综述：基于结构的蛋白质疫苗设计在呼吸系统传染病疫苗研发中的进展

《Computational and Structural Biotechnology Journal》：Advances in the Structure-Based Design of Protein Vaccines for Respiratory Infectious Diseases

呼吸道病原体快速变异对传统疫苗提出挑战，结构生物学指导的抗原优化策略成为突破方向。通过稳定病毒蛋白的预融合构象（如新冠病毒S蛋白的2P/6P改造）、多价抗原设计（如I53-50和mi3纳米颗粒平台）及佐剂协同（如MF59、AS01等），显著提升免疫原性和交叉保护能力。研究证实，纳米颗粒疫苗可增强B细胞激活、抗体亲和力及记忆细胞形成，并克服传统疫苗的稳定性不足问题。未来需结合AI加速抗原设计，优化大规模生产与冷链依赖难题，以应对流感、RSV等呼吸道病毒的持续威胁。

　　呼吸系统传染病是全球范围内导致发病率和死亡率居高不下的主要病因之一，尤其对儿童、老年人以及免疫功能低下人群影响更为显著。随着病毒变异速度的加快和免疫逃逸机制的复杂化，传统的疫苗研发策略在应对这些挑战时显得力不从心。近年来，基于结构的蛋白质疫苗设计成为疫苗研究的重要方向，这一策略通过利用关键病原体抗原的三维结构信息，结合反向疫苗学、计算生物学和蛋白质工程等手段，优化抗原设计并增强免疫原性。本文将系统回顾基于结构的蛋白质疫苗在主要呼吸道病原体（如流感病毒、呼吸道合胞病毒RSV和冠状病毒SARS-CoV-2）中的最新进展，探讨抗原优化策略、基于纳米颗粒的疫苗平台以及新型佐剂开发等创新方向，同时分析疫苗研发中的主要挑战并提出未来的研究与应用路径。

### 一、基于结构的蛋白质疫苗设计

蛋白质疫苗的免疫原性在很大程度上取决于抗原结构的优化，以确保其被免疫系统高效识别并诱导强效的免疫应答。传统蛋白质疫苗通常使用全长或亚单位抗原，但这种方法存在固有的局限性。例如，某些病原体的关键表位可能被其天然折叠或广泛的糖基化所掩盖，导致难以诱导强效的中和抗体反应，这在HIV-1 Env和流感血凝素（HA）中均有体现。此外，像流感病毒和冠状病毒这类病原体，常常在感染后发生抗原漂移和转换，这会削弱疫苗诱导的免疫力。因此，蛋白质疫苗研发的核心挑战在于优化抗原的三维结构，使其不仅模仿病原体的天然构象，还能暴露关键表位，从而诱导强大且持久的免疫应答。

近年来，基于结构的抗原优化策略取得了重要突破，其中三维构象稳定化成为关键技术。例如，在SARS-CoV-2疫苗开发中，研究人员发现其刺突蛋白（S蛋白）在融合前构象（prefusion conformation）时具有更强的免疫原性和中和抗体诱导能力。相比之下，融合后构象会导致结构重排，从而掩盖关键表位，降低免疫原性。通过引入稳定突变，如在S2铰链区域引入双脯氨酸（2P）替换，可以限制S蛋白从融合前到融合后的构象转换，减少S1片段脱落，从而保留类似天然的融合前表位景观和免疫原性。这一策略随后被扩展到多点稳定化，如HexaPro（6P）设计，并已在mRNA和重组蛋白疫苗平台中得到验证和广泛应用。

这一基于结构的疫苗设计策略并非仅限于SARS-CoV-2，它同样在其他呼吸道病毒疫苗中取得了显著进展。例如，McLellan等人在RSV疫苗研究中首次确定并稳定了融合前F蛋白（如DS-Cav1）的结构，显著提高了中和抗体反应的强度。同样，流感疫苗领域也受益于结构指导的策略，HA茎部聚焦的免疫原设计和多价HA在有序排列阵列（如I53-50或mi3纳米颗粒）上的展示，已在多种动物和早期临床研究中显示出扩展的血清型覆盖和促进高亲和力记忆B细胞成熟的效果，从而提高对流感A和B病毒的交叉中和能力。此外，结构研究还在流感C病毒中展开，进一步拓展了这一策略的应用范围。

