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Advances in the development of novel influenza vaccines based on hemagglutinin

基于血凝素(HA)的新型流感疫苗研究进展



全 文 :第26卷 第9期
2014年9月
Vol. 26, No. 9
Sep., 2014
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号:1004-0374(2014)09-0943-06
DOI: 10.13376/j.cbls/2014135
收稿日期:2014-03-13; 修回日期:2014-05-06
基金项目:国家自然科学基金项目(31170871)
*通信作者:E-mail: dmzhou@ips.ac.cn
基于血凝素(HA)的新型流感疫苗研究进展
王 祥,周东明*
(中国科学院上海巴斯德研究所疫苗研究中心,上海 200031)

摘 要:新型广谱流感疫苗是预防和控制不断变异的流感病毒的重要手段。血凝素 (HA)是流感病毒表面
的糖蛋白,具有免疫原性,但其变异性强,是 A型流感病毒发生抗原变异的主要原因。近年来研究发现,
HA存在保守的恒定区,可诱导机体产生流感病毒特异性广谱中和抗体,拮抗多种流感病毒的感染。因此,
如何采取不同策略和方法,研发基于 HA的新型疫苗成为流感防治研究的重点。就基于 HA的新型流感疫
苗研究进展作一综述。
关键词:流感;血凝素;疫苗;中和抗体
中图分类号: R373.1  文献标志码:A
Advances in the development of novel influenza vaccines based on
hemagglutinin
WANG Xiang, ZHOU Dong-Ming*
(Vaccine Research Center of Institut Pasteur of Shanghai, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)
Abstract: Novel universal influenza vaccine has been considered to be the most economic and effective way to
prevent from the emerging influenza virus with unpredictable mutation. Hemagglutinin (HA) is an influenza virus
surface glycoprotein with high immunogenicity and antigenic variability. Recently, conserved domains in HA have
been identified, and they can induce broadly neutralizing antibodies against heterotype influenza infection in the
host. So, generation of HA-based novel influenza vaccines by using various strategies became a hot topic in
prevention and control of influenza infection. Here, advances in the development of novel influenza vaccine based
