一种基于mRNA的FimH纳米颗粒疫苗针对尿路致病性大肠杆菌在复发尿路感染小鼠模型中提供保护

《Frontiers in Immunology》：An mRNA-based FimH nanoparticle vaccine against uropathogenic Escherichia coli confers protection in a mouse model of recurrent urinary tract infection

　　

背景：日益增加的抗菌素耐药性以及频繁复发的尿路感染（rUTI）带来的高健康与经济负担，驱动了对高效UTI疫苗的需求。大多数UTI由表达毒力因子FimH的尿路致病性大肠杆菌（UPEC）引起，FimH介导膀胱定植。研究人员开发了一种脂质纳米颗粒（LNP）mRNA疫苗FimHDG-Ferritin作为UPEC候选疫苗。方法：通过mRNA转染将FimHDG-Ferritin mRNA构建体导入HeLa细胞，以评估体外免疫可及性蛋白纳米颗粒（PNP）的生成（采用天然聚丙烯酰胺凝胶电泳与负染电镜）。随后在雌性BALB/c AnNRj小鼠与Wistar大鼠中评估2或3次肌内注射后的体液与细胞免疫应答。最后在临床相关rUTI小鼠模型中评估保护效力。结果：体外证实了带有完整功能表位的FimHDG-Ferritin融合蛋白PNP形成。在小鼠与大鼠中证实免疫原性；针对同源与异源UPEC菌株产生等效功能抗体水平。在rUTI小鼠模型中，FimHDG-Ferritin mRNA疫苗诱导的功能抗体水平高于蛋白亚单位对照，并较阴性对照显著降低膀胱细菌负荷。结论：这些啮齿类临床前数据确立FimHDG-Ferritin mRNA疫苗作为预防UPEC所致UTI的保护性候选疫苗，支持进入1期临床评估。

研究背景与立项依据

尿路感染（UTI）是全球最常见细菌感染之一，约半数女性一生中至少经历一次有症状UTI，其中约三分之一发展为复发UTI（rUTI，定义为6个月内≥2次或1年内≥3次）。约75%的UTI由尿路致病性大肠杆菌（UPEC）引起，其1型菌毛尖端凝集素亚基FimH通过甘露糖结合口袋介导对膀胱尿路上皮细胞表面甘露糖化蛋白（如uroplakins）的黏附，进而促进膀胱上皮入侵；FimH的甘露糖结合口袋在UPEC菌株间保守，阻断FimH可经空间位阻抑制结合并发挥治疗作用。现有全菌或细菌裂解物疫苗（Uro-Vaxom/OM-89、Solco-Urovac、Uromune/MV140）长期获益未确立，迄今无FDA批准UTI疫苗。抗菌素耐药性（AMR）上升与rUTI高负担凸显预防策略需求。COVID-19疫情后mRNA平台具备安全、快速放大、强体液与细胞免疫优势，研究人员据此开发封装于脂质纳米颗粒（LNP）的修饰核苷mRNA疫苗，编码处于预结合构象的FimH（FimH_DG，连接FimG供链肽）并融合幽门螺杆菌（H. pylori）铁蛋白（Ferritin）形成多聚体展示支架，即FimH_DG-Ferritin，以期提升免疫原性。

主要技术方法概述

研究采用三类动物实验体系：其一，以HeLa细胞转染LNP-mRNA或Lipofectamine MessengerMax转染，经Ni-NTA或甘露糖琼脂糖纯化，结合天然PAGE、Western blot、负染电镜与免疫金标记验证体外PNP组装及表位完整性；其二，UPEC na?ve雌性BALB/c AnNRj小鼠（剂量0.04–5 μg）与Wistar大鼠（0.08–20 μg）接受2或3次肌注（胫骨前肌/腓肠肌），评估剂量与程序依赖的血清/尿液结合抗体（ELISA）、功能抗体（血凝抑制HAI、细菌黏附抑制BAI）、脾细胞FimH特异性T细胞应答（小鼠ICS流式、大鼠ELISpot）及早期细胞因子（CBA）；其三，UPEC既往感染雌性C3H/HeN小鼠经UTI89超感染建立慢性膀胱炎并抗生素清菌后，分2或3剂肌注0.2/5 μg FimH_DG-Ferritin mRNA、无关狂犬病糖蛋白mRNA-LNP对照、生理盐水对照、FimHC蛋白+Freund佐剂或PHAD佐剂对照，攻毒UTI89后24 h计膀胱菌落形成单位（CFU），并以HAI EC₉₀与膀胱负荷做相关建模。

