多糖+载体蛋白=多糖结合疫苗

▉ 前言

B型嗜血杆菌（Hib）、脑膜炎球菌和肺炎链球菌都含有荚膜（capsule），科学家利用荚膜多糖制成疫苗，在人类抵御细菌感染战斗史上具有里程碑意义（1970s）。

然而，仅靠多糖抗原不足以提供可靠的保护，以肺炎链球菌多糖疫苗为例，该疫苗仅可为成年人提供部分保护，对婴幼儿基本没有效果。原因是多糖仅可诱导B细胞免疫，产生的抗体活性弱，且无法形成免疫记忆。由于2岁以下婴幼儿免疫系统发育尚不健全，因此无法产生有效免疫应答，然而该部分人群却是肺炎链球菌的主要易感人群，这给免疫学家提出了迫在眉睫的难题。

图源：《Cellular and molecular mechanisms of human endothelial cell plasma membrane remodeling by Neisseria meningitidis》

1929年John Robbins和David Smith等人提出细菌荚膜多糖（CPSs）结合载体蛋白可以增强免疫原性。基于这一理论，多糖结合疫苗概念产生（1980s）。经过实验验证，多糖结合疫苗可有效诱导婴幼儿免疫，这一伟大创举影响之深远，以至于今天还在被广泛使用（Hib多糖结合疫苗1990年在美国上市，脑膜炎球菌多糖结合疫苗1999年在英国上市，肺炎链球菌多糖结合疫苗2000年在美国上市）。

图源：https://app.figure1.com/rd/images/55c4f171335ada1b1700ffee

此外，科学家还通过代谢工程学将基因改造的大肠杆菌用于“生物偶联物（Bioconjugates），即荚膜多糖-载体蛋白复合体”的制造，这可大大降低结合疫苗的生产时间和成本，更有利于低收入国家对该类疫苗的应用。

图源：《Vaccines for low-income countries》

▉ 结合疫苗、多糖疫苗免疫应答过程

感叹科学的伟大之后，我们利用已有的免疫学知识来梳理一下多糖疫苗和结合疫苗诱导免疫反应成败的原因。

疫苗免疫后，抗原成分被机体树突状细胞（DCs）摄取并转运至淋巴结。在淋巴结生发中心（GCs）明区（light zone），滤泡树突状细胞（FDCs）将抗原提呈给多糖特异性B细胞，BCR与抗原结合后，抗原内化。对于多糖-蛋白质共价结合的结合疫苗，进入内体的蛋白质在其中分解为多肽，进而被B细胞MHC II分子表达于细胞表面，被滤泡辅助T细胞（Tfh）识别。B细胞与Tfh结合，细胞因子释放，促进B细胞抗体类型转换（如由IgM转变为IgG）。B细胞实现完全活化，进入淋巴结暗区（dark zone），进行B细胞增殖，一部分分化为浆细胞，一部分分化为记忆细胞。

同时，活化后的B细胞，胞嘧啶核苷脱氨酶表达，诱发B细胞Ig基因点突变（即常说的体细胞高频突变），产生各种B细胞克隆，其BCR亲和力大不相同。这些B细胞再次进入明区，接受抗原正筛选。BCR结合抗原能力越强，结合的抗原就越多，就越容易被Tfh识别，B细胞得以存活。反之B细胞发生凋亡。最终结果是形成具有更强亲和力的抗体，对机体实现更佳的保护。

然而对于多糖疫苗，由于其只含有多糖抗原，无法被MHCII提呈于B细胞表面，从而无法被Tfh识别，就此终止于B细胞内化阶段。多糖作为T细胞非依赖抗原（具有大量重复序列），可直接活化B细胞，但由于没有T细胞参与，无法形成高亲和力抗体，且无法形成记忆B细胞。

在婴幼儿体内，由于针对T细胞非依赖抗原的免疫应答尚未建立，因此多糖疫苗对该群体无免疫效果。但当多糖与载体蛋白以结合疫苗呈现时，免疫反应性质发生转变，从T细胞非依赖抗原免疫转变为T细胞依赖抗原免疫，因此结合疫苗在婴幼儿体内可产生较好的保护效果。

非洲脑膜炎带所应用的A群脑膜炎球菌多糖结合疫苗作用机制

关于多糖结合疫苗发挥作用的机制，也有文章指出部分T细胞可直接识别多糖，这类T细胞被称为糖类特异性CD4+T细胞（Tcarbs）。此种情况下，B细胞MHC II将载体蛋白-多糖结合物提呈给TCR后，TCR可直接识别该复合物多糖部分。

该报道基于血清型III型B族链球菌实验，在此7年后，未见相关报道。但在肺炎球菌结合疫苗中也发现了Tcarbs介导的免疫。在脑膜炎奈瑟菌C群多糖结合疫苗中，多聚唾液酸（唾液酸聚合多糖）无法通过Tcarbs起效，因为其会在内体中解聚且不形成糖肽。因此推测上述两种结合疫苗作用机制可能同时存在。

图源：《Understanding Modern Vaccines:Perspectives in Vaccinology》

那么，为什么多糖与载体蛋白一定要共价结合呢，如果是松散结合，位于同一FDC中，难道就不能诱导Tfh反应吗？

答案是不能。原因为当多糖与载体蛋白松散结合时，在FDC提呈过程中，蛋白质和多糖无法同时被BCR结合，导致蛋白质留存在FDC中，多糖被B细胞内化，同样无法被MHCII提呈于B细胞表面，多糖抗原依旧停留在B细胞内化阶段。

目前多糖结合疫苗主要使用3种载体蛋白：破伤风类毒素（TT）、白喉类毒素（DT）和流感嗜血杆菌外膜蛋白。康希诺生物股份公司2021.09.30获批的A群、C群血清群脑膜炎奈瑟球菌疫苗（流脑结合疫苗）即是以CRM197（白喉毒素无毒突变蛋白，无需进行甲醛脱毒处理）作为载体蛋白，疫苗安全性与有效性均得到提高。

参考文献：《On the mechanisms of conjugate vaccines》

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编辑人：宁帅同学

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