在中国，重组SARS-CoV-2疫苗（CHO细胞表达）以“丽康V-01”为商品名，由高福院士领导研发，采用二聚化受体结合域（RBD）策略。该疫苗于2022年获得国家药品监督管理局（NMPA）的紧急使用批准，并在多个国家完成了III期临床试验，显示出良好的安全性和对流行变异株的广泛保护作用。通过将两个RBD单元连接成稳定的二聚体构型，该疫苗增强了抗原的构象稳定性，并提高了B细胞对其的识别能力，从而放大中和抗体反应。

此外，增强抗原展示平台也成为蛋白质疫苗研发的重要方向。传统蛋白质疫苗通常以单体或二聚体形式展示抗原，但这些构型可能无法有效激活B细胞或诱导强效的免疫应答。为克服这一挑战，研究人员开发了基于纳米颗粒的抗原展示技术，使抗原能够在纳米颗粒表面以高度有序和多价形式呈现。例如，I53-50纳米颗粒平台能够高效展示病毒三聚体抗原，如流感病毒的HA三聚体或SARS-CoV-2的RBD，从而显著增强B细胞识别并提高抗体亲和力和效力。同样，基于铁蛋白的纳米颗粒（如流感、RSV和冠状病毒疫苗）已被广泛应用于抗原展示，这些自组装纳米颗粒能够均匀地在表面展示抗原，模仿天然病毒颗粒的结构，从而增强免疫系统的识别和应答能力。

### 二、纳米颗粒疫苗平台

随着疫苗抗原设计理念的不断演进，纳米颗粒技术在疫苗开发中的应用也日益广泛。特别是在呼吸道传染病的预防和控制领域，纳米颗粒疫苗因其卓越的抗原展示能力和结构稳定性而成为最具前景的疫苗平台之一。通过将抗原以多价形式展示在纳米颗粒表面，这些疫苗不仅能够更有效地激活B细胞和T细胞，还能模拟天然病毒颗粒的空间构型，显著增强免疫系统对抗原的识别能力。与传统蛋白质疫苗相比，纳米颗粒疫苗在诱导强效中和抗体、增强交叉保护能力以及促进免疫记忆形成方面表现出更优的性能。

目前，基于结构的纳米颗粒疫苗平台主要包括铁蛋白自组装纳米颗粒、I53-50复合蛋白纳米颗粒和mi3镶嵌型纳米颗粒。每种平台都有其独特的特性，例如铁蛋白纳米颗粒以其广泛来源、高热稳定性和易于修饰的天然蛋白支架而著称；I53-50纳米颗粒则通过人工设计的结构优化，实现了抗原的高密度和有序展示；mi3纳米颗粒则因其能够整合来自不同变种的抗原片段而被用于增强疫苗的保护广度。例如，mi3纳米颗粒平台已被用于融合SARS-CoV-2原型株和三个变种的刺突蛋白，形成四价镶嵌型纳米颗粒疫苗。动物研究表明，这种疫苗能够诱导对多种变种的强效中和抗体反应，并提供广泛的免疫保护。此外，mi3平台也被用于展示来自人类和动物冠状病毒的RBD片段，从而增强对SARS-CoV-2及其他Sarbecovirus（如SARS-CoV-1和蝙蝠冠状病毒）的交叉保护能力。

在流感疫苗开发中，mi3平台被用于展示流感病毒基质蛋白M2（M2e）或来自不同HA亚型的融合抗原，从而诱导对不同流感亚型（如H1N1和H3N2）的广泛免疫应答。例如，单组分自组装纳米颗粒（SApNPs）展示M2e表位后，能够在单次免疫后提供长期的交叉保护。此外，多价HA纳米颗粒疫苗能够通过协同的抗体和T细胞反应实现对流感A和B病毒的完全保护。这些策略有效应对了病毒快速变异导致的免疫逃逸问题，为疫苗的长期有效性提供了保障。

### 三、佐剂的优化与应用

由于蛋白质疫苗本身免疫原性较低，因此通常需要佐剂来增强其免疫效果。因此，佐剂的优化与应用成为提升蛋白质疫苗效力的关键步骤。目前，人类疫苗中批准使用的佐剂包括MF59、AS01、AS03、CpG1018等，它们在不同疫苗配方中展现出独特的免疫增强效果。例如，MF59作为一种水包油乳剂，已被广泛用于流感疫苗，其机制涉及增强抗原呈递，从而促进B细胞激活和抗体产生。在新冠疫情中，一项澳大利亚的I期临床试验显示，使用MF59佐剂的SARS-CoV-2亚单位疫苗能够诱导与康复者相当的中和抗体水平，其中75%的受试者在第二次接种后中和抗体滴度高于康复者水平。