研究结果

3.1 mRNA编码FimH_DG-Ferritin融合蛋白体外组装为带完整功能表面表位PNP

HeLa细胞转染后上清经甘露糖亲和纯化、native PAGE显示高分子量（>1048 kDa）信号；负染电镜见20–30 nm星形颗粒（理论~29 nm），免疫金（抗FimH mAb 54G9）定位于突起，证实表面FimH正确折叠且功能表位可及。

3.2 FimH_DG-Ferritin mRNA疫苗在UPEC na?ve动物血清与尿液诱导剂量依赖结合抗体

小鼠与大鼠肌注后，血清抗FimH IgG随剂量上升（小鼠≥0.2 μg三剂达平台），尿液抗体于第二、三剂后显著升高；大鼠抗H. pylori铁蛋白抗体同步诱导，抗人铁蛋白轻/重链交叉反应近背景。早期（18 h）小鼠血清IFNα、IL-6、IFNγ、CXCL1、CCL2、CXCL10剂量依赖诱导，大鼠见IL-6、CCL2升与IL-10降。

3.3 在UPEC na?ve动物血清诱导针对同源/异源UPEC剂量依赖功能抗体

HAI显示小鼠自0.04 μg、大鼠自0.4 μg起EC₉₀滴度剂量依赖升高；三剂在小鼠显著提升，大鼠无额外增益。同批血清对同源J96及异源CFT073、EC958（含ST131 ESBL株）均见等效或更高抑制；BAI证实抑制J96黏附T24膀胱细胞，HAI EC₉₀与BAI EC₂₅/EC₅₀强相关（Kendall τ≈0.56–0.60，P<0.001）。

3.4 在UPEC na?ve动物诱导FimH特异性细胞免疫

小鼠脾细胞ICS：两程序均诱导IFNγ⁺TNF⁺ FimH特异性CD4⁺/CD8⁺ T细胞，CD8⁺三剂显著增强；大鼠ELISpot见IFNγ分泌斑点数剂量依赖上升。

3.5 FimH_DG-Ferritin mRNA疫苗在rUTI小鼠模型展现保护效力

C3H/HeN小鼠经UTI89超感染-抗生素-恢复期后免疫。攻毒前血清HAI EC₉₀抗UTI89滴度：两mRNA剂量均显著高于NaCl，幅度与na?ve BALB/c同剂量相当，2剂与3剂无差；FimHC-PHAD同趋势，FimHC-Freund三剂进一步提升。攻毒24 h膀胱CFU：合并阴性对照后，FimHC-Freund降54.1倍、FimHC-PHAD降59.6倍，而FimH_DG-Ferritin mRNA 0.2 μg降114倍、5 μg降501倍；HAI每升10倍对应膀胱负荷降约22.4倍（95% CI 10.3–48.5）。尿液攻毒前后抗FimH IgG各疫苗组高于NaCl。

讨论与结论翻译

讨论指出，FimH作为UPEC保守黏附靶点适合多菌株覆盖；铁蛋白PNP多聚展示优于单体，LNP-mRNA兼顾先天免疫激活与蛋白纳米颗粒体内原位组装。临床前啮齿类数据中，FimH_DG-Ferritin mRNA在na?ve小鼠/大鼠与rUTI经感染C3H/HeN小鼠均诱导跨菌株功能抗体，并在既往UTI背景下较蛋白亚单位对照更高效降低膀胱负荷，且功能抗体水平与保护程度量化相关。

结论（译）：这些啮齿类临床前数据确立FimH_DG-Ferritin mRNA疫苗作为预防UPEC所致UTI的保护性候选疫苗，支持考虑进入1期临床评估。

该文发表于《Frontiers in Immunology》，为首个将LNP-mRNA编码铁蛋白嵌合PNP用于UPEC FimH靶点的临床前rUTI保护证据链补充。