文摘
牛结核分枝杆菌卡介苗(BCG)是唯一可用的疫苗肺结核(TB)。虽然这种疫苗是有效地控制小儿结核病,BCG-induced保护作用对成人肺疾病并没有得到明确的证明。重组BCG (rBCG)技术已被广泛应用于获得更多有效的疫苗免疫原性,和几个候选结核病疫苗目前达到人体临床试验。另一方面,最近的改善进展BCG向量,如密码子优化策略和结合病毒载体提高,使我们能够利用这种细菌在HIV疫苗的发展。在这篇文章中,我们回顾最近rBCG-based疫苗研究的进展可能影响发展的新型疫苗控制全球传染病在不久的将来。
1。介绍
牛结核分枝杆菌卡介苗(BCG)是唯一许可的疫苗已经大大帮助控制结核病(TB)超过80年了。这种疫苗提供~ 80%预防结核脑膜炎和粟粒状的结核病在婴幼儿1]。然而,BCG-induced保护作用对肺部疾病所有年龄变量;升级的全球结核病流行的证据表明疫苗预防肺结核的作用并不明显(2]。最近,分枝杆菌的先进分子生物学和基因组学的研究已经表明BCG基因组不同的突变和缺失与最初的强毒株相比结核分枝杆菌和牛分枝杆菌(3]。有趣的是,有大量不同的基因组DNA甚至在BCG substrains [4,5)会导致生理差异BCG疫苗的人群中。
自1987年在分枝杆菌host-vector系统是(6),重组BCG (rBCG)技术已被广泛应用于各种各样的传染病疫苗的发展,包括细菌、病毒和寄生虫感染除了结核(7,8]。BCG疫苗向量是吸引人的,因为它的广泛的安全记录在人类中,热稳定性,低生产成本,诱导持久1型辅助T细胞(Th1)免疫力,CD8+t细胞触发,辅助活动,可用性在新生儿和粘膜免疫诱导口服。新兴的现状严重的流行病和重现疾病主要发生在非洲和亚洲的发展中国家,一个新的全球疫苗等领域的应该是可以接受的。因此,以卡介苗为基础的的低价格和热稳定性将是可取的。在本文中,我们审查的各种努力发展小说BCG基于矢量的疫苗主要是控制结核病和艾滋病毒/艾滋病。
2。BCG免疫性能的向量
图中概述的BCG免疫反应引起的1。BCG最特征的反应是天生的(非特异性)诱导免疫细胞壁成分通过toll样受体(通常)2和4树突状细胞和巨噬细胞9]。吞噬作用后,BCG被溶酶体酶降解,处理抗原可以提供给宿主免疫系统通过各种途径。DNA片段包含CpG主题可能激活先天免疫通过TLR9识别路线(10]。脂质如霉菌酸了CD1刺激CD1-restricted CD8+T细胞(11]。蛋白质抗原,如由BCG抗原85复杂,引起Th1反应通过演讲主要组织相容性复合体(MHC)二类。这个途径的主要途径是BCG-induced反应和保护性免疫力是必不可少的结核分枝杆菌通过保护细胞因子干扰素(IFN)感染γ生产。另一方面,通过MHC蛋白抗原的处理和表示类我途径也引起BCG-infected抗原呈递细胞(APC)。据Goonetilleke et al。12),免疫BCG-sensitized动物重组MVA牛痘病毒抗原表达85年大大增强了MHC类I-restricted CTL反应抗原85,表明BCG灌注可能是小说类型的启动—提高疫苗。这个BCG免疫的特征向量允许在疫苗中的应用慢性病毒感染艾滋病毒/艾滋病等疾病。此外,强劲的Th1感应BCG将有利于援助的成熟和维护细胞毒性t淋巴细胞(13]。因此,预计BCG向量对目标抗原诱导有效的细胞免疫。
3所示。结核病疫苗
3.1。全球结核病流行的背景
每年全球有170万人死于结核病;有人死于结核病(每19秒14]。尽管结核病治疗协议成立很久以前,最近增加了耐多药结核分枝杆菌感染产生了严重的情况。新疫苗迫切需要消除结核病作为一个公共卫生威胁,应该是全球公共卫生的一项重点工作。结核病是一种疾病,是通过空气在人与人之间传播的。此外,结核病和艾滋病之间的协同作用使这种疾病更危险的,尤其是在撒哈拉以南的非洲国家。例如,据世界卫生组织(世卫组织)2010年全球结核病报告(14),南非在2009年近400000新结核病例的发病率估计每100000人806例;结核病是死亡的主要原因之一,这个国家的成人和儿童。病死率已从1993年的3%增加到2007年的24.3%。死亡率增加的主要原因是南非的并发艾滋病毒流行。南非艾滋病病毒感染的患病率在2009年大约是7%,已减少预防各种努力的结果。结核病是一种常见的机会性感染艾滋病毒感染者中,和60%的新结核病例发生在感染HIV的人也在2009年(14]。我们可以观察到类似的临界情况下周围的国家南非。关于疫苗接种,这种情况引起了担忧的安全使用卡介苗感染艾滋病毒的婴儿,因为10至30%的孕妇在许多撒哈拉以南非洲国家艾滋病病毒感染。
