一种包含粘附素衍生抗原的多表位疫苗能够有效预防结核分枝杆菌的感染和传播

《Frontiers in Immunology》：A multi-epitope vaccine incorporating adhesin-derived antigens protects against Mycobacterium tuberculosis infection and dissemination

结核分枝杆菌PE_PGRS33的PGRS结构域缺乏足够T细胞表位，通过整合反向疫苗学与实验验证，构建了含TLR2激动剂和PADRE佐剂的疫苗。小鼠实验显示该疫苗能显著降低H37Ra challenge后的细菌负荷，抑制肺外扩散，并激活Th1型细胞免疫和高效体液免疫应答。

　　在当今全球健康领域，结核病（Tuberculosis，简称TB）依然是一个严峻的挑战。作为结核病的主要病原体，结核分枝杆菌（*Mycobacterium tuberculosis*，简称*M. tuberculosis*）的感染过程复杂且具有高度的适应性，使得疫苗研发成为一项长期而艰巨的任务。尽管目前已有多种疫苗策略，但现有的疫苗如卡介苗（BCG）在成人中的保护效果有限，无法有效应对日益严重的结核病疫情。因此，探索新的疫苗设计方法，尤其是结合计算生物学与实验验证的策略，显得尤为重要。

在这一背景下，本研究提出了一种基于粘附分子的多表位疫苗设计方法。粘附分子在*M. tuberculosis*感染的早期阶段发挥着至关重要的作用，它们通过与宿主细胞表面受体相互作用，帮助病原体附着并进入宿主细胞。然而，一些关键的粘附分子如PE_PGRS33的PGRS结构域虽然能有效激活B细胞，但其T细胞表位相对匮乏，这在一定程度上限制了其在诱导全面免疫应答方面的潜力。因此，研究团队通过整合多种*M. tuberculosis*粘附蛋白和与病原体致病性相关的其他蛋白，设计了一种多表位疫苗，旨在同时激活细胞免疫和体液免疫，从而提高疫苗的保护效果。

为了实现这一目标，研究团队采用了一种综合性的反向疫苗学流程，结合了计算预测和实验验证。该流程首先对多种粘附蛋白进行筛选，包括Ag85B、HSP65、MTP等，这些蛋白已被证实能够有效激活CD4+ T细胞和CD8+ T细胞。随后，研究团队通过计算工具预测了这些蛋白中的潜在表位，并进一步筛选出具有高亲和力和免疫激活能力的表位。此外，为了增强疫苗的免疫原性，研究团队还引入了多种佐剂，如TLR2激动剂和PADRE（一种广谱HLA-DR结合表位），这些佐剂能够促进抗原呈递，并增强免疫应答。

研究团队还设计了三种不同的多表位疫苗，分别采用了不同的佐剂组合：HBD3与PADRE组合、TLR2激动剂与PADRE组合，以及50S核糖体蛋白L7/L12与PADRE组合。在这些疫苗中，TLR2-激动剂和PADRE-增强的疫苗（TLR2疫苗）表现最为突出。在小鼠模型中，该疫苗不仅诱导了强烈的抗原特异性抗体和IFN-γ反应，还显著降低了*M. tuberculosis*感染后的细菌载量，并有效防止了病原体的肺外扩散。这些结果表明，针对粘附分子的多表位疫苗在诱导全面免疫应答方面具有巨大的潜力。

为了进一步验证疫苗的结构和功能特性，研究团队进行了详细的分子模拟和实验分析。他们利用AlphaFold预测了疫苗的三级结构，并通过GalaxyRefine进行结构优化。随后，通过SAVES v6.1和ProSA-web等工具对结构的可靠性进行了评估。此外，研究团队还进行了分子对接分析，以评估疫苗与TLR2受体之间的结合亲和力。结果表明，TLR2疫苗与TLR2的结合最为稳定，显示出较强的动态行为和协调性，这有助于其在体内有效激活免疫应答。

在分子动力学模拟中，研究团队发现TLR2疫苗在模拟过程中表现出较高的结构稳定性，其RMSD（均方根偏差）、RMSF（均方根波动）、Rg（回转半径）和SASA（溶剂可及表面积）等指标均优于其他两种疫苗。这些数据表明，TLR2疫苗在动态行为和结构稳定性方面具有显著优势。此外，通过MM-PBSA（分子机械势能计算）进一步确认了TLR2疫苗的结合能，显示出其具有最高的结合稳定性。

为了验证疫苗的免疫原性和保护效果，研究团队进行了小鼠实验。实验结果表明，TLR2疫苗在诱导抗原特异性抗体和IFN-γ分泌方面优于BCG疫苗，且在肺部和肝脏中的细菌载量显著减少。组织病理学分析也显示，TLR2疫苗接种的小鼠肺部和肝脏的炎症反应较轻，组织结构得以较好地保持，这进一步支持了疫苗的保护作用。值得注意的是，尽管TLR2疫苗在实验中表现良好，但其与BCG联合使用或作为加强剂的潜力仍需进一步研究。

此外，研究团队还通过C-ImmSim服务器进行了免疫模拟，评估了疫苗在体内可能引发的免疫反应。模拟结果显示，TLR2疫苗能够有效激活先天免疫和适应性免疫，包括巨噬细胞、树突状细胞、B细胞和T细胞。这种全面的免疫激活机制可能有助于疫苗在不同宿主群体中的广泛应用，尤其是在那些面临高感染风险的人群中。

在分子生物学层面，研究团队对疫苗的基因序列进行了优化，使其在*E. coli*中能够高效表达。通过BamHI和EcoRI限制性酶切位点的引入，疫苗的构建过程更加便捷，且最终的基因序列具有较高的CAI（密码子适应指数）和适中的GC含量，这有助于其在宿主细胞中的表达和稳定性。优化后的疫苗序列被克隆到pET-28a(+)载体中，并通过重组蛋白表达和纯化技术获得了可用于后续实验的疫苗材料。

研究还指出，尽管TLR2疫苗在实验中表现出良好的保护效果，但其在临床转化过程中仍面临一些挑战。例如，当前的实验并未全面评估疫苗与非结核分枝杆菌（NTM）的交叉反应性，这可能会影响疫苗在某些人群中诱导的免疫应答。此外，疫苗与BCG联合使用的策略尚未得到充分验证，而这种策略在实际应用中可能具有重要的意义。因此，未来的研究应进一步探讨这些方面，以确保疫苗在更广泛的群体中具有良好的安全性和有效性。

总的来说，本研究通过结合计算生物学与实验验证，成功设计出一种针对*M. tuberculosis*粘附分子的多表位疫苗。该疫苗在小鼠模型中表现出显著的免疫原性和保护效果，为未来结核病疫苗的研发提供了新的思路。尽管仍有一些问题需要进一步解决，但这项研究无疑为推动结核病疫苗的开发奠定了坚实的基础。随着技术的进步和对免疫机制的深入理解，多表位疫苗有望成为一种高效、安全且适用于全球范围的结核病预防工具。