on HA are summarized.
Key words: influenza virus; hemagglutinin; vaccine; neutralizing antibodies
巨噬细胞的分类及其调节性功能的差异
李 丹,任亚娜,范华骅*
(复旦大学附属华山医院,上海 200040)

1 流感病毒及传统流感疫苗
流行性感冒病毒是引起流感的主要病原体,分
为 A、B、C三型,属于正黏病毒科。流感病毒是
分段单链负义 RNA病毒,其中 B型只感染人类,
有两个血清型,重组和突变的概率较低;C型不感
染人类,不致病或者很少造成严重疾病;A型流感
病毒造成的危害最大,历次给人、禽等造成重大伤
亡或损失的都是 A型流感病毒。A型流感病毒的核
酸由八个基因片段组成,分别编码 PB2、PB1、
PA、HA、NP、NA、M1、M2、NS1、NS2、
PB1-F2、N40、PA-X及 M42等蛋白 [1]。其中血凝
素 (hemagglutinin, HA)和神经氨酸酶 (neuraminidase,
NA)为流感病毒表面的糖蛋白。到目前为止,HA
有 18个亚型,NA有 11个亚型,根据 HA和 NA
的不同组合,A型流感分为多种不同亚型 [2]。
季节性流感疫情主要是由 A型和 B型流感病
毒引起,每年在世界范围内造成数百万人感染并伴
有严重症状以及近 50万人死亡。由于 RNA病毒缺
少基因修复机制,以及分节段 RNA基因组决定了
流感病毒的高重组率和高突变率,流感病毒每隔
3~5年就会产生新毒株取代旧毒株,因此,流感的
生命科学 第26卷944
防治成为当今社会最为关注的公共卫生问题之一。
目前,季节性流感疫苗主要为灭活三价流感疫苗和
三价冷适应活毒疫苗,两者属于传统流感疫苗,都
由两种 A型流感病毒 (H1N1、H3N2)和一株 B型
流感病毒组成。传统流感疫苗虽然在一定程度上保
护广大民众不受季节性流感的威胁,但其有效性取
决于疫苗组分和流行毒株的匹配程度,只能对相匹
配的毒株起保护作用,这远远不足以应对不断变异
的新型毒株。因此,新型流感疫苗的研制成为当务
之急。
2 新型流感疫苗
近 20年来,新型流感疫苗的主要研究目标是
实现流感疫苗的广谱性 (或称通用性 ),即一种疫
苗可应对不断变异的多种流感毒株,同时提高疫苗
的有效性及安全性。广谱流感疫苗的研究关注 3个
靶点 [3]:(1)M2e,即流感病毒膜蛋白M2的胞外部分,
M2是流感病毒表面的离子通道,保守性较好;(2)
核蛋白 (NP),NP是细胞内 CTL反应的主要靶抗原,
激活 T细胞反应,拮抗不同流感毒株;(3)血凝素
(HA),HA有较好的免疫原性,是流感病毒表面唯
一能刺激机体产生中和抗体的蛋白。Pica 和
Palese[2]研究表明,M2e免疫原性较弱,且提供的
交叉保护不全面;NP主要诱导特异性 T细胞免疫
反应,与M2e特异性抗体一样,都不能在感染早
期直接作用于病毒从而有效控制感染;而 HA诱导
的中和抗体能够在感染的第一时间作用于病毒,与
病毒结合,抑制病毒入侵细胞。因此,中和抗体是
抗病毒免疫的首要因素,HA也因此成为流感基因
工程亚单位疫苗的首选抗原基因。以下就基于 HA
的多种新型通用型流感疫苗研究进展作具体介绍。
2.1 HA及广谱性中和抗体
HA由流感病毒基因片段 4编码,以同源三聚
体的形式跨膜存在于病毒的双层类质膜。成熟的
HA由 3个非共价结合的 HA蛋白单体组成,外观
像蘑菇,分为头部 (head) HA1和茎部 (stalk) HA2。
HA head表面有与神经氨酸结合的受体结合位点 [3],
与流感病毒和细胞膜受体结合有关,有较强的免疫
原性,刺激机体产生免疫反应,但有较高的突变率。
