保护性免疫抗击非典亚单位疫苗候选人基于峰值蛋白质:冠状病毒疫苗发展的教训

文摘

最近爆发的新型冠状病毒病,COVID-19,凸显了高致病性冠状病毒的威胁对全球卫生安全和迫在眉睫需要设计一个有效的疫苗预防的目的。虽然几次已经开发疫苗出现以来,人类冠状病毒感染严重急性呼吸系统综合症冠状病毒(冠),2003年还没有可用的许可的疫苗。更好的理解以前的冠状病毒疫苗研究可能有助于设计一个新出现的病毒的疫苗,SARS-CoV-2,可能还包括其他致病冠状病毒作为一个潜在的通用流感疫苗。一般来说,冠状病毒飙升的主要抗原蛋白疫苗的设计,因为它可以诱导中和抗体和免疫保护。通过考虑高冠之间遗传相似性和SARS-CoV-2,这里,保护性免疫力冠飙升亚单位疫苗候选人在动物模型综述了获得进步,可以促进冠状病毒疫苗的发展在不久的将来。

1。介绍

2003年以前,人类冠状病毒只导致感冒,但目前,21三个暴发的原因^圣世纪:2003严重急性呼吸系统综合症(SARS), 2012年中东呼吸综合症(即),和2019年冠状病毒病(COVID-19) [1]。新出现的病毒,名叫SARS-CoV-2首次被发现在2019年12月,在很短的一段时间,它被宣布为全球大流行。2020年6月2日,病毒的传播已经在213个国家和总确诊病例攀升至610万,376000多人死亡2]。尽管许多试图开发一种疫苗人类冠状病毒感染,还没有商业疫苗。安全注意事项和广泛的多样性的程度抗原变异的潜在原因,限制了冠状病毒疫苗研发(3]。

冠状病毒RNA病毒包膜积极意义,寄主专一性的和可以感染人类和许多动物(4]。核苷酸替换被提出了病毒进化的最重要机制之一,它不一定是令人惊讶的RNA病毒是一个显著地发展人口在短时间内,有不同的变体(5,6]。冠状病毒是系统分为四个主要属:Alphacoronavirus,Betacoronavirus,Gammacoronavirus,Deltacoronavirus,所有三个人类属于高致病性的冠状病毒Betacoronavirus属。所有的流行病学、病理生理学和免疫学研究,已经完成Betacoronaviruses可能阐明SARS-CoV-2的理解。这个新出现的病毒基因比即接近冠冠状病毒的存在380个氨基酸替换不同的编码蛋白(7- - - - - -9]。因此,以前的进步发展中冠疫苗可以利用设计疫苗不仅对当前COVID-19大流行,而且其他高致病性冠状病毒,所谓的通用流感疫苗。这种疫苗可以有效对抗所有的病毒株对守恒的抗原由于cross-protective免疫力。此外,引起广泛的免疫力可以防止人类感染的时候新兴小说的病毒株。

灭活病毒和亚单位疫苗技术已经被用于开发冠疫苗。不活跃的病毒策略受到安全方面的考虑,需要大量致病性病毒直接在疫苗制备过程。相比之下,亚单位疫苗,只有依赖于抗原的利益利用重组技术被认为是一个更可靠和安全的技术。然而,低免疫原性可能是一个缺点在亚单位疫苗开发由于贫困呈现抗原的免疫系统或不正确折叠,但是可以参与疫苗佐剂提高免疫反应和免疫原性(10]。另外,各种病毒蛋白诱导免疫反应的知识将有利于亚单位疫苗制剂(11]。冠状病毒的基因组包含数量可变的开放阅读框编码辅助蛋白质,非结构蛋白和结构蛋白(12]。大多数抗原肽位于结构蛋白(13]。表面糖蛋白(S),一个小信封蛋白质(E)、基质蛋白(M),和核衣壳蛋白(N)是四个主要的结构蛋白。自S-protein有助于细胞趋向性和病毒入口,也可以诱导中和抗体(NAb)和保护性免疫,它被认为是最重要的目标在冠状病毒疫苗发展在所有其他结构蛋白(3,14- - - - - -17]。此外,氨基酸序列分析表明,S-protein包含守恒的地区在冠状病毒,这可能是通用流感疫苗发展的基础(18,19]。本文回顾了体内保护性免疫的冠S-protein候选疫苗提供一个免疫学证据基础,有助于冠状病毒疫苗发展的未来。

