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该研究的主要作者包括Wenjun Wang、Xiaoxiao Zhou、Yingjie Bian、Shan Wang、Qian Chai、Zhenqian Guo、Zhenni Wang、Ping Zhu、Hua Peng、Xiyun Yan、Wenhui Li、Yang-Xin Fu和Mingzhao Zhu。他们分别来自中国科学院生物物理研究所、中国科学院大学生命科学学院、重庆医科大学儿童医院、中国科学院生物大分子国家重点实验室、中国科学院蛋白质与多肽药物重点实验室、北京生命科学研究所以及美国德克萨斯大学西南医学中心病理学系。该研究于2020年发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。
乙型肝炎病毒(HBV)感染是全球范围内的重大健康问题,可能导致急性和慢性肝炎、肝硬化以及肝细胞癌。尽管已有预防性疫苗,但针对慢性乙型肝炎(CHB)的治疗性疫苗仍面临挑战。HBV的PreS1结构域被认为是治疗性疫苗的理想候选抗原,但其免疫原性较差,限制了临床应用。本研究旨在开发一种基于铁蛋白纳米颗粒(ferritin nanoparticles, NPs)的PreS1疫苗,以增强其免疫原性,从而实现有效的病毒清除和部分血清学转换。
疫苗设计与构建
研究团队利用SpyTag/SpyCatcher技术构建了铁蛋白纳米颗粒与PreS1的复合物(ferritin NP–PreS1)。首先,通过大肠杆菌表达SpyTag–ferritin和SpyCatcher–PreS1蛋白,随后通过共价连接形成复合物,并通过尺寸排阻色谱和透射电子显微镜(TEM)验证其自组装特性。
免疫原性评估
在野生型C57BL/6小鼠中接种ferritin NP–PreS1疫苗,评估其诱导的抗PreS1抗体水平。结果显示,ferritin NP–PreS1疫苗在接种后21天诱导的抗体水平是游离PreS1抗原的50倍,且在接种后60天达到峰值,抗体水平是游离PreS1的150倍。此外,加强免疫后,抗体水平进一步提升了600倍。
预防效果测试
在接种疫苗后,小鼠被注射腺相关病毒(AAV)–HBV1.3病毒,以评估疫苗的预防效果。结果显示,ferritin NP–PreS1疫苗显著抑制了血清中的PreS1抗原和HBV DNA水平,表明其能够有效清除感染性HBV颗粒。
治疗效果测试
在慢性HBV感染的小鼠模型中,接种ferritin NP–PreS1疫苗后,血清中的PreS1抗原和HBsAg显著下降,部分小鼠的血清HBV DNA降至检测不到的水平,并伴随抗HBs抗体的产生。此外,肝脏中的HBV核心抗原和共价闭合环状DNA(cccDNA)也显著减少,且未观察到肝脏损伤。
免疫机制研究
通过荧光标记的ferritin NPs追踪其在淋巴结中的分布,发现ferritin NPs主要被淋巴结中的SignR1+抗原呈递细胞(APCs)捕获。SignR1+树突状细胞(DCs)和SignR1+巨噬细胞在抗体反应中发挥了不同作用:SignR1+ DCs主要诱导T滤泡辅助细胞(Tfh)的生成,而SignR1+巨噬细胞通过CXCR5依赖性机制激活B细胞。
疫苗的免疫原性显著增强
ferritin NP–PreS1疫苗在接种后诱导了高水平且持久的抗PreS1抗体反应,显著优于游离PreS1抗原。
预防和治疗效果显著
在预防性实验中,ferritin NP–PreS1疫苗有效抑制了HBV感染;在治疗性实验中,疫苗显著降低了慢性HBV感染小鼠的病毒载量,部分小鼠实现了功能性治愈。
免疫机制的新发现
研究揭示了SignR1+ DCs和SignR1+巨噬细胞在抗体反应中的协同作用,特别是巨噬细胞通过CXCR5依赖性机制迁移至滤泡区域并激活B细胞。
该研究开发的ferritin NP–PreS1疫苗在慢性HBV感染的治疗中表现出显著的预防和治疗效果,为功能性治愈慢性乙型肝炎提供了新的策略。此外,研究揭示了铁蛋白纳米颗粒通过靶向SignR1+ APCs增强抗体反应的免疫机制,为纳米疫苗的设计提供了重要理论依据。
创新性的疫苗设计
利用铁蛋白纳米颗粒与PreS1抗原的复合物,显著增强了PreS1的免疫原性。
显著的预防和治疗效果
在动物模型中,疫苗不仅有效预防HBV感染,还能够显著降低慢性感染小鼠的病毒载量,部分小鼠实现了功能性治愈。
免疫机制的新发现
首次揭示了SignR1+巨噬细胞通过CXCR5依赖性机制激活B细胞的新机制,为抗体反应的调控提供了新的视角。
该研究还验证了ferritin NP–PreS1疫苗的生物安全性,未观察到对小鼠铁代谢或肝脏功能的负面影响,为其临床转化提供了支持。此外,研究团队开发的SpyTag/SpyCatcher技术为蛋白质复合物的构建提供了高效且稳定的方法,具有广泛的应用前景。
该研究不仅为慢性乙型肝炎的治疗提供了新的疫苗候选,还揭示了纳米疫苗通过靶向特定APCs增强免疫反应的机制,为未来纳米疫苗的设计和开发提供了重要的理论依据。此外,研究结果对理解淋巴结中免疫细胞的相互作用和抗体反应的调控机制也具有重要的科学意义。