子的存在,病毒无法进行蛋白质翻译,因而失去复制能力。

终止密码子。图片来源:Pearson Education

 研究人员对小鼠、豚鼠和雪貂进行了试验。在注射了活病毒疫苗后,这些病毒并未发生复制。随后,动物体内产生免疫反应,将注射至体内的病毒清除,并获得了免疫能力。

研究团队的动物试验取得了成功,而随之而来的问题是:既然经过改装的病毒无法在体内复制,这种活病毒疫苗又如何大量制备呢?周德敏说,该研究的核心,就是他们自主研发的疫苗“生产工厂”——位于北京大学天然药物及仿生药物国家重点实验室的病毒包装细胞系。“终止密码子相当于给病毒上了一把锁。想要将锁打开,让病毒恢复自我复制能力,需要三把钥匙同时发挥作用:非天然氨基酸、与这类氨基酸匹配的转运RNA (tRNA)以及tRNA合成酶。在人体中,这三把钥匙都不存在。只有在我们自主研制的细胞系里,病毒才会开启复制开关。”周德敏介绍道。通过该设备,在正常细胞内无法复制的病毒疫苗得以高效地批量生产。

病毒会不会通过突变恢复复制能力? 

文首提到,病毒难以防范的一个重要原因是,它们的变异极其迅速。由此引发的一个担忧是,既然这项研究中的活病毒疫苗仅仅改变了几个碱基,那么这些病毒进入人体后,会不会发生突变,从而恢复复制能力?周德敏介绍说,他们通过检查流感病毒的基因组,找出其中不易突变的位点,即保守区,随后在该区域设置终止密码子。一旦保守区的基因发生突变,就会导致病毒的死亡。此外,为了增加保险系数,研究人员会在病毒的多个保守区中设置终止密码子。只有改变所有的终止密码子,才能重启自我复制进程。

一个颇为震撼的数字对比是,1000个正常的流感病毒足以导致一只小鼠死亡,而在该试验中,研究者用一亿个含终止密码子的病毒感染小鼠,小鼠仍能保持健康。

能预防,更能治疗

在动物试验中,此类疫苗的免疫效果和安全性均得到了验证,但对周德敏团队而言,收获还远不止于此。在研究过程中,他们有了一个意料之外的发现:注射入体内的改装病毒不仅是一种预防流感的疫苗,更是治疗流感的药物。

研究人员将活病毒疫苗注射至已经感染了野生流感病毒的小鼠体内,结果显示,之前感染的病毒消失了。周德敏对此解释道:“病毒一直在进行重组。我们的活病毒疫苗进入人体后,如果体内同时存在感染的病毒,它们之间会重组,带终止密码子的病毒基因会进入野生病毒的基因中。只需要一个终止密码子,野生病毒就会失去复制能力。如果流感疫苗里设置的终止密码子越多,它们能中和的病毒数量就越多,也就是说药性越强。”在周德敏看来,如果未来爆发大规模的病毒疫情,运用这种方法,人们可以在短时间内生产出大量针对性药物。

目前,周德敏已经为该技术申请了专利。尽管目前的动物试验十分成功,但周德敏表示,他还不清楚针对该项目的临床试验何时能够得到批准。“因为这是一项全新的研究,政府机构需要对此保持慎重的态度。或许将来的临床试验会出现新的问题,现在还难以判断。”

【论文摘要】 The conversion of life-threatening viruses into live but avirulent vaccines represents a revolution in vaccinology. In a proof-of-principle study, we expanded the genetic code of the genome of influenza A virus via a transgenic cell line containing orthogonal translation machinery. This generated premature termination codon (PTC)–harboring viruses that exerted full infectivity but were replication-incompetent in conventional cells. Genome-wide optimization of the sites for incorporation of multiple PTCs resulted in highly reproductive and genetically stable progeny viruses in transgenic cells. In mouse, ferret, and guinea pig models, vaccination with PTC viruses elicited robust humoral, mucosal, and T cell–mediated immunity against antigenically distinct influenza viruses and even neutralized existing infecting strains. The methods presented here may become a general approach for generating live virus vaccines that can be adapted to almost any virus.

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疫苗进入人体之后应该不会突变,毕竟都没有复制能力了。。但是如何保证病毒在量产过程中不会突变回原品种,这是个问题。

2016-12-21 15:32:44

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周德敏教授以前在UAA技术创始人Peter Schultz组做的博后,个人感觉这是UAA技术最炫酷最贴近实用的一次探索!

2016-12-21 15:31:19

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