动物疫苗的研究进展

摘要：疫苗是控制动物疫病的重要手段，传统疫苗的设计理念为人类与动物疫病的防控做出巨大贡献。随着分子生物学、免疫学等学科的发展和技术的进步，现代疫苗技术在疫苗研发上的优势愈发明显。本文从传统疫苗与新型疫苗的研发切入，结合免疫学、病原学、生物医药等学科，浅析新型疫苗的设计思路，以期为研发更加安全有效的疫苗提供参考。

关键词：疫苗；反向疫苗学；生物信息学；免疫学

疫苗是目前控制动物疫病最经济实效的方式之一。人们通过注射含有特异性抗原的疫苗刺激机体免疫系统，以产生针对特定病原体的保护作用，从而预防或减轻该病原体引起的相关疾病。早在1796年，英国医生爱德华·詹纳发现通过接种牛痘的方式能够成功建立对天花病毒的免疫，这是人类运用免疫学原理成功研制的第一支疫苗。随后在1885年，法国病理学家路易斯·巴斯德针对牛瘟筛选出可以连续传代的弱毒活疫苗，这是兽用疫苗研发的开端。此后，针对养殖业重要畜禽病的研究持续深入，很多新的疫苗被研发用于临床。

经过200多年的发展，兽用疫苗技术已经在实验室研究和养殖实践中得到了不断的完善。传统的疫苗研发遵循病原体的分离鉴定、纯化培养、灭活或改造的思路，这种循序递进的方式尽管解决了很多疫病困扰，但仍存在着研发周期较长、病原可能发生基因组变异或抗原漂移、免疫效果低下、机体副作用强、免疫方式繁琐等一系列问题[1]。而与传统的疫苗技术相比，现代疫苗技术不仅可以更精确的靶向疫苗的抗原，更快捷地投产，还能够针对复杂的病原提供更多的解决方案。本文以传统疫苗与新型疫苗的类型为纲，结合免疫学、病原学、生物医药等学科知识，浅析新型动物疫苗研发的思路，以期为生产更加安全有效的疫苗提供理论参考。

1 传统疫苗类型

1.1 灭活疫苗

灭活疫苗是指使用物理或化学方法致使病原体失去其致病能力而保留其抗原性的一类疫苗，是目前制作方式最简便的疫苗。经灭活后的病原体保留了一定程度的抗原特性，能够激发动物机体产生免疫反应，提高免疫应答的能力。灭活疫苗因其研发方法成熟、批量生产简便且安全性较高，一直是疫苗开发的主要方式，目前大多数动物疫病病原都有相应的灭活疫苗。但是，由于灭活疫苗病原在机体内不能进行自我复制，因此在大动物上使用灭活疫苗通常需要加大免疫剂量、增加注射频次才能获得强效持久的免疫保护。

1.2 弱毒活疫苗

弱毒活疫苗是最早的疫苗类型，牛痘疫苗和牛瘟疫苗都是典型的弱毒活疫苗。传统的弱毒疫苗主要是通过化学方法或突变方法从强毒株中筛选出弱毒株，在保留病原体的抗原及复制能力的前提下，使其降低或失去致病能力，实现疫苗的相对安全和免疫保护作用。与灭活苗相比，弱毒活疫苗的用量小并且持续作用效果显著，但这种机体内的持续复制并不可控，有毒力返强的隐患，因此在免疫力低下或处于恶劣环境的动物群体中应谨慎使用弱毒活疫苗。

1.3 亚单位疫苗

亚单位疫苗又称次单位疫苗、组分疫苗，是一种利用分离、纯化病原体的抗原表位（如细菌的外膜蛋白、荚膜多糖等）制成的疫苗。相比于灭活疫苗和弱毒活疫苗，亚单位疫苗只含有病原体中特定的抗原组分，同时其既不能在体内复制又不包含致病毒力因子，因此诱发疾病的可能性较小，具有更高的安全性。然而亚单位疫苗的所携带的抗原表位较少，与弱毒活疫苗相比，其免疫原性低，需要加强剂量以维持长期免疫力。

2 基于反向疫苗学的新型疫苗研究

反向疫苗学是一种基于基因组测序和生物信息学的新型疫苗研发方法。与传统的疫苗研发思路不同，反向疫苗学更注重病原体抗原的预测与筛选，其研发思路主要是先利用生物信息学工具分析全基因组测序数据中可能具有免疫原性的抗原位点，再通过表达、纯化得到相应的候选疫苗进行验证开发[2]。