HA stalk 羧基末端的疏水区穿过双层类质膜,将
HA分子嵌在膜上,参与流感病毒与细胞膜的融合 [4]。
HA stalk保守性较好,在不同亚型的流感病毒之间
有 85%的同源性,而在同一亚型不同毒株之间同
源性更高 [5]。根据 HA stalk的差异,A型流感病毒
分为两组 (Group),即 Group 1和 Group 2 [2]。HA
stalk 亦可刺激机体产生中和抗体,但由于 HA stalk
免疫原性较弱,一般情况下流感感染或疫苗接种都
不能有效诱导机体产生针对 HA stalk的中和抗体,
但不同亚型的流感病毒刺激或多次感染,可激发
HA stalk特异性中和抗体 [6]。
近年来,广谱中和抗体的发现为新型流感疫苗
的研究提供了新策略。大部分广谱中和抗体针对
HA stalk,与 HA stalk区域的识别位点结合,影响
HA在膜融合时的构象改变,从而阻止流感病毒侵
入细胞。C179是第一个被发现的流感病毒广谱性
中和抗体 [7],最初发现 C179可以中和 H1和 H2亚
型流感病毒,后来又被证明可以中和 H5、H6、H9
等亚型 [8]。CR6261、F10、12D1、CR8020、FI6 [8-9]
等抗体可以中和 A型流感多个不同亚型的毒株。
CR6261和 F10识别相同的中和表位,可以中和
Group1中 H1、H2、H5、H9亚型。12D1和 CR8020
可以中和 Group2中的多个亚型的病毒。而 FI6既
可以中和 Group1亚型病毒,也可以中和 Group2亚
型病毒。另外,CR9114 [10]不仅中和 A型流感病毒,
而且中和 B型流感病毒,是至今发现的最广谱中和
抗体。以上为针对 HA stalk且具有中和效应的重要
的单克隆抗体,而 HA head诱导的交叉保护性单克
隆抗体为数不多。5J8、65C6、S139/1[11-13]为针对
HA head的广谱中和抗体,其中 5J8中和几乎所有
H1亚型病毒,65C6中和H5亚型大部分毒株;ELISA
检测发现 S139/1能够识别 H1、H2、H3、H5、H9
及 H13亚型的 HA,并且对 H1、H2、H3、H13等
亚型具有中和作用,被动免疫 S139/1抗体对小鼠
亦有保护作用。由于广谱中和抗体的滴度较低,先
前没有被发现或重视。目前,研究者可采用不同策
略和方法诱导机体产生流感病毒特异性广谱中和抗
体,为通用型流感疫苗研究成功带来希望。
2.2 基于HA的蛋白疫苗
Johansson 等 [14]将流感病毒 HA和 NA纯化蛋
白分别免疫小鼠,发现只有 HA免疫组有保护效果,
而 NA免疫组只能缓解症状。Wang 等 [15]用人工合
成的 H3 亚型 HA stalk肽段 LAH (含 57个氨基酸 )
免疫小鼠,初免为 25 µg LAH加弗氏完全佐剂,3
周后同样剂量 LAH加弗氏不完全佐剂加强免疫,
成功诱导小鼠产生广谱中和抗体,并在一定程度上
保护小鼠免受不同流感病毒的感染。Bommakanti
等 [16]用大肠杆菌表达基于 H3N2 HA2的蛋白,以
较低剂量 (1 µg)免疫小鼠,即可拮抗同源病毒的感
王 祥,等:基于血凝素(HA)的新型流感疫苗研究进展第9期 945
染。Krammer 等 [17]用表达 H9 head和 H1 stalk 的嵌
合 HA cH9/1质粒 DNA免疫小鼠,然后用杆状病毒
系统表达不同流感亚型 HA head的嵌合 cH6/1和
cH5/1蛋白先后两次加强免疫小鼠,产生针对 HA
stalk的广谱中和抗体。2014年, Kramme等 [18]研
究显示,将 H3 stalk和 H4、H5的 HA head组成嵌
合HA (cH4/3、cH5/3),先用表达 cH4/3的DNA初免,
