高福院士團隊提出安全有效的寨卡疫苗新策略

　　寨卡病毒是一類蚊媒傳播病原，感染孕婦可引起新生兒小頭畸形。2015-16年寨卡疫情成為國際公共衛生緊急事件，目前尚無獲批疫苗。寨卡病毒與登革病毒的抗原性接近，屬一個超血清家族。最新的人群隊列研究發現，既往的寨卡病毒感染能夠顯著增加后續登革病毒感染的嚴重程度，證明寨卡預存抗體對登革病毒感染有嚴重的抗體依賴增強（ADE）風險（Science, 369, 1123–1128 (2020)）。寨卡/登革血清型之間的ADE是疫苗研制亟需解決的焦點安全問題，特別是這兩類病毒可由相同的媒介（比如埃及伊蚊）傳播，且流行區域重疊。因此，理想的寨卡疫苗應該具備以下3個特點：1）預防寨卡病毒的母嬰傳播；2）預防由于寨卡病毒感染引起的登革ADE；3）預防由于寨卡疫苗免疫導致的登革ADE。而現全球進入臨床階段的寨卡疫苗在設計上都沒有避免潛在的登革ADE風險。

　　2021年7月15日，中國科學院微生物研究所高福、戴連攀、嚴景華等在Nature Immunology 在線發表了題為Protective Zikavaccines engineered to eliminate enhancement of dengue infection viaimmunodominance switch的研究論文，提出了消除了登革ADE的保護性寨卡疫苗新策略。

　　寨卡/登革病毒引起ADE效應的交叉抗體主要靶向病毒表面結構蛋白prM和E蛋白的融合肽（FL）保守區域（Science 328, 745–748 (2010)）。國際上有報道通過在FL表位引入突變或者構建E蛋白二聚體遮蔽FL表位的兩種方式，可顯著降低寨卡疫苗對登革病毒感染的ADE。然而，在小鼠模型上這兩種疫苗方式都不能產生足夠的保護性免疫應答，完全阻斷寨卡病毒母嬰垂直傳播（Cell 168, 1114–1125 e1110 (2017)，Nat. Immunol. 20, 1291–1298(2019)）。鑒于寨卡病毒感染孕婦對新生兒潛在的長期嚴重后果，能誘導母嬰清除性免疫應答（sterilizingimmunity）的寨卡疫苗尤為重要。

　　高福院士團隊從2016年起便開展針對寨卡病毒的研究，解析出寨卡病毒保護性免疫原E蛋白的晶體結構，并分離到了一系列靶向E蛋白不同結構域的中和/保護抗體，解析了靶向FL表位的代表性ADE抗體的結構基礎 (CellHost Microbe 19, 696–704(2016)；Sci. Transl. Med. 8, 369ra179(2016))。這些前期基礎為理性設計消除ADE的寨卡疫苗提供了重要的指導。

　　在本項研究中，研究者采取了一種抗體指導疫苗設計的反向疫苗學策略。基于ADE抗體結合FL的結構基礎（圖1），對寨卡免疫原E蛋白進行理性改造，旨在既消除FL表位，又能維持其他中和抗體表位的完整。由于FL區在黃病毒屬中高度保守，在FL表位的關鍵氨基酸上引入突變很容易破壞E蛋白結構，極大的降低疫苗的免疫原性。因此，研究者通過同源替換的方法，將寨卡E蛋白的FL替換成黃病毒屬中進化關系最遠的昆蟲特異性（arthropod-specific）黃病毒的同源序列，從而改變了FL表位上結合ADE抗體的3個關鍵氨基酸。進一步通過一系列中和保護性抗體和ADE抗體對改造后E蛋白抗原進行正向和負向篩選，獲得同時滿足FL表位消除和中和表位維持的構建。其中2種設計MutB和MutC被制備成黑猩猩腺病毒載體(AdC7)疫苗進行評估。

圖1. 基于靶向FL表位的ADE抗體結構指導抗原理性設計

　　結果顯示，MutB/C疫苗一次免疫可產生清除性的免疫應答, 完全保護小鼠抵御寨卡病毒攻毒, 在病毒感染的所有靶組織中都檢測不到病毒載量。此外，在孕鼠感染模型中顯示疫苗完全阻斷寨卡病毒的母嬰傳播，在胎鼠的鼠腦和胎盤中都檢測不到病毒載量（圖2）。

圖2. MutB/C疫苗阻斷寨卡病毒的母嬰傳播

　　研究者進一步通過體外和體內試驗驗證MutB/C對登革病毒感染的ADE。令人振奮的是，MutB/C疫苗免疫血清完全消除了對四種血清型登革病毒的ADE；血清過繼試驗證實MutB/C疫苗免疫血清不會引起登革病毒感染的ADE，而野生型構建（WT）則引起會加快動物的死亡和病癥加重（圖3）。

圖3. MutB/C疫苗消除了對登革病毒感染的體外和體內ADE

　　為了進一步探究改造后疫苗MutB/C消除ADE的免疫學基礎，研究者們通過B細胞受體（BCR）的單細胞測序方法分析了免疫后小鼠淋巴結的抗原特異性BCR的特性。結果顯示，野生型疫苗激發的體液免疫存在明顯的免疫優勢情況，60%以上的BCR使用3組胚系基因。而MutB/C打破了原有的免疫優勢，使抗原特異性BCR使用的胚系基因呈分散式分布（圖4）。研究者又以抗體IgG的形式合成了各免疫組中代表性的優勢抗體。研究發現野生型疫苗誘導的優勢抗體都靶向FL表位，且對四種血清型的登革病毒存在交叉結合和顯著的ADE。而MutB/C疫苗誘導的優勢抗體幾乎不結合各血清型登革病毒，且無ADE。有趣的是，通過對現有報道不同來源黃病毒FL表位鼠單抗的比較發現，這些抗體都使用了和本文報導的野生型疫苗激發出來抗體幾乎同樣的胚系基因。這提示，黃病毒FL表位的ADE抗體可能共用著少數幾個相似胚系基因。

圖4. MutB/C疫苗轉換了由ADE抗體占據的免疫優勢

　　研究者們最后解析了其中一個抗原改造E蛋白MutC結合中和抗體的分子基礎，發現MutC仍然能夠通過新的作用力維持E蛋白的二聚體結構，這對于激活有效中和抗體非常重要。此外，改造后的FL氨基酸產生對ADE抗體的位阻和電荷排斥，因此揭示了MutC不誘導ADE抗體產生的結構基礎。

　　該研究成功應用結構指導抗原設計用于解決寨卡疫苗ADE問題，為寨卡疫苗開發中長期存在的問題提供了一個漂亮的解決方案。理性設計消除ADE的新型寨卡疫苗朝著開發安全有效寨卡疫苗邁出了一大步，并將指導寨卡疫苗未來在臨床使用。

　　中國科學院微生物研究所高福院士、戴連攀研究員和嚴景華研究員為該論文的共同通訊作者。戴連攀研究員、海南醫學院徐坤博士和中國科學院北京生命科學研究院博士生李金和為論文并列第一作者。海南醫學院夏乾峰教授等給予了重要幫助。