2。搜索策略和选择标准

参考本文通过搜索发现斯高帕斯和PubMed的文章发表在2003年至2020年之间,使用组合的术语“严重急性呼吸系统综合症”,非典,冠,菌苗 ,immuniz ,immunis ,innocul ,开发 ,设计 ,免疫原性和免疫反应。“文章表明体内保护性免疫的研究已经从搜索结果中选择。最后参考列表生成基于此选择和相关文章的副标题的综述,强调了冠状病毒疫苗免疫证据基础开发和提供建议的限制。

3所示。冠状病毒突起蛋白:通用流感疫苗发展前途的免疫原

的三音步的S-protein冠状病毒的病毒颗粒的皇冠形状的原因,从病毒的名称是(20.]。这个结构蛋白属于类病毒融合蛋白和扮演着重要的角色在细胞受体结合,主机组织趋向性和发病机理。S-protein S1 / S2现场裂解宿主细胞蛋白酶在感染。裂后,蛋白质分为一个S1-ectodomain承认同源细胞表面受体和S2-membrane-anchored蛋白质参与病毒入口(21]。S1-protein包含一个受体结合域(RBD),也认识到血管紧张素转换酶2 (ACE2)的一个主要受体在主机22]。遏制RBD包含受体结合主题,使所有联系人ACE2与RBD的核心,主要是守恒的冠状病毒(21,23]。绑定的RBD ACE2受体引起S2构象变化(24]。S2包含membrane-anchoring,融合肽,两个七个重复域(HR1上和的HR2),起着关键作用的病毒装配和条目(图1)[25- - - - - -27]。基于S-protein研究表明,疫苗能引起免疫系统诱导体液和细胞反应和保护接种动物SARS病毒的挑战(表1)[17,28- - - - - -32]。

一般来说,疫苗研发的病原体抗原的变化速率高的表面抗原,如冠困难和复杂是因为疫苗逃脱变异的出现。因此,识别S-protein守恒的抗原决定簇,从而诱发cross-protective免疫反应,可能影响发展的一个有效的疫苗致病性冠状病毒。有有限数量的SARS疫苗研究基于守恒的潜在的保护性免疫的抗原不评价。例如,张等人发现了一个高度保守的抗原决定簇在S2(氨基酸803年至828年)通过使用康复的SARS患者血清能诱导S2-specific抗体体外中和活动对冠pseudovirus [33]。其他实验室结果表明,肽的HR2地区的S2域可以阻止冠感染体外(34,35]。然而,潜在的保护不是由挑战实验,评估和进一步的调查也需要检查体内中和活动和cross-protective这些抗原的免疫广泛的免疫反应。此外,最近的基因组分析透露,S2和RBD SARS-CoV-2的核心领域是高度保守的,支持通用流感疫苗的概念设计(8,9,18,36- - - - - -38]。值得注意的是,功能性网站S2域可能埋在S1的原生状态的病毒结构,它可能影响的可访问性的S2抗原免疫系统尽管这种屏蔽作用,T细胞免疫反应到S2域已经完全恢复SARS患者报告的显示,它可以是一个候选抗原冠状病毒疫苗研发(39]。此外,应采取额外的谨慎设计专门针对S2域是疾病严重程度的疫苗可以通过提高病毒融合增强宿主细胞在感染的早期阶段激活前诱发的免疫反应(40,41]。

4所示。冠状病毒疫苗接种后免疫反应需要什么?