另一方面，AS01佐剂系统结合了脂质体与TLR4激动剂，能够激活先天免疫细胞并增强体液和细胞免疫应答。CpG1018作为TLR9激动剂，可以诱导Th1型免疫反应并增强对病毒感染的保护能力。尽管这些经典佐剂在疫苗开发中发挥了重要作用，但它们单一功能的机制有时难以满足对抗快速演变病原体的高效免疫应答需求。因此，新型佐剂和递送系统的探索成为未来疫苗研发的重要方向。

近年来，一些新型佐剂，如STING激动剂、ISCOMs、MA103、TLR激动剂、Advax和Poly(I:C)，正在临床研究中进行系统评估。STING激动剂通过激活细胞质DNA感应通路，促进I型干扰素的分泌，从而增强适应性免疫应答。ISCOMs由皂苷和磷脂组成，能够刺激体液和细胞免疫反应。在一项关于SARS-CoV-2重组蛋白疫苗的研究中，使用ISCOMs佐剂的疫苗在小鼠模型中显示出显著增强的中和抗体水平，同时诱导出更高水平的细胞因子分泌和抗原特异性IgA和IgG。MA103是一种新型的水溶性佐剂，其在SARS-CoV-2疫苗研究中显示出比铝盐或MF59更强的中和抗体滴度，且抗体水平与Moderna的mRNA-1273疫苗相当。此外，MA103在RSV疫苗研究中也显示出显著增强Th1型免疫反应的能力，能够有效降低肺部病毒载量并减轻肺部组织的病理损伤。

除了MF59、AS01、AS03和CpG1018等已批准或广泛应用的佐剂外，越来越多的新型佐剂正在被用于呼吸道传染病疫苗的临床研究。例如，TLR激动剂能够增强疫苗诱导的Th1型免疫反应，其中TLR7/8激动剂（如咪喹莫特）在RSV亚单位疫苗中显示出增强细胞免疫的潜力。在SARS-CoV-2疫苗中，Advax?作为一种基于δ菊粉的多糖颗粒，已被证明能够显著提高RBD蛋白疫苗的中和抗体滴度和T细胞反应，同时具有良好的安全性。Advax?目前已进入临床试验阶段。另一个例子是Poly(I:C)，一种合成的双链RNA模拟物，被用作流感和冠状病毒疫苗的佐剂，能够模拟病毒感染，激活树突状细胞并增强免疫原性。此外，纳米颗粒递送系统，如脂质纳米颗粒（LNPs）和聚合物纳米颗粒（如PLGA），正在与佐剂结合使用，以提高抗原的稳定性和跨膜转运效率。在RSV疫苗研究中，TLR4激动剂与阳离子脂质体的联合使用也被探索，以增强黏膜免疫反应。

这些新型佐剂和递送系统不仅能够增强疫苗诱导的免疫反应质量，还展现出延长免疫持久性、降低抗原剂量和减少副作用的潜力。临床前和早期临床研究显示，将这些佐剂与结构优化的抗原和纳米颗粒平台结合，可以显著提高疫苗在不同人群中的效力。

### 四、挑战与未来方向

尽管基于结构的蛋白质疫苗在安全性、免疫原性和交叉保护能力方面表现出色，但在免疫持久性、大规模生产及全球适用性方面仍面临挑战。目前的研究数据表明，尽管某些mRNA疫苗在接种后六个月内中和抗体水平显著下降，而一些蛋白质疫苗（如Novavax产品）则能在接种后八个月内维持高水平的中和抗体。这一观察提示，通过抗原设计和递送系统的优化，蛋白质疫苗有望进一步延长免疫保护时间。未来，多价抗原设计技术将被用于整合不同病毒变种的保守抗原，以诱导更全面和持久的交叉免疫应答。同时，利用纳米颗粒平台进行抗原展示不仅可以增强抗原的稳定性，还能通过多价展示方式提高B细胞激活效率，从而形成更稳固的免疫记忆。