3.2。当前的努力新的结核病疫苗开发
2011 - 2015年遏制结核病全球计划报告15)提供7目标如下:(i)保持健壮的结核病疫苗管道通过支持研究和发现,(ii)进行研究来识别相关的保护和评估新的结核病候选疫苗临床前研究,(3),确保可用性的疫苗生产能力扩大结核病疫苗,生产设施(iv)构建大规模临床试验能力(阶段ii和iii);在结核病流行国家结核病候选疫苗在领域的网站,(v)进行阶段i, ii, iii结核病候选疫苗的临床试验,开发交付(vi),监管,和访问策略新的结核病疫苗,(七)支持通过宣传结核病疫苗开发和吸收,通信和资源动员。所有这些目标都是重要的实现新的结核病疫苗的发展。
疫苗研发的主要目标在2006 - 2015年遏制结核病全球计划为2疫苗概念验证试验,到2010年,1 2015年新的安全疫苗可用。截至2009年,12结核病候选疫苗已进入临床试验。其中,9(表仍在测试1):5是在第一阶段临床试验,2是在二期试验中,和2 IIb阶段概念验证试验(15]。一个疫苗的安全性和有效性产生了估计有针对性的人口感染艾滋病毒。至少6结核病候选疫苗在临床前开发中,并至少21额外的下一代疫苗发现阶段的候选人(15]。如前所述,目前卡介苗和有限变量对结核病的有效性。因此,首选的策略可能会改善BCG利用DNA重组技术,尽管它可能意味着安全问题疫苗接种感染艾滋病毒的人。生产过剩对结核病的保护性抗原BCG (rBCG30)表现出人类增强的免疫原性16]。此外,在BCG listeriolysin基因的表达(rBCG /他+::ΔureC)被证明是更有效的感应TB-specific细胞免疫反应(17]。改善BCG疫苗的另一个策略是提高BCG免疫与蛋白质(18,19)或修改牛痘病毒等病毒载体疫苗安卡拉(MVA)应变20.35[]和腺病毒类型21]。BCG-prime和重组MVA-antigen 85刺激方案22)表现出高效的免疫反应在人类和已经进入了新生儿的第IIb阶段试验。此外,这些策略的三个主要的抗原组合过度繁殖,perfringolysin基因纳入BCG和推动重组腺病毒疫苗开发(23]。然而,它是未知的这些策略是否相关的发展中对成人肺结核疫苗是有效的。需要测试这些候选疫苗是否有效地诱导粘膜免疫和预防肺部疾病。
4所示。艾滋病毒/艾滋病疫苗
4.1。全球艾滋病流行的背景
在2009年,估计有260万人新感染艾滋病毒。这是超过21%低于1997年估计有320万人感染,每年新感染的年见顶。在33个国家,艾滋病发病率的2001年和2009年之间下降了25%以上;22日这些国家在撒哈拉以南非洲地区。这种趋势反映了一种组合的影响因素,包括艾滋病毒预防工作和艾滋病毒流行的自然24]。
虽然高度激活的抗逆转录病毒疗法显然有助于控制艾滋病毒复制感染者[25),几个问题仍有待解决。这些问题包括:(i)以下病毒载量复苏后不久治疗的中断;(2)慢性毒性导致脂质代谢异常和线粒体;(3)耐药病毒增加在长时间的治疗;(iv)长期治疗有致癌的风险(26];(v)昂贵的药物在发展中国家仍难以访问。即使在发达国家,抗逆转录病毒药物的高成本生产一种即将发生的危机在公共卫生政策27]。在这种情况下,虽然新感染hiv - 1的速度逐渐降低,有效的预防疫苗仍急需进一步遏制病毒的传播(28]。尽管已经取得了相当大的进展在HIV疫苗的发展29日,30.),免疫相关的病毒保护尚未完全阐明由于复杂的交互的病毒,免疫,遗传因素(31日,32]。因为众所周知,一些人口HIV-1-infected人不出现疾病进展的hiv - 1复制是由宿主免疫(33,34),有针对性的疫苗免疫原是为了密切模仿持久保护性免疫诱导的长期人类幸存者自然感染(35,36]。由于安全问题,减毒活疫苗HIV疫苗是不实际的。这不可避免地导致艾滋病疫苗发展的趋势成分——和基于矢量的疫苗。