根据临床研究,我们可以了解患者的免疫系统对冠状病毒(42,43]。一般来说,病毒感染会回应体液和细胞反应,之后将由先天免疫系统的适应性免疫反应。后者由B细胞产生抗体和T细胞,杀死病毒感染细胞和诱导记忆反应(44]。一般来说,小伙子的关键因素是保护人类和动物模型从冠状病毒感染17,28,45]。血清SARS患者显示抗体的存在冠年代,M, E, N蛋白,但NAb只是引起S-protein [46]。尽管anti-N抗体存在于SARS患者血清在高层和持续很长一段时间(30周后感染),重组n蛋白不能产生可检测NAb在兔子中和冠感染(11]。此外,缺乏抗体生产对S-protein冠患者感染致命的结果报道强调S-protein NAb的至关重要的作用在SARS免疫力47]。从623年SARS患者的血清抗体能够中和病毒包含S-protein从四个不同的冠状病毒,这表明这些抗体的潜力大48]。SARS-CoV-specific小伙子高峰在4个月之后,随着时间的推移逐渐下降,表明减少记忆B细胞对病毒(46,49- - - - - -51]。

另一方面,CD8记忆T细胞可以持续至少6年SARS患者从感染中恢复过来。这些T细胞能够识别和消除患者的肺部感染细胞。而记忆B细胞响应,因此小伙子是短暂的非典病人,产生长期记忆T细胞反应是重要的,它可以是一个互补的策略在SARS疫苗设计(46]。有趣的是,在冠CD8 T细胞抗原表位来自不同的结构蛋白,大多数肽属于S-protein [52]。在临床研究的第一阶段中,截断S-protein DNA疫苗生产的细菌细胞诱导SARS S-protein特异性T细胞反应在所有科目和NAb反应中发现80%的人(53]。S-protein DNA疫苗诱导CD4和CD8 T细胞反应和S2片段编码氨基酸681 - 980引发特定的细胞毒性T淋巴细胞(CTL)反应在动物模型41,54]。在另一个临床前研究中,S-protein特异性CD8记忆T细胞可以保护小鼠免受病毒致命的挑战没有小伙子,表明保护引起了CD8记忆T细胞(55]。此外,先天免疫反应特异表达,冠的发病机制是一个关键因素可以通过强大的T细胞反应(否定56]。随后,细胞免疫反应的诱导是疫苗制剂的目标,因为它在抗病毒免疫中起着重要作用[53,55,57,58]。

此外,研究表明,粘膜免疫反应由分泌IgA也将是重要的预防冠状病毒感染(45]。因此,鼻内(在)免疫可能是更可取的途径产生肺记忆T细胞和IgA特别。然而,在免疫产生当地上呼吸道免疫力但不是在下呼吸道病毒复制,减少肺病毒效价低于执行肌内(IM)路线(59]。所以,粘膜免疫反应本地化设计时应考虑冠状病毒疫苗。最终,未来的冠状病毒疫苗应该强调的生成系统和粘膜记忆T细胞反应和诱导长寿NAb对S-protein最佳的保护和病毒在感染的时间间隙。此外,cross-protective免疫的目标需要考虑冠状病毒通用流感疫苗的设计。

5。体内保护性免疫的冠Spike-Based候选疫苗

在这篇文章中,重组S-protein-based疫苗,包括全身或片段疫苗、dna疫苗,病毒诱导保护性免疫的基于矢量的疫苗在动物模型(表1)。

5.1。蛋白质疫苗

全身S-protein疫苗能够诱导的免疫反应产生的抗体介入疾病增强(正面),会导致炎症和肝损伤或提高感染后受到挑战与冠在动物模型(60- - - - - -63年]。另一方面,它已被证明了的碎片S-protein,比如截断S-protein或RBD,拥有巨大的潜力来是有效的候选疫苗抗击非典,没有有害的免疫反应的证据(28,64年,65年]。在一些研究中,杜和他的同事们提出冠RBD片段免疫原,可以产生高滴度的逮捕和保护性免疫小鼠无免疫病理损害一个挑战与病毒(17,66年,67年]。政府冠重组多肽的氨基酸(14 - 762)引起NAb在老鼠和保护动物与冠上、下呼吸道感染。这种蛋白质片段包含RBD地区以及immunodominant中和抗原表位(31日,68年,69年]。