在大规模生产方面，虽然蛋白质疫苗在生产规模和分布方面具有一定的优势，但其较高的生产成本和较长的加工周期仍然是阻碍其广泛应用的关键因素。目前，昆虫细胞表达系统能够在一定程度上提高抗原产量，但该系统在蛋白质纯化和质量控制方面仍需进一步优化，以降低成本。此外，疫苗的储存和运输也是不可忽视的问题。尽管蛋白质疫苗通常在2-8°C下稳定，但在全球范围内的分布，尤其是偏远和资源匮乏地区，仍需克服冷链物流的挑战。只有在生产流程、成本控制和物流支持方面取得突破，蛋白质疫苗才能在全球范围内更具竞争力和可及性。

未来的疫苗研究将聚焦于多方面的协同优化。首先，在抗原设计方面，深入分析病毒的高分辨率结构，开发更加稳定和免疫原性的抗原变种，将是提升疫苗长期保护效果的关键。其次，新型纳米颗粒平台和佐剂组合的持续发展，将为蛋白质疫苗提供更高效的抗原递送和免疫增强方案，推动更广泛和持久的免疫记忆形成。此外，人工智能（AI）在抗原设计中的应用，将不仅仅是流程优化或制造提升，而是通过深度学习、生成模型和图神经网络，研究人员可以挖掘大规模病毒基因组、抗原-抗体复合物和免疫数据库，以识别保守表位、预测其三维构象和免疫原性，并快速生成候选抗原序列。对于快速变异的呼吸道病原体（如SARS-CoV-2、流感病毒和RSV），AI能够实时追踪抗原漂移，辅助设计交叉保护的多价或镶嵌型抗原，并通过计算机模拟预测B细胞和T细胞的应答，从而显著缩短实验周期并降低研发成本。随着AlphaFold等工具与免疫模拟和分子对接平台的深度融合，AI有望实现抗原序列-结构-免疫反应的端到端智能预测和优化，推动下一代蛋白质疫苗向更高的稳定性、保护广度和持久性发展，为呼吸道传染病的防控提供更强的技术支持。

### 五、结论与展望

基于结构的蛋白质疫苗设计为呼吸道传染病的预防和控制提供了一种有前景且合理的策略。随着结构生物学、免疫学和纳米技术的不断进步，抗原优化策略已逐步成熟，使蛋白质疫苗能够更好地模仿病原体的天然构象，从而提高免疫识别和激活效率。当这些疫苗与基于纳米颗粒的递送系统结合时，其结构稳定性和免疫效果均得到显著增强。此外，新型佐剂的应用进一步提高了疫苗的免疫持久性和保护广度。这些创新展示了蛋白质疫苗在应对SARS-CoV-2、流感和RSV等呼吸道病原体方面的巨大潜力，不仅能够提供针对特定病毒的精准保护，还能通过多价抗原设计和工程化递送平台实现对新兴变种的交叉保护。

尽管蛋白质疫苗在免疫原性和安全性方面表现出色，但在免疫持久性、制造可扩展性和全球适用性方面仍需进一步优化。尽管某些疫苗能够维持较高的中和抗体水平，但其保护时间仍需改进，特别是在面对快速变异的病毒时，频繁的加强针接种可能不切实际。此外，尽管蛋白质疫苗在储存和运输方面优于mRNA疫苗，但其相对较长的生产周期和较高的成本仍然是推广的障碍。因此，提高生产效率、降低成本和扩大生产能力，将是实现全球应用的关键。未来，研究应优先关注疫苗配方的持续优化，以增强其免疫原性、持久性和交叉保护能力。同时，深入理解病毒的免疫逃逸机制，确保疫苗在面对病毒进化时仍能保持效力，也是不可或缺的一环。此外，个性化免疫策略的开发，结合精准医学方法（如宿主免疫特征分析和基因组学研究），将使疫苗能够针对个体免疫需求进行定制，从而最大化其效果。在这一背景下，人工智能（AI）正逐步成为疫苗研究和生产的变革性力量。AI技术正在被广泛应用于预测抗原结构、识别免疫原性表位以及分析多维免疫数据，同时还能优化生产参数，提高产量和质量控制，同时减少资源消耗。在公共卫生层面，AI还被用于流行病建模、疫苗接种计划和物流优化，显著提升疫苗的可及性和分配效率。在未来的疫苗研发中，AI与结构生物学、免疫学和材料科学的深度融合，将加速下一代蛋白质疫苗的智能化设计、精准制造和全球部署，推动疫苗研发从经验驱动向数据驱动的范式转变。