4.2。目前的趋势在艾滋病毒/艾滋病疫苗的研究
第一次大规模功效艾滋病毒/艾滋病疫苗的试验是由美国公司Vaxgen有限公司的转基因表面信封(Env)糖蛋白,gp120疫苗在人类身上测试。虽然疫苗是针对virus-neutralizing抗体诱导有效,三期疗效试验显示其无效(37,38]。gp120疫苗的失败改变了艾滋病毒/艾滋病疫苗研究的趋势从antibody-targeted策略细胞介导immunity-targeted策略。因为hiv - 1导致慢性感染由于其细胞相关特性,尤其是细胞免疫特异性细胞毒性T淋巴细胞(CTL)应该是一个更重要的宿主免疫系统。事实上,免疫缺陷病毒特异性细胞免疫已经建议有效控制病毒复制在病毒感染的自然过程(39- - - - - -41]。基于这些发现,各种疫苗形式,包括活病毒载体和DNA疫苗,被用来引起强烈的CTL和Th1型反应在非人类灵长类动物模型。尽管单一疫苗运载系统有时表现出足够的免疫反应,增加与牛痘病毒等病毒载体疫苗(40,41),腺病毒(42,43],仙台病毒(44在DNA-primed个人强烈的CTL反应放大和有效控制了猴免疫缺陷病毒(SIV)复制。在这样的病毒载体、腺病毒类型5 (Ad5)最强的CTL增强效应,和DNA-prime重组Ad5提高疫苗策略被认为是最有前途的。然而,在2007年,默克公司报道,Ad5重组疫苗表达hiv - 1的呕吐,波尔,Nef抗原不展示任何防护功效IIB阶段临床试验(45]。令人惊讶的是,接种组表现出hiv - 1感染率明显高于安慰剂组(45),这表明重组Ad5免疫增强hiv - 1感染可能有一些未知的影响。因此,我们意识到t细胞疫苗方法可能涉及某些风险和限制;这种模式似乎已经陷入僵局。
2009年9月,有突破性的新闻在泰国RV144大规模功效试验证明减少hiv - 1的部分影响接受者的感染率ALVAC金丝雀(范畴)/ gp120启动—提高疫苗(46]。尽管结果证明效果有限,他们展示了预防艾滋病毒感染的可能性首次主动免疫。此外,尽管没有明显的保护和特异性细胞免疫反应之间的相关性或疫苗接种者的中和抗体水平,更详细的分析总主持人的反应预计在未来。服用蛋白gp120的疫苗配方提高考虑,一些抗体介入反应可能参与这部分保护。另一方面,一种新的T-cell-targeted疫苗还演示了在猕猴研究保护效果。恒河cytomegalovirus-vectored疫苗表达SIV插科打诨,Rev-Tat-Nef Env持续感染恒河猴,影射,SIV-specific CD4保持强劲+和CD8+效应记忆t细胞反应没有中和抗体(47]。该报告表明,T细胞疫苗可能比之前估计的更大的潜力。尽管广泛中和抗体生产的重要性不会改变尽管面临巨大困难,细胞immunity-targeted候选疫苗应该也为证明临床测试的概念。
4.3。BCG-Vectored艾滋病毒疫苗
BCG向量的最实用的优点是其高安全性。除了有效地诱导保护性免疫,hiv - 1疫苗疗法必须证明是安全的,负担得起的,兼容其他疫苗之前,它可以被认为是有前途的39]。在这方面,向量,已经被用于人类没有严重并发症和较低的成本应该用于艾滋病疫苗。卡介苗是一个独特的活疫苗抗原传递向量,因为它容易专业APC呈现给T细胞。因此,这种细菌将艾滋病疫苗发展的一个重要载体。