然后用杆状病毒系统表达的 cH5/3蛋白加强免疫,
之后用 H3全长 HA蛋白加强免疫,免疫小鼠对
H7N9攻击感染具有保护作用。该研究表明,这种
免疫策略诱导产生针对 HA stalk的中和抗体。H3
和 H7同属 Group2,两者的 HA stalk 具有较大同源
性。Wang等 [19]研究发现,将 H5亚型流感病毒
HA上的糖基化链修剪后得到寡聚糖基 HA,可刺
激机体产生更强的抗体反应和中和同源流感病毒的
能力。Chen 等 [20]进一步探讨去掉 HA表面的糖基
后能否诱导更强的免疫反应,结果表明,表达带有
寡聚糖基的 HA免疫效果最好,因此,改变 HA表
面的糖链长度可作为研发新型流感疫苗的一个新策
略。在临床应用方面,2013年 1月,美国食品和药
品监督管理局 (FDA)批准了由昆虫杆状病毒表达的
三价流感疫苗 flublock上市 [21],这是第一种基因工
程流感疫苗,该疫苗成分为三种流感病毒的 HA蛋
白,其生产过程完全脱离传统流感疫苗所需的 SPF
鸡胚。
2.3 基于HA的腺病毒载体疫苗
重组腺病毒载体是目前最有应用前景的疫苗载
体之一。腺病毒载体具有高表达外源基因、普遍感
染性 (感染分裂细胞和非分裂细胞 )。同时,还具
有诱导体液免疫和细胞免疫、无需添加佐剂、安全
性好、易于制备等特性,被广泛应用于预防性和治
疗性疫苗的研究。近年来,基于腺病毒载体表达
HA的新型流感疫苗研究取得显著进展。Kim 等 [22]
研究发现,重组腺病毒表达 HA head通过黏膜免疫
诱导小鼠产生针对 HA的高水平 IgG和 IgA,对同
源流感病毒的攻击感染有完全保护。Wei 等 [23]采用
表达 HA的质粒 DNA初免,然后用灭活三价流感
疫苗或表达 HA的人腺病毒 5型载体 (AdHu5-HA)
加强免疫,分别在小鼠、雪貂、非人灵长类动物中
诱导出广谱中和抗体。该实验室另一项研究显示,
通过低剂量流感病毒或者 AdHu5-HA预感染,然后
用表达 HA的人腺病毒 28型载体 (rAd28) 免疫,3
周后再用 AdHu5-HA加强免疫,小鼠和雪貂都能诱
导产生广谱中和抗体 [24]。因此,感染流感病毒的动
物通过不同型腺病毒载体多次免疫后可产生广谱中
和抗体。这一结论使体内流感病毒的预存免疫可能
影响流感广谱中和抗体的产生这一担心变得多余。
Peters 等 [25]在腺病毒载体 AdHu5上同时表达 HA
和 TLR3配基,在人体中可诱导较强的 B细胞和 T
细胞免疫反应。此外,腺病毒载体的结构蛋白
Hexon区域可将外源基因片段展示于病毒表面,诱
导更强的免疫反应。因此,腺病毒载体采用不同策
略表达 HA或修饰后的 HA,诱导机体产生广谱中
和抗体,从而拮抗多种流感病毒感染。
2.4 基于HA的重组痘病毒载体疫苗
重组痘病毒载体具有较好的免疫原性,并且可
以装载长达 25 kb的外源基因,重组痘苗载体在人
体细胞中不复制,表达稳定,安全性较好,因此,
该载体被广泛应用于新型疫苗研究。Gocnik 等 [26]
用重组痘苗病毒表达流感病毒嵌合 HA 的痘苗病毒
KG-11 (cH1/3)和 KG-12 (cH3/1) ,以 106 PFU经腹
腔免疫小鼠,间隔两周后加强免疫,产生针对 HA2
的中和抗体,并对同源流感病毒低剂量攻击感染产
生保护;将分离的相应血清被动免疫小鼠,亦可在
一定程度上保护小鼠,并使感染异源流感病毒的小
鼠提前恢复健康。Hessel 等 [27]发现用痘苗病毒载
体MVA表达 H5N1 HA,以 106 PFU分别在第 0和
21天肌肉免疫小鼠两次,可产生针对不同 clade
H5N1的交叉免疫保护。该实验室用痘病毒 MVA
