利用表位顺序优化方法设计下一代多目标多表位结核病疫苗：一项500纳秒的分子动力学研究

《Computational Biology and Chemistry》：Design of a Next-Generation Multi-Target Multi-Epitope Tuberculosis Vaccine Using an Epitope Order Optimization Approach: A 500 ns Molecular Dynamics Study

　　

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  表位顺序显著改变了多表位结核病疫苗的特性。
• • 为优化疫苗设计，筛选了一个包含3,628,800个变体的库。
• • TLR4特异性对接和分子动力学（MD）分析确定了稳定的疫苗候选物。
• • MM/GBSA分析、免疫模拟和克隆技术支持了排名靠前的变体。
• • 该研究介绍了针对结核病疫苗设计的表位顺序优化方法。

引言

结核分枝杆菌（M.tb）是一种通过空气传播的细菌，它是导致人类结核病（TB）的病原体，至今仍是全球主要的健康挑战，每年导致约一百万人死亡（《2026年全球结核病报告》）。据估计，每年有340万新结核病病例，其中孟加拉国、印度尼西亚、缅甸和泰国的负担尤为严重（Kanmani等人，2024年）。疫苗和抗生素被认为是可能的预防和治疗措施。卡介苗（BCG）是目前唯一被批准的结核病疫苗，对儿童有效（《2026年卡介苗疫苗》）。尽管BCG疫苗有多种治疗优势，但它也有显著缺点，包括预防疾病的效果不稳定（0-80%），并且对成人肺结核的保护作用有限（Ari等人，2024年）。因此，迫切需要开发更有效的下一代结核病疫苗，以取代或增强已有100年历史的BCG疫苗，并实现世界卫生组织（WHO）2035年“终结结核病”的目标，即消灭耐药菌株（Zhuang等人，2023年）。

为了提高安全性和精确度，疫苗设计平台已经从整个病原体（减毒/灭活）发展到纯化蛋白质（亚单位），再到针对性的病原成分（表位）（Li等人，2025年）。基于表位的疫苗代表了下一代疫苗设计平台，具有安全性、高效性和定制化的保护作用（Hossain等人，2021年）。这些疫苗候选物通过精确聚焦高度保守的免疫原性表位，克服了传统疫苗的抗原负荷限制。免疫信息学在多表位肽（MEBP）疫苗的设计中发挥着重要作用，它结合了多种计算工具来预测潜在表位、构建疫苗候选物，并通过相互作用和稳定性研究进行验证（Sanches等人，2021年）。与传统平台相比，MEBP疫苗具有多种潜在优势（Tavassoli Razavi等人，2025年）：

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  安全性更高：它们不需要使用活的或复制的病原体。
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  具有针对性的免疫反应：它们包含选定的抗原表位，而不是整个病原体。
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  潜在的广泛保护：可以在单一结构中结合来自不同菌株或抗原的多个保守表位。
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  缩短开发时间和成本：免疫信息学指导的设计可以简化候选物的识别和优先级排序。
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  简化生产过程：定义明确的肽基结构有利于控制和可重复的生产。
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  降低不良免疫反应的风险：在设计过程中可以排除非抗原性或潜在有害的区域。
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  与多种递送系统兼容：MEBP结构可以与其他递送系统（如纳米颗粒或脂质体）结合使用。

传统的MEBP疫苗设计策略主要依赖于B细胞和T细胞表位的线性“珠链”组装，忽视了表位重排对结构稳定性和整体免疫原性的影响（Schubert和Kohlbacher，2016年）。虽然免疫信息学领域允许快速筛选和组装表位，但许多研究仍然遵循传统流程，只生产一个单一结构，而不比较同一表位的多种排列组合（Oli等人，2020年）。这是一个固有的局限性，因为它基于分子生物学的基本原理：序列-结构-功能关系（Koehler Leman等人，2023年）。根据这一原理，氨基酸顺序的微小变化可能影响蛋白质折叠、构象稳定性、表位可及性、抗原处理和免疫识别。我们之前的研究已经证明了表位位置对分子间相互作用、结构紧凑性、MHC呈递效率以及最终免疫反应强度和质量的影响（Salaikumaran等人，2022年）。这突显了系统研究表位位置重排对于合理优化MEBP疫苗候选物的必要性。

在本研究中，我们使用基于表位顺序优化的改进方法设计并评估了针对结核分枝杆菌（M.tb）的MEBP疫苗。我们假设固定DTE集合的位置重排会在受体结合、结构稳定性和免疫激活方面产生可测量的差异，从而证明了对大型多目标疫苗变体库进行比较筛选的合理性。与生成单一结构的传统方法不同，我们设计并使用分子动力学（MD）模拟、MM/GBSA结合自由能分析和免疫模拟，对比评估了具有相同DTE集合但不同位置重排的MEBP变体库与模式识别受体（PRR）的相互作用。在本研究中，设计的结构被视为独立的结核病预防疫苗候选物，而其作为BCG免疫增强剂的潜力是未来研究的一个可能方向。然而，当前研究的结论完全基于计算机分析，需要进一步的实验验证来在生物条件下验证预测的疫苗效果。

章节摘录

材料与方法

本研究中使用的集成计算流程的详细概述见图S1，涵盖了从DTE提取和变体生成到结构评估、免疫模拟和计算机克隆的所有主要步骤。

目标蛋白选择

目标蛋白Rv3763、Rv0987c、Rv2660c、Rv0341和Rv2031c的抗原性分别为1.1519、0.8940、0.8856、0.8764和0.8053。这些高度抗原性的目标蛋白与人类蛋白质组之间没有发现显著相似性。这五个选定的目标蛋白被进一步分析。表1列出了这些目标蛋白的抗原性和BLASTp结果。

DTE预测和筛选

对五个选定的目标蛋白进行了DTE预测。

讨论

结核病由结核分枝杆菌（M. tb）引起，几千年来一直是全球健康的负担（Mubarak等人，2024年）。目前唯一被批准的结核病疫苗BCG（卡介苗）是通过皮内注射给药的，其效果因人群遗传差异、BCG菌株的遗传异质性、非结核分枝杆菌（NTM）的影响以及某些导致死亡的寄生虫疾病等因素而难以预测。

结论

本研究提出了一种新颖且系统的方法，用于设计和评估针对结核分枝杆菌（M. tb）的多表位肽（MEBP）疫苗，通过靶向H37Rv菌株的多个免疫原性目标。该研究通过展示表位位置重排对疫苗效果的影响，解决了传统方法中表位顺序无序的局限性。共构建了3,628,800个MEBP变体。

伦理

不适用。

未引用参考文献

(Day等人，2012年；Nilofer等人，2017年)

资助

本研究未获得任何资助机构的支持。

CRediT作者贡献声明

Burra V L S Prasad：撰写——审稿和编辑，撰写——初稿，项目管理工作，资金获取，正式分析，概念构思。 Partha Sarathi Sahoo：撰写——审稿和编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件使用，资源协调，方法学设计，数据管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢KLEF（Deemed to be）大学的生物技术系以及印度政府的科技部（DST）的支持。

出版同意

不适用。

参与同意

不适用。

Partha Sarathi Sahoo | Burra V L S Prasad