rBCG早期的研究在1990年代,Aldovini和年轻48]证明了免疫原性rBCG反对转基因小鼠的hiv - 1抗原。我们在rBCG-vectored抗艾滋病疫苗同时独立工作。首先,我们展示了有效对SIV Gag抗原的细胞免疫诱导rBCG向量在恒河猴49,50]。此外,我们克隆细胞外α抗原(85 b)抗原基因来自波士顿咨询公司(51),分枝杆菌kansasii(52),并建立了一个外国抗原分泌系统在分枝杆菌(53]。根据这个系统,我们广泛评估几个rBCG构造候选艾滋病疫苗和报道,rBCG-HIV疫苗可以诱导保护性体液免疫反应在豚鼠54]。这些研究表明,rBCG-based艾滋病疫苗疫苗是可行的。然而,CTL活动没有达到保护水平与单个rBCG-HIV疫苗的注射猕猴模型。克服低rBCG疫苗的免疫原性CTL感应,我们利用各种策略来增强免疫的潜力BCG向量。
4.4。启动—提高方案加强免疫反应
第一战略,我们试图改善的潜力rBCG-HIV疫苗的使用一个安全的重组病毒载体的助推器疫苗。关于安全,传统的活疫苗,已被管理的安全健康和感染艾滋病毒的人,可能是hiv - 1的首选载体疫苗。充分利用这种传统疫苗的好处在抗艾滋病疫苗的开发,我们研究了BCG东京172株和replication-deficient牛痘疫苗株DIs (55,56)这两个已被证明是不致病的接种成免疫缺损的动物生活重组疫苗车辆(57]。牛痘病毒说已经作为天花疫苗临床试验在日本婴儿和被证明是相当安全的。我们选择这个高度减毒病毒作为助推器疫苗向量和构建重组DIs (rdi)表达HIV呕吐(58]或猴免疫缺陷病毒gag pol基因(59]。rdi构造都发现有效地引发艾滋病毒——或者SIV-Gag-specific免疫小鼠。当他们管理作为助推器SIV-DNA疫苗抗原后启动,SIV插科打诨的细胞免疫是极大地增强了(59]。总之,我们测试了一个新的组合方案:启动与rBCG-SIV rDIs-SIV插科打诨插科打诨其次是提高。
在猕猴的研究中,我们发现,BCG / DIs接种诱导一个持久和有效的细胞免疫,能够控制高致病性病毒SHIV C2/1 [60),后粘膜的挑战[61年]。一个可能的机制有效的产生细胞介导免疫性如图2。BCG的强有力的Th1反应诱导向量可能导致诱发产生CTL反应。这些免疫又各自是如何与保护效果需要进一步调查。在这项研究中,波士顿咨询公司/ DIs疫苗开发高水平的细胞免疫的猕猴,防止CD4的损失+后T淋巴细胞与病毒RNA水平降低病毒的挑战。此外,BCG / DIs组显示,没有证据的临床疾病或死亡后病毒的挑战1年观察期间(61年]。这些结果表明BCG / DIs启动—提高方案可能是一个潜在的候选人一个有效和安全的抗艾滋病病毒疫苗。最近的研究在猕猴被波士顿咨询公司/ Ad5 [62年]和BCG / MVA [63年]方案强烈支持的有效性BCG向量。hemolysin-expressing BCG菌株在后者的研究,这是设计出更多有效的抗原呈现细胞毒性t淋巴细胞前体,引发了一个健壮的和广泛的hiv - 1特定的t细胞反应随着多个t细胞clonotypes招募到内存池。
4.5。密码子优化策略
BCG疫苗载体的主要问题是低表达水平的外国BCG抗原基因的细胞。一般来说,足够水平的外国抗原免疫反应得到高剂量的10 - 100倍之间rBCG比实际所需剂量对结核病人(54]。这被认为是rBCG-based疫苗的临床应用的主要限制。为了解决这一重大问题,我们应用外源基因的密码子优化策略rBCG系统增加其表达水平。这项研究的目的是增加外国抗原的免疫原性,降低接种剂量小传统卡介苗对结核病,避免不良反应,防止协会th2型免疫反应,防止恶化的逆转录病毒感染。
