疫苗接种和呼吸道黏膜免疫

《The Pediatric Infectious Disease Journal》：Vaccination and Respiratory Mucosal Immunity

　　作为身体内部与吸入环境之间的主要界面，呼吸道黏膜充当着抵御传染性病原体和有害物质的屏障，这些病原体和有害物质可能损害气流并扰乱氧气和二氧化碳的交换。吸入的感染性颗粒首先遇到传导气道的上皮衬里，在此处，黏液产生和黏液纤毛清除构成了主要的物理防御。虽然许多病原体被清除，但有些病原体则突破这一屏障并建立定植或感染。上皮屏障的破坏和病原体识别触发分步免疫反应，起始于传感器细胞释放细胞因子，随后是先天性和适应性效应细胞的募集和激活。1作为原发感染的结果，黏膜免疫回路通过免疫记忆被重塑，从而在再次暴露时能够更快、更有效地产生反应。2这是旨在病原体接触前增强免疫力的疫苗接种策略的生物学基础。目前有疫苗可用的呼吸道传染病包括新冠肺炎、流感、百日咳、肺炎球菌性疾病和呼吸道合胞病毒细支气管炎。然而，引起这些疾病的病原体仍然具有高度传染性，新毒株的出现可能降低现有疫苗的有效性，从而维持全球疾病负担。3，4非肠道接种是主要的免疫接种途径，在诱导系统性免疫方面非常有效。然而，其在呼吸道黏膜（病原体在系统性扩散之前入侵并定植的部位）产生免疫保护方面通常不太成功。4–6黏膜表面受到独特抗体反应的保护，这些抗体反应可以独立于外周抗体反应产生，同时还有局部细胞反应，其在动力学、表型和功能方面与血液中的反应不同。7，8将疫苗直接递送至呼吸道更接近自然感染，有潜力在病原体入侵部位诱导保护性免疫。因此，黏膜疫苗接种提供了一种增强对呼吸道感染保护的有前景的策略。尽管有这种潜力，目前仅有一种鼻内疫苗获批。在本综述中，我们总结了目前对呼吸道黏膜免疫和疫苗诱导保护机制的认识，并讨论了关键挑战，尤其关注儿科人群。

黏膜免疫激活与保护

除了作为物理屏障，气道上皮还充当活跃的免疫界面，能够感知病原体入侵和组织损伤。上皮细胞和抗原提呈细胞（包括树突状细胞和巨噬细胞）充当哨兵细胞，检测病原体相关分子模式。9这触发细胞因子释放，启动针对特定病原体定制的免疫反应。1，2早期先天效应机制包括吞噬作用、干扰素介导的抗病毒反应和中性粒细胞募集。同时，哨兵细胞产生一阶细胞因子，激活组织驻留淋巴细胞群（包括自然杀伤细胞），这些细胞直接参与感染上皮细胞的清除。1与其他组织驻留淋巴细胞一起，它们还产生二阶细胞因子，这些细胞因子增强巨噬细胞吞噬活性，促进上皮屏障修复，并刺激上皮细胞释放抗菌肽和趋化因子，从而限制病原体传播。10

呼吸道抗原提呈细胞进行的抗原采样导致其迁移到引流淋巴结，在那里它们提呈加工后的抗原并提供共刺激信号以激活初始抗原特异性T细胞。11，12活化的T细胞增殖并分化为效应阶段的T细胞，这些T细胞从淋巴结外出，随后归巢至感染的气道组织。在呼吸道内，效应T细胞区室包括短寿命的终末效应T细胞和具有循环记忆前体特征的长寿命T细胞，这些长寿命T细胞也表达组织驻留标志物。13同时，初始B细胞在引流淋巴结中遇到抗原并在抗原特异性T细胞辅助下被激活。这导致产生长寿命浆细胞，它们归巢至呼吸道黏膜并分泌高亲和力的免疫球蛋白A或G抗体。分泌型IgA（黏膜表面主要的抗体类别）被主动转运穿过上皮进入气道管腔，在那里中和病毒和细菌毒素，并阻断细菌黏附或易位。6B细胞激活还产生组织驻留记忆B细胞，这些细胞在局部持续存在，并在再次暴露时迅速分化为分泌抗体的浆细胞。14

总而言之，这些过程在原发感染后重塑黏膜免疫格局。2再次暴露时，预先存在的抗体介导即时中和及抗体依赖性细胞免疫，而抗原特异性、组织驻留记忆B和T淋巴细胞驱动加速的适应性反应，从而实现病原体的有效清除，且上皮损伤最小。5