表达流感病毒的保守抗原基因,发现表达 NP和
HA stalk融合蛋白的重组痘病毒,在第 0、21天以
106 PFU肌肉免疫小鼠,免疫动物可抵御 H5N1、
H7N1及 H9N2等病毒致死剂量的攻击 [28]。
2.5 基于HA的重组杆状病毒载体疫苗
自杆状病毒被发现可以感染哺乳动物细胞并能
携带外源基因后,被发展为一种新型的重组病毒载
体用于基因治疗和疫苗研究 [29-30]。Prabakaran 等 [31-33]
研究发现,流感病毒 H5N1 HA可在杆状病毒表面
表达,用展示 HA的杆状病毒和灭活全病毒 H5N1,
并以霍乱毒素作为佐剂,分别通过鼻腔免疫小鼠,
第 28天后以相同方式加强免疫,发现相同剂量的
杆状病毒比灭活全病毒诱导更高水平的特异性中和
抗体,并且,免疫小鼠对 10LD50流感病毒的攻击
感染产生 100%保护。他们又发现,活杆状病毒通
过口服免疫小鼠,第 7和 21天分别加强免疫,即
使不加佐剂,也能诱导较高滴度的交叉保护性中和
抗体,保护小鼠不受致死剂量 H5N1的攻击。通过
对 H5N1病毒 HA中和表位的分析,获得三种疫苗
生命科学 第26卷946
株,覆盖 H5亚型所有毒株的中和表位,将这三株
HA克隆至杆状病毒载体,然后将三种灭活杆状病
毒和佐剂混合后皮下注射免疫小鼠,可诱导广谱中
和抗体。同时,混合杆状病毒可以对同源或异源毒
株有 100%保护效果。
Chen 等 [34]分别构建将 H5N1 HA展示于病毒
外壳的杆状病毒 Bac-HA64、哺乳动物细胞内源性
表达 HA的杆状病毒 Bac-CHA,以及既在病毒外壳
展示又可内源性表达 HA的杆状病毒 Bac-CHA/
HA64,以 109 PFU剂量经不同免疫方式 (肌肉注射、
皮下注射、鼻腔吸入 )免疫小鼠,于 2周和 4周加
强免疫,发现肌肉免疫 Bac-CHA/HA64可诱导强烈
的免疫反应。Chen等 [35]进一步将杆状病毒表达
HA基因的 CMV启动子替换成更强的 CAG,在
HA两端添加MHC-I信号肽和MHC-I的 trafficking
结构域,并在修饰后的 HA基因后添加提高目的蛋
白表达的顺式增强原件WPRE,不仅能提高蛋白的
表达量,同时增强免疫后诱导的体液免疫和细胞免
疫反应。
2.6 基于HA的DNA疫苗
20世纪 90年代初,Tang 等 [36]发现将表达外
源蛋白基因的质粒 DNA直接免疫小鼠,不仅可以
检测到目的蛋白,而且可以产生相应蛋白的特异性
抗体。自首次报道以来,DNA 疫苗发展迅速,并
且越来越成熟。DNA疫苗的免疫原性可以通过添
加适合的佐剂或选择适合载体进一步提高。由于质
粒 DNA非常稳定、制备简单、使用方便等特点,
DNA疫苗载体被广泛应用于包括流感疫苗在内的
多种新型疫苗研发。Chen 等 [37]构建了一系列分别
表达 H5N1的 HA、NA、NP、M1、M2基因的质
粒 DNA,然后用电击方法免疫小鼠,剂量为 50
µg,免疫 5次,然后用 5 LD50同源病毒攻击感染,
发现表达HA、NA的质粒可以对小鼠产生完全保护。
Zhou 等 [38] 用质粒 DNA 表达 3 个 clade 的 H5N1
HA组成三价 DNA流感疫苗,分别在第 0、28、56
天以相同方式肌肉免疫小鼠,诱导产生针对 H5亚
型所有 clade的广谱性中和抗体,并且发现主动免
疫和被动免疫都能保护小鼠不受其他 clade H5N1病
毒致死剂量的攻击。Wang等 [9]研究发现,表达 H3
亚型流感病毒 HA的质粒 DNA多次免疫小鼠,亦
可产生广谱中和抗体,被动免疫亦有保护作用。另
外,DNA疫苗初免结合腺病毒载体疫苗加强免疫,
或者 DNA疫苗初免,并结合灭活疫苗或活病毒疫
苗加强免疫,效果优于单一成分的免疫,包括可诱
