The Innovation | 电荷调控：增强疫苗免疫效力的新方法

导 读

重组蛋白疫苗是目前应用最广泛的疫苗类型之一，通常与佐剂联合使用，共同发挥免疫效应。铝佐剂是迄今为止使用最广泛的临床用疫苗佐剂，在已上市疫苗中显示了良好的安全性和有效性。然而，某些抗原在使用铝佐剂时效果不够理想。因此，如何增强抗原蛋白与铝佐剂的协同作用，成为铝佐剂重组蛋白疫苗效力提升的关键技术难题。

图1 图文摘要

目前已上市的重组蛋白疫苗大多数以铝佐剂为主要辅助成分。抗原蛋白与铝佐剂的吸附可诱导安全有效的特异性免疫应答，但某些抗原在使用铝佐剂时效果不够理想。目前可通过改变铝佐剂的粒径、佐剂-抗原配比、缓冲液成分等方法来调节抗原蛋白与铝佐剂的吸附，从而在一定程度上提高含铝佐剂疫苗效力。然而，这些方法并未充分考虑不同抗原蛋白的理化特征，因此难以实现对抗原与铝佐剂之间相互作用的精确调控。

本研究首次提出了一种创新策略，通过改变抗原表面电荷以增强重组蛋白疫苗的免疫效力。人工设计引入带电氨基酸基团（如天冬氨酸Asp），精确调控抗原蛋白表面电荷，从而改变铝佐剂与抗原蛋白间的吸附强度和方向，促使抗原蛋白强烈吸附于铝佐剂表面，并将其中和表位定向展示于抗原-佐剂复合物外侧。通过这种方式，最终能够显著提升疫苗的免疫效力（图1）。

图2 新冠病毒RBD抗原电荷调控设计与免疫评价

本研究首先以新冠病毒RBD为模式抗原展开设计与免疫评价（图2）。研究结果显示，相比野生型RBD抗原（等电点pI：8.96），电荷突变体RBD-9Asp抗原（等电点pI：6.40）联合带正电的氢氧化铝佐剂在小鼠模型上能够更快速（单针免疫后7天产生显著免疫应答）、更高效（抗体水平提升100倍以上）、更持久（高水平抗体持续至240天）地激发特异性免疫应答。同时，在抗原蛋白浓度降至0.2 μg/只小鼠（通常剂量的1/25）或铝佐剂浓度降至2 μg/只小鼠（通常剂量的1/25）的情况下，RBD-9Asp抗原仍能够保持良好的免疫效力，这有助于提高疫苗的安全性和可及性。即使在老年小鼠体内，RBD-9Asp抗原也可激发较高水平免疫应答，显著优于野生型RBD抗原。细胞免疫评价结果同样显示，RBD-9Asp抗原能够激发更高水平的Th1型和Th2型细胞因子应答。此外，RBD-9Asp抗原还能够诱导产生针对多种新冠病毒变异株的高水平广谱中和抗体应答，这有助于更好地应对新冠变异株的传播。

图3 电荷调控增强了抗原蛋白与铝佐剂吸附以及表位定向展示

为了深入理解电荷调控增强疫苗免疫效力的机制，本研究开展了抗原与铝佐剂的体内外吸附释放实验（图3）。结果显示，RBD-9Asp抗原在体外能够与铝佐剂更高效地结合，且体内释放得到显著延缓，从而增强了抗原蛋白的生物利用度。此外，由于在RBD底部引入的负电氨基酸与铝佐剂的静电作用，使得抗原能够在铝佐剂表面进行定向吸附，这使得RBD顶部的核心中和表位区域得以外露，从而更有效地触发免疫反应。

图4 电荷调控策略应用于多种病原体的抗原优化设计

同时，为了考察电荷调控策略的普适性，本研究也对其它几种关键病原体的抗原进行了电荷调控优化设计，诸如SARS-RBD、MERS-RBD、Mpox-M1等病毒抗原，以及MenB-fHbp、Tularemia-Tul4等细菌抗原（图4）。与新冠病毒RBD抗原的结果一致，联合铝佐剂后，电荷突变体抗原相比于野生型抗原激发了更强的免疫效力。这一发现初步证实了电荷调控是一种可广泛应用于重组蛋白疫苗抗原设计的有效新策略。

总结与展望

本研究首次提出一种对重组蛋白抗原表面电荷进行精确调控以增强疫苗免疫效力的创新策略。这种策略不仅提高了抗原与铝佐剂的吸附强度，而且能够更有效地展示抗原的中和表位。一方面，这种方法可以显著增强疫苗的免疫效力；另一方面，它可减少抗原与铝佐剂的使用剂量，提高疫苗的安全性与可及性。该策略有望为铝佐剂重组蛋白疫苗的设计提供新的途径，具有潜在的推广应用价值。

责任编辑

盛剑鹏    浙江大学

尹成亮    中国人民解放军总医院

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00079-6

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第四期以Report发表的“Precise modification of the surface charge of antigen enhances vaccine immunogenicity” (投稿: 2023-02-09；接收: 2023-05-23；在线刊出: 2023-05-29)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100451

引用格式：Zai X., Zhang Z., Zhou C., et al. (2023). Precise modification of the surface charge of antigen enhances vaccine immunogenicity. The Innovation. 4(4),100451.

作者简介

军事科学院军事医学研究院宰晓东副研究员、硕士研究生张芷绫、博士研究生周楚格为该论文的共同第一作者，陈薇研究员、徐俊杰研究员为共同通讯作者。 

陈 薇，军事科学院军事医学研究院研究员，博士生导师，中国工程院院士，长期从事生物安全特需疫苗和创新药物研究。主持完成多个重要传染病疫苗及药物研发，获生物Ⅰ类新药证书和临床批件18项，中国、美国、欧洲等发明专利授权70余项，在Science、Lancet、Nat Nanotechnology等发表SCI论文100余篇，培养博士、硕士研究生100余名。获军事技术发明特等奖、军队科技进步一等奖、中国专利金奖等。

徐俊杰，军事科学院军事医学研究院研究员，博士生导师，长期从事基因工程疫苗及生物技术药物研究。主持及参与完成多个重要传染病疫苗及防治药物研发，获生物Ⅰ类新药证书和注册批件4项，发明专利授权20余项，发表SCI论文50余篇，培养博士、硕士研究生20余人。获国家技术发明二等奖、军事技术发明特等奖、军队科技进步一等奖等。

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