基于计算机模拟设计的百日咳多表位疫苗：靶向黏膜免疫的结构与免疫学特性研究

本研究针对现有百日咳疫苗无法有效诱导黏膜免疫的难题，通过反向疫苗学策略设计了一种融合C-CPE递送系统的多表位疫苗mF1S1-C-CPE。研究人员筛选了百日咳毒素S1亚基和丝状血凝素F1结构域的T/B细胞表位，结合分子对接和动力学模拟验证其与TLR2/4的高亲和力结合，最终获得可在大肠杆菌中高效表达的稳定候选疫苗，为开发兼具系统性和黏膜免疫保护效力的新型疫苗提供了理论依据。

　　

百日咳这个被称为"百日咳"的古老传染病，在疫苗普及的今天仍持续困扰全球公共卫生。尽管全细胞疫苗(wPVs)和无细胞疫苗(aPVs)的应用显著降低了发病率，但近年来全球范围内的百日咳再现现象引发学界深思。现有疫苗主要通过注射途径诱导系统性免疫，却难以在病原体最初入侵的呼吸道黏膜形成有效防线——这就像只加固了城池外围却忽视了城门守卫。更棘手的是，传统疫苗缺乏黏膜靶向能力，而常用的霍乱毒素(CT)等黏膜佐剂又存在引发贝尔氏麻痹等副作用的风险。

针对这一困境，伊朗巴斯德研究所的研究团队独辟蹊径，将目光投向 Claudin-4受体靶向技术。他们此前的研究发现，产气荚膜梭菌肠毒素C端片段(C-CPE)能特异性结合黏膜滤泡相关上皮(FAE)中的M细胞，这为疫苗设计提供了"精准导航系统"。本次发表在《Genomics》的研究，创新性地将C-CPE与百日咳关键抗原融合，通过计算机模拟构建了新一代多表位疫苗。

研究采用反向疫苗学策略，主要运用免疫信息学工具预测表位、分子对接验证相互作用、分子动力学模拟评估稳定性三大关键技术。首先从UniProt获取S1、F1和C-CPE的氨基酸序列，通过IEDB平台预测CTL/HTL表位；继而用Robetta服务器构建三维模型，经GalaxyRefine优化后，采用ClusPro 2.0进行TLR2/4对接模拟；最后通过GROMACS进行100 ns分子动力学(MD)模拟验证稳定性。

【蛋白序列与抗原性】研究首先确认S1和F1蛋白的抗原性评分分别为0.5718和0.8411（VaxiJen阈值0.4），从PDB数据库获取其晶体结构(1BCP和1RWR)作为设计基础。

【T细胞表位预测】通过IEDB的Consensus方法从S1筛选出730个CTL表位，从F1获得12,744个，最终保留9个高亲和力表位（如HLA-A*30:01结合的AGRGTGHFI）。HTL表位预测采用NetMHCIIpan 4.1 EL算法，从6885个S1表位和12879个F1表位中优选5个（如诱导IFN-γ的SIVGTLVRMAPVIGA）。

【B细胞表位分析】BepiPred-2.0鉴定出S1的12个线性表位和F1的16个，其中NGITGETTTTEYSNARYVSQQTRANPNPYTSRRS因同时包含构象表位关键残基(Y¹⁷⁸-R¹⁸¹)被优先选择。ElliPro分析显示这些表位在疫苗构象中仍保持可及性。

【多表位构建】最终设计的440aa疫苗包含：9个CTL表位（以GPGPG连接）、5个HTL表位、2个LBL表位，C端通过G4S linker融合136aa的C-CPE。二级结构预测显示65.5%为无规卷曲，有利于表位暴露。

【结构验证】三级模型经Refine后Ramachandran plot显示90.3%残基位于最优区。ProSA Z-score(-5.42)和ERRAT质量因子(92.1)证实结构接近天然蛋白。MD模拟显示复合物与TLR4结合后RMSD稳定在1.0-1.2 nm。

【免疫特性】疫苗抗原性评分达0.8926(VaxiJen)，非过敏/非毒性，SOLpro溶解度0.755。分子对接显示mF1S1-C-CPE与TLR4结合能(△G=-14.7 kcal/mol)强于TLR2(-11.5 kcal/mol)。

【群体覆盖】针对优选表位-HLA组合，疫苗对中亚、欧洲等地覆盖率超65%，全球覆盖率达62.56%。密码子优化后CAI指数0.93，GC含量54.9%，适合大肠杆菌表达。

这项研究通过计算机辅助设计实现了三大突破：首先，创新性地将黏膜靶向系统(C-CPE)与多表位疫苗策略结合，克服了传统疫苗难以诱导黏膜免疫的缺陷；其次，通过精确的表位筛选和结构优化，确保疫苗能同时激活CTL、HTL和B细胞应答；最后，MD模拟证实疫苗-TLR4复合物的动态稳定性，为后续实验奠定基础。值得注意的是，C-CPE的免疫显性分析显示其表位不会干扰主要抗原呈递，这种"智能递送+精准免疫"的设计理念为呼吸道传染病疫苗开发提供了新范式。正如作者在讨论中指出，该研究仍需要通过动物实验验证其实际免疫效果，特别是对sIgA的诱导能力。若后续研究证实其有效性，这种基于结构设计的模块化疫苗平台还可拓展应用于其他黏膜病原体的防控。