首先,我们确定的体外影响rBCG艾滋病毒基因的密码子优化。虽然在哺乳动物细胞密码子优化的效果是有据可查的64年- - - - - -66年),其效果在车rBCG从来没有完全阐明。我们针对hiv - 1gag p24抗原基因作为模型来阐明rBCG系统中的密码子优化的效果。mycobacterial-preferred组成的一个特别设计的合成p24基因密码子导致GC含量从43.4%增加到67.4%。此外,codon-optimized rBCG生成没有任何检测到它的字符包括增长率的变化。这rBCG展出的Gag p24抗原产量大幅度提高约40倍大于可行rBCG。此外,我们成功获得数据的增强免疫反应在codon-optimized rBCG-immunized老鼠(67年]。接种的老鼠与一个低剂量的codon-optimized细菌引起有效的细胞免疫。有关酶联免疫斑点试验中,产生干扰素-γspot-forming细胞引起codon-optimized rBCG明显大于优化重组引起的(67年]。这些如果CD8细胞免疫反应会降低+T细胞被耗尽。结果还表明,有效MHC-class I-restricted CTL反应被接种诱导codon-optimized rBCG。此外,产生淋巴细胞增殖反应也被发现在codon-optimized rBCG-immunized老鼠(67年]。
我们也应用这种策略的SIV Gag成功构建和生成rBCG窝藏codon-optimized SIV呕吐基因的表达10倍大于原生的呕吐基因。在猕猴研究中,相比之下,一个本地呕吐低剂量(10基因构造6杆菌)注入的构造诱导产生CD4的最佳启动+和CD8+T细胞和长期维护记忆T细胞反应牛痘后说提高(68年]。这些结果暗示启动疫苗的质量是一个关键因素对免疫缺陷病毒诱导的免疫反应。因此,密码子优化策略通常被应用于其他外源基因在rBCG-based疫苗的发展。
5。其他传染病疫苗
这里有各种候选人rBCG疫苗针对传染病结核病和艾滋病。秸秆等。69年)报道,rBCG系统将是有用的在莱姆病疫苗发展;疫苗的表面蛋白包柔氏螺旋体burgdorferi第一个达到临床一期试验。然而,该疫苗被拒绝由于其低抗体生产反应(70年]。两组(71年,72年)应用rBCG疟疾疫苗开发和演示效果在一个小鼠模型。疟疾是公认的三大传染病以及结核病和艾滋病。虽然有疟疾疫苗发展的历史悠久,我们没有看到任何许可的疫苗。诱导细胞免疫策略对守恒使用BCG抗原向量可以有效的克服巨大困难生产疫苗由于抗原多样性和独特的生命周期的寄生虫。此外,BCG向量测试对某些病毒性疾病疫苗的发现。rBCG表达麻疹病毒核蛋白证明预防麻疹病毒肺炎在猕猴73年]。此外,我们表明,与单一rBCG丙型肝炎病毒(HCV) NS5 CTL表位抗原85 b诱发丙肝病毒的小鼠的CTL反应(74年]。丙肝病毒被认为是一个主要的传染性病原体的全球感染率~ 3%。虽然优先考虑预防丙肝病毒疫苗研发已成为降低由于在治疗取得了显著进展,BCG向量的目标CTL感应可能暗示治疗这种疾病疫苗。所有这些候选人rBCG研究的早期阶段无法进行进一步的发展阶段。rBCG-based疫苗开发这些疾病应该重新考虑,因为先进的技术,提高BCG向量的潜力已经成为目前可用的。
6。结论和未来的角度来看
节中描述3,几个rBCG-based候选疫苗目前正在评估结核疫苗的发展。这样的人体试验将提供一个更大的洞察力免疫相关性的范式结核分枝杆菌感染。此外,密码子优化策略的应用使我们能够利用这个细菌向量的引物不同的启动—提高方案预防艾滋病毒的疫苗。这些结果可能表明BCG向量是可能的二价疫苗控制结核病和艾滋病毒/艾滋病与单个构造;这样的研究可能有助于解决的严重的公共卫生问题的撒哈拉以南非洲国家(这两种疾病是非常普遍14]。
另一个潜在的结果是BCG的效用向量婴儿疫苗。rBCG疫苗的一个最大的优势是他们适用于新生儿。因为BCG结核病疫苗是集成到许多国家扩大免疫规划,我们最早的机会新生儿接种卡介苗3个月内出生之前暴露于各种传染病的病原体。替换当前与小说rBCG BCG疫苗具有保护性抗原对病原体导致婴儿严重疾病,如严重腹泻和呼吸道疾病,可能是有效的在发展中国家。这些疫苗的概念应该还测试了在适当的动物模型在人类身上测试。因此,经过许多试验和错误在过去2年,rBCG-based疫苗可能导致全球传染病的控制在不久的将来。
确认
作者感谢Drs。靖Ami Masaru Kanekiyo和第三本田有益的讨论。他们也感谢Naoki山本博士监督对艾滋病疫苗的研究开发。