黏膜疫苗接种参与相同的免疫途径。通过模拟自然感染的关键方面，它可以诱导局部IgA产生，并生成在表型和功能上与感染后形成的细胞相似的组织驻留记忆B和T细胞（图1）。3，4，6，15，16然而，黏膜免疫的诱导不仅取决于递送途径，还取决于疫苗配方。例如，鼻内接种减毒活流感疫苗可产生组织驻留记忆T细胞，而灭活病毒配方则不足以建立这些细胞。4鼻内疫苗接种还可以引发系统性IgA和IgG反应，提供整合的黏膜和系统性保护。15，16相比之下，非肠道接种通常无法在呼吸道黏膜诱导分泌型IgA产生或组织驻留记忆淋巴细胞。4–6

图1

黏膜疫苗接种将抗原递送至呼吸道黏膜，抗原被呼吸道树突状细胞摄取。这些细胞随后迁移至引流淋巴结：颈部、纵隔或咽淋巴环（包括腺样体和扁桃体），以启动T细胞活化及随后的B细胞活化。通过重现自然感染的关键方面，黏膜疫苗接种在呼吸道黏膜诱导局部抗体产生和组织驻留记忆细胞。呼吸道黏膜是黏膜疫苗接种后保护性免疫的主要部位，尽管也产生系统性免疫反应。APC表示抗原提呈细胞；sIgA，分泌型IgA；Trm，组织驻留记忆细胞。

儿科视角下的呼吸道黏膜疫苗递送

在婴儿期，黏膜记忆T细胞表现出组织驻留标志物的低表达和有限的效应功能，在儿童期逐步成熟。17，18这种不成熟性与更高的病原体载量、延迟清除和降低的跨毒株保护相关。4，17尽管新生儿呼吸道树突状细胞能够有效地提呈抗原并迁移至淋巴结，但它们为有效T细胞活化提供的共刺激有限，这可能损害组织驻留记忆T细胞的发育。19重要的是，模式识别受体的刺激增强了共刺激分子的表达，当与初免-加强方案结合时，可将新生儿保护性组织驻留记忆T细胞频率增加到与仅用病原体初免的成人相当的水平。17，20体液免疫在生命早期也受到限制，因为亲和力成熟尚未完全发展，并且存在年龄依赖性的黏膜IgA产生缺陷。17，21在新生儿动物模型中，鼻内给予干扰素-α可增强B细胞活化和IgA类别转换，导致IgA反应与成人相当。21这些发现共同支持开发针对年龄定制的黏膜疫苗策略，该策略结合优化的佐剂和抗原递送系统，以及精心设计的初免-加强方案，以增强生命早期的黏膜细胞免疫和体液免疫。

诱导黏膜免疫的呼吸道疫苗策略

目前唯一获批用于鼻内给药的黏膜疫苗是减毒活、冷适应流感疫苗，其设计在上呼吸道复制。与肌肉注射疫苗相比，它在儿童中提供更强的保护，尽管有效性随年龄增长而下降，这可能归因于预先存在的免疫力。7鼻内减毒活疫苗也被评估作为RSV预防策略，在6–24个月的RSV初治儿童中显示出良好的耐受性，免疫原性与野生型RSV相当。22另一个正在研究的鼻内接种平台是重组病毒载体，其中与靶病原体无关的减毒病毒递送编码病原体免疫原性成分的遗传物质。这种方法消除了病毒回复突变的风险，并可规避对病原体的预先存在的免疫。23针对SARS-CoV-2的病毒载体疫苗鼻内递送在临床前和III期比较临床研究中，已证明与肌肉注射接种相比，对原始株和变异株具有更优的保护作用。16，23此外，由纯化病原体成分组成的亚单位疫苗为鼻内免疫提供了一种有前景的方法。其有效性可通过颗粒递送系统增强，例如纳米颗粒和基于囊泡的平台（包括细菌外膜囊泡），这些系统改善抗原靶向、持久性和细胞摄取。鼻内疫苗也在研究用于各种细菌性呼吸道病原体，包括肺炎链球菌和百日咳博德特菌。3，24

通过黏膜疫苗接种靶向呼吸道病原体：优势与挑战

针对呼吸道病原体的非肠道疫苗通过系统性免疫提供疾病保护，但由于黏膜免疫有限，通常无法预防病原体携带。3，5这使得病原体可在呼吸道上皮中复制，促进免疫逃逸变异体的出现，这些变异体可能逃避疫苗诱导的保护。临床前研究表明，相比之下，黏膜疫苗接种可显著减少入侵部位的病原体载量，从而限制感染、疾病和传播。3，15除免疫学优势外，呼吸道疫苗递送还提供实际益处。无针给药减少了对专业人员的依赖，并可能减少与注射相关的犹豫。它还支持大规模部署，当配制成无需冷链储存的可吸入干粉时，在资源匮乏环境中可能尤为有利。通过提高可及性和可接受性，黏膜疫苗可增加覆盖率，并为限制呼吸道传染病的复燃提供额外机制。