获得高表达与生物功能RBD经济和方便,193个氨基酸的RBD (RBD - 193)残留318 - 510,表达不同的系统:哺乳动物细胞293 t (rbd193 - 293 t)和中国仓鼠卵巢K1 (RBD193-CHO-K1),昆虫细胞Sf9 (RBD193-Sf9),大肠杆菌(RBD193 - Ec) (28,70年]。蛋白质表达的各种RBD除了RBD193-CHO-K1诱导完整的防范病毒免疫小鼠的挑战。病毒复制中检测出两个五个老鼠与RBD193-CHO-K1接种疫苗。有趣的是,通过添加26的C末端氨基酸RBD193同时表示在同一CHO-K1细胞系(RBD219-CHO-K1),全面保护冠挑战是观察到由于RBD-specific高滴度抗体生产。扩展可能影响RBD结构更多的免疫原性或更稳定的构象,从而引起更强的诱导保护性抗体RBD193-CHO-K1相比在动物模型。细胞免疫反应也RBD193-CHO-K1和RBD219-CHO-K1接种小鼠中发现28,70年]。虽然表达的哺乳动物RBD引起了昆虫和更强的NAb反应比表示大肠杆菌,杜和他的同事们提出任何免疫原引起的血清NAb浓度> 1:500年接种小鼠将足够有效的保护。所以RBD193-Sf9 RBD193-Ec也被视为有效的疫苗病毒的挑战在小鼠中值> 1:700血清NAb浓度(28]。一般来说,昆虫和大肠杆菌表达系统生产成本较低生产率高的利率相比,哺乳动物细胞表达系统,这使他们更可行的疫苗生产质量(71年,72年]。

作为亚单位疫苗可能代表低免疫反应、佐剂、免疫增强剂可用于增加免疫原性,帮助更好的免疫原的免疫细胞。重组病毒样颗粒(车牌区域)已被证明是一种有效的免疫增强剂为外国抗原疫苗开发和交付系统。重复的抗原模式表面会导致更强和更广泛的外国抗原诱导免疫反应是纳入车牌区域(73年,74年]。刘等人开发的候选疫苗SARS S-protein车牌区域与冠状,形态和大小相似的IM免疫疫苗保护100%的接种小鼠死亡和显著降低肺病毒效价(59]。同样重要的是,要关注结构性变化后可能会降低免疫原性的免疫原佐剂疫苗发展的影响。在一项研究中,金纳米粒子(AuNPs)包含S-protein显示弱保护能力对冠挑战与对照组相比,因为低诱导特异性免疫球蛋白和NAb,这可能与S-protein结构性变化在绑定AuNPs (63年]。

在呼吸道感染非典,血清和肺免疫反应都是重要的,它已被证明,依靠系统响应可能不足以减少冠状感染主机(55,75年]。粘膜免疫提供了几个优势抗原交付的其他路线,包括方便,成本效益和感应本地和系统性免疫反应(64年,76年]。一项研究表明,只有在免疫接种的老鼠通过截断S-protein protollin佐剂诱导抗原IgA反应肺灌洗液都在和IM政府疫苗引发类似的系统响应。收集的血清免疫球蛋白对冠能够拥有强大的保护活动,但在小鼠的肺病毒效价低得多的疫苗与IM路线相比,有一个定性的IgA的水平之间的相关性,在动物的肺病毒效价。IM免疫开发一个高水平的血清抗体但不是检测与肺病毒效价高于黏膜IgA路线强烈显示粘膜非典免疫反应的重要作用[77年]。

5.2。DNA疫苗和病毒基于矢量

数量的DNA和对冠状病毒载体疫苗已经被探索。DNA疫苗编码长篇SARS S-protein诱导NAb T细胞反应和刺激保护性免疫(78年]。同时,S-protein-based DNA疫苗编码转录后的增强剂(pCI-WPRE-S)不仅提高了小鼠的免疫原性,而且减少DNA疫苗在接种量。10μg疫苗引起NAb的反应相当于25μ克杨等人codon-optimized向量(78年,79年]。在剂量疫苗甚至低至2μg保护免疫动物对挑战感染(79年]。这个修改DNA疫苗可以减少风险的自身免疫反应或外源DNA整合到宿主基因组(80年]。S-protein DNA疫苗能引起SARS-CoV-specific CD4 T细胞反应在所有测试个人和CD8 T细胞反应,20%的受试者。另外,在艾滋病毒DNA疫苗的临床试验之前,埃博拉,西尼罗河病毒,特定疫苗CD4 T细胞反应被发现在几乎所有的科目,而可衡量的CD8 T细胞反应的频率从7%变化到64%53,81年- - - - - -83年]。这方面的DNA疫苗诱发免疫将需要额外的考虑而设计一个冠状病毒的DNA疫苗。