导更强的广谱中和抗体 [23, 39]。
2.7 基于HA的病毒样颗粒疫苗
病毒样颗粒 (virus-like particle, VLP)是由某种
病毒的一个或多个结构蛋白自发组装形成模拟病毒
粒子形态结构的纳米级蛋白复合物。VLP以天然构
象的形式展示病毒颗粒的表面抗原,免疫原性优于
病毒单体蛋白,而且,制备流程中无活体病毒复制
过程,也不含病毒基因组,因而较其他类型的疫苗
有更高的安全性。Bright 等 [40]研究发现,由杆状病
毒表达系统表达 H5N1 HA、NA和 M1构成 VLP
疫苗免疫小鼠,可刺激产生针对 HA的高滴度中和
抗体。Steel 等 [41]将 HA head基因替换成串联甘氨酸
G的 linker,获得 headless HA,克隆成质粒 DNA,
同时将 headless HA与 HIV Gag一起包装成 VLP,
分别于第 0、21天以 DNA疫苗免疫小鼠,第 56天
时用含有弗氏佐剂的 VLP加强免疫,能部分保护
小鼠抵御同源病毒致死剂量的攻击。Flock House
Virus 表达广谱中和抗体 CR6261的中和表位,形成
VLP,免疫小鼠后产生类似 CR6261的抗体,但是,
这些抗体不足以有效保护小鼠免受流感病毒的攻击
感染 [42]。2013年,H7N9 在中国流行后,研究人员
设计杆状病毒表达 H7N9 HA/NA抗原表位及 H5N1
M1基因,构成新型流感 VLP疫苗,免疫小鼠可诱
导产生完全的保护作用,而表达 H5N1 HA的 VLP
对照组,其保护率为零 [43],提示单一HA诱导的中和
抗体保护性有限。另一项研究中,Klausberger等 [44]
分别设计了 H7N9上海株 (A/Shanghai/1/13)和安徽
株 (A/Anhui/1/13) HA 的 VLP 和只表达 H3N2 M1
的 VLP对照组,发现 0.03 µg的 HA VLP蛋白即可
使免疫小鼠完全抵抗 100 LD50 H7N9病毒的攻击感
染,并且,单次免疫和两次免疫的小鼠都诱导产生
针对 Group 2其他亚型 (H3、H15)的交叉抗体。流
感病毒 HA2具有较好的保守性,并能诱导广谱中
和抗体,因此,HA2和其他抗原分子或模式识别受
体组成的 VLP成为新型流感疫苗研究的热点。
3 展望
HA是流感病毒表面免疫原性最强的抗原,诱
导保护性中和抗体,一直是研发流感疫苗的关键抗
原。近年来广谱中和抗体的发现使血凝素受到更多
的关注。研究人员将 HA进行多种修饰作为免疫原,
如删除 HA的头部,或去除 HA茎部片段,或设计
嵌合 HA,或对 HA寡聚糖基进行修饰;采用各种
活病毒载体、DNA载体、VLP等系统表达修饰 /
王 祥,等:基于血凝素(HA)的新型流感疫苗研究进展第9期 947
未修饰的 HA,并采用不同的免疫策略如“初免 -
加强”等,甚至与流感病毒或传统流感疫苗联合使
用,刺激机体产生广谱中和抗体,从而获得广谱的
免疫保护效果。以上各种尝试为新型流感疫苗的研
制奠定了坚实基础,并进一步确定诱导广谱且高效
价中和抗体作为新型流感疫苗的研究方向。相对于
其他蛋白表达系统,以 VLP表达系统制备的疫苗
具有表达量高、免疫原性强、工艺成熟、制备相对
简单、安全性高、副作用小等优点,因此,VLP系
统表达修饰后的 HA,并通过初免-加强免疫方式
诱导广谱中和抗体可能是目前最有希望的通用型流
感疫苗发展策略。随着对流感病毒致病机理、宿主
免疫反应的深入了解,以及依托迅猛发展的现代生
物技术,我们有理由相信战胜不断变异的流感病毒
的新型疫苗终将研制成功。
[参 考 文 献]
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