尽管有这些优势，临床转化仍然有限。实现精确的疫苗剂量因呼吸道黏膜的异质性和黏液层的存在而变得复杂。此外，黏膜耐受（一种限制对吸入抗原产生不适当炎症反应的保护机制）可抑制疫苗诱导的免疫反应。25鼻疫苗开发中的一个独特安全问题是鼻腔与嗅球在解剖上的密切邻近。例如，一种以大肠杆菌热不稳定毒素为佐剂的灭活鼻内流感疫苗因贝尔麻痹风险增加而被撤回。26因此，彻底的安全性评估至关重要。此外，鼻内疫苗对新生儿（他们必须通过鼻子呼吸）不安全，因为疫苗诱导的鼻塞可能损害呼吸。

应对这些挑战需要合理设计黏膜疫苗配方，包括针对呼吸道黏膜环境优化的递送系统和免疫刺激佐剂。确定保护相关性对于准确预测疫苗效力至关重要。黏膜IgA水平和组织驻留记忆T细胞频率是有希望的候选指标，但保护阈值及其与感染的关系仍有待确定。3，7，8另一个挑战是呼吸道组织驻留记忆T细胞的寿命相对较短，它们随时间逐渐下降，在感染后5个月观察到频率显著降低。27，28然而，反复抗原暴露可以稳定和维持这些群体，使其在1年后仍可检测到。28这表明可能需要加强策略来增强呼吸道细胞免疫的持久性。

呼吸道黏膜疫苗接种的临床意义

黏膜疫苗接种的潜在临床作用可能因病原体和年龄而异。对于RSV，婴儿早期预防严重疾病仍然是主要目标。当前的预防策略，包括母体接种和单克隆抗体，在减少婴儿第一个RSV季节的住院方面有效。29然而，由于没有证据表明在其第二个季节（此时黏膜免疫更为成熟）有持续保护，黏膜疫苗接种可能提供补充策略。一项I/IIa期试验目前正在招募婴儿和儿童，以评估鼻内RSV疫苗的安全性、耐受性和免疫原性（NCT05655182）。

对于百日咳，当前疫苗在疾病最严重的第一年显示出高有效性，但在接受所有剂量的儿童中，保护作用逐渐减弱。30儿童期后期的黏膜疫苗接种可能提供针对鼻咽定植和传播的额外保护，并有潜力增强人群水平免疫。3

当前肺炎球菌结合疫苗可预防特定的一组肺炎链球菌血清型。它们还可减少疫苗型血清型的鼻咽定植，尽管对定植的影响更为复杂，且因血清型、年龄和疫苗而异。31这可能导致血清型替换，凸显了对提供更广泛保护疫苗的需求。靶向血清型非依赖性抗原的黏膜疫苗接种可能通过减少肺炎球菌定植并潜在地减少传播来提供补充方法。

流感代表了一个更为成熟的黏膜疫苗接种临床环境，因为减毒活鼻内疫苗接种已在儿童中使用。这证明了通过呼吸道黏膜诱导免疫的临床可行性，尽管关于年龄、预先存在的免疫和重复接种对疫苗有效性及黏膜保护持久性的影响仍存在疑问。7若干临床试验正在评估鼻内流感疫苗接种的局部和系统性免疫反应（NCT01866540、NCT07177417、NCT07232745、NCT06620185）。除评估免疫原性外，这些研究可能有助于确定预防感染和疾病的保护相关性，阐明黏膜免疫与全身免疫之间的关系，并评估两个区室中免疫的持久性。当前黏膜疫苗的临床开发格局仍主要聚焦于COVID-19。这包括评估鼻内和吸入加强疫苗的研究（NCT07536308），以及通过口服/舌下途径单独或联合接种的COVID-19和流感疫苗研究（NCT06355232）。两项临床试验正在评估鼻内（NCT06821126）和口服（NCT06672055）COVID-19加强疫苗与标准肌内注射加强疫苗的相对免疫原性。由于大多数正在进行的研究仍处于早期临床阶段（I期和II期），新型黏膜COVID-19疫苗在近期内不太可能广泛可用。黏膜疫苗有潜力将针对呼吸道病原体的保护扩展到预防严重疾病之外，通过在病原体入侵部位靶向感染和传播。其临床作用很可能是补充而非替代肠外接种，并会因病原体和年龄而异。在幼儿中，黏膜免疫的成熟将需要为疫苗配方、接种时机以及可能的全身初免需求提供信息。临床开发的关键优先事项是定义黏膜保护相关性，确定局部免疫的持久性，并确定如何最佳地联合黏膜和全身接种。解决这些问题对于将我们日益增长的呼吸道黏膜免疫认识转化为针对儿童的有效疫苗接种策略至关重要。