病毒活载体疫苗不包括完整的病原体,他们有资格诱导粘膜体液免疫反应可能不容易发生DNA或蛋白质疫苗(84年,85年]。疱疹性口炎病毒(VSV)和人类副流感病毒的病毒,一种常见的呼吸道病原体对人类而言,冠年代表达蛋白质,都是保护在动物模型中对冠(86年,87年]。然而,任何病毒载体疫苗基于常见的病原体人口会带来显著的存在疑虑免疫力之前,这可能会限制复制的病毒载体免疫模型和减少免疫原性(88年,89年]。鸡新城疫病毒(NDV)是另一个抗原的病毒载体不同于一个共同的人类病原体,和其自然宿主是鸟类。值得注意的是,接种的呼吸道非洲绿猴(AGM)重组NDV编码SARS S-protein足够保护挑战高剂量的冠。接种两种结构的NDV (NDV-VF / S或NDV-BC / S)导致血清NAb的效价等于或超过副流感病毒构建免疫结果(87年,90年]。小鼠免疫与修改牛痘病毒包含S-protein安卡拉(MVA-S)发达NAb和表现出很少或没有复制SARS浸在上下呼吸道接种后没有明显的疾病(91年]。然而,NAb反应在雪貂MVA-S没有保护动物,但产生强烈的正面效应(60,61年]。作为S-protein dna疫苗、MVA-S和现场冠证明重要的保护性免疫小鼠,小鼠不同的复制动力学冠和雪貂的最可能的原因这两个动物的保护效果的差异(61年,78年,91年,92年]。因此,应采取额外的谨慎在SARS疫苗的人体试验提出由于免疫和病毒感染的潜在的肝损伤。

在疫苗接种与腺相关病毒(AAV)编码SARS-RBD诱导强烈的全身体液(免疫球蛋白)和肺体液(IgA)反应中和活动相比我接种疫苗。免疫也保护对冠状病毒感染BALB / c小鼠。令人惊讶的是,AAV-RBD接种诱导较强的CTL反应肺和脾,观察和动物没有正面的迹象。除了低系统相比,接种疫苗抗体反应IM路线,防止病毒的挑战是实现更高。AAV-RBD接种疫苗的保护效果与冠状病毒感染与抗体水平,尤其是肺IgA [45]。因此,相比之下,我的路线,在疫苗接种可能满足多个标准的有效和安全的冠状疫苗。

6。结论

有效SARS-CoV-2疫苗的发展是至关重要的援助我们的公共卫生对当前COVID-19大流行防备。提高了解SARS S-protein候选疫苗的保护性免疫提供免疫学证据为未来的疫苗生产基地。此外,这种审查的证据表明,尽管大SARS病人的突起蛋白抗体,免疫反应有一个深刻的差距cross-protective评价对不同病毒株。现在,是时候直接向通用流感疫苗研发通过关注守恒的免疫原,引起潜在cross-protective免疫力降低全球SARS-CoV-2和其他致病冠状病毒的威胁。这样的研究将包括临床前试验和早期阶段的临床试验来评估疫苗的免疫原性。另一方面,前面的冠状病毒疫苗的研究表明,免疫接种可以经常导致不利影响,如在动物模型。因此,重要的是要清楚地了解冠状病毒疫苗的潜在风险,必须采取额外的谨慎测试设计疫苗在人体试验。一般来说,疫苗接种方案的优化和评价不同的疫苗策略可能有助于改善疫苗安全。

的利益冲突

没有利益冲突。

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