2.1 重组亚单位疫苗

重组亚单位疫苗又称基因工程疫苗，其设计原理是整合编码具有抗原性质的基因，利用大肠杆菌、酵母、哺乳动物细胞等具有表达外源基因特性的原核或真核表达系统表达相应的蛋白或多肽，经分离提纯后制得疫苗。高效的异源表达系统不仅弥补了病原体抗原物质量短缺的问题，还保证了疫苗的高度特异性。此外，这类疫苗规避了传统的亚单位疫苗的病原体培养问题，在生产过程中避免了生物污染，满足了疫苗研发过程中的安全性需求。

2.2 合成多肽疫苗

合成多肽疫苗是将比对得到的病原体天然抗原决定簇通过化学合成的方法合成相应的多肽或肽链所制成的一类疫苗。这类合成多肽与天然抗原决定簇相似，其能够在宿主细胞表面被MHC Ⅰ型和MHC Ⅱ型分子递呈，进而被CD8+ T细胞或CD4+ T细胞识别并杀伤，从而达到免疫或治疗的目的[3]。化学合成多肽方法成熟、成本低、操作简洁，且不会引入活细菌、病毒、毒素等生物材料，避免了生物性的感染或中毒，同时短肽的稳定性和可编辑性强，具有良好的激活免疫应答的能力。

2.3 重组活载体疫苗

重组活载体疫苗与重组亚单位疫苗类似，均是利用改造的载体进行病原体抗原物质的异源表达，但是重组活载体疫苗是将活载体直接注射到机体中，利用活载体可以自我复制的特性来增强免疫原的稳定性、延长储存期。常见的病毒活载体包括牛痘病毒和腺病毒，细菌活载体有卡介苗、乳酸杆菌、大肠杆菌等。除了注射方式外，重组活载体疫苗还可以采用口服、滴鼻等多种方式进行免疫，免疫形式更加多元，操作也更加简便。目前，常见的利用基因敲除方法所构建的基因缺失弱毒疫苗本质上也属于重组活载体疫苗的一种，即通过敲除病原体的毒力基因或抑制其表达以降低病原体的致病力。但与弱毒苗类似，基因缺失弱毒疫苗也存在毒力返强和病毒抗原漂移、转移的隐患[4-5]。

2.4 重组病毒样颗粒疫苗

病毒样颗粒是一种由细胞分泌并自组装的结构蛋白所形成的纳米级颗粒。人们通过对目标病毒进行基因测序获悉相应具备免疫原性的蛋白，并将其克隆、与高效的表达载体连接随之转化到表达体系中，以此获得结构蛋白。所表达的结构蛋白经表达体系中各种化学键和非化学键作用，能够自组装成球形、锥形等不同形态的病毒样颗粒，将这些病毒样颗粒进行病毒纯化后即可获得可用于免疫的病毒样颗粒。这些病毒样颗粒具有病毒的形态和结构，但不含有活性病毒基因组，这使其在宿主机体内可以被免疫系统识别但不能进行自我复制，大大提高了疫苗的安全性，是一种理想的疫苗形式。但由于病毒样颗粒的工业化生产配套工艺尚未完善，这类疫苗目前仅有部分市售，有待从实验室大规模走向市场[6]。

2.5 核酸疫苗

核酸疫苗是指利用含有特定蛋白编码基因的质粒所制备的疫苗，这些质粒能够整合到机体细胞中通过细胞自身转录、翻译等过程表达出相应的抗原蛋白，从而激活机体免疫应答。作为一种新型疫苗，核酸疫苗在兽用疫苗领域的探索十分深入，取得的一系列成果也令人瞩目[7]。与其它基因工程疫苗相比，核酸疫苗的研制周期更短，生物安全系数更高，但受限于核酸及质粒在体内的稳定性，需要更严苛的保存和制备环境，同时外源基因如何更好地与宿主基因组整合依然是需要解决的问题[8-9]。

3 新型疫苗设计的展望

尽管传统疫苗技术存在着安全性不高、免疫程序繁琐等弊端，但不可否认传统疫苗在疫病防控中确实起到了积极作用。在新型疫苗设计的过程中，根据各类疫苗的特性扬长避短，可设计出很多实用性较高的新疫苗。

基于传统疫苗研发的正向思维，在已有疫苗的基础上可以针对抗原物质进行优化以提高免疫效果。首先是对已知抗原的优化，目前针对细菌病原开发的蛋白多糖复合物疫苗是一类亚单位疫苗，其将表达的蛋白与细菌的多糖抗原结合，以实现多糖抗原的延时增效[6]。此外，注射抗原及其特异性抗体复合物亦可增强吞噬细胞的抗原摄取能力和抗原呈递细胞的递呈能力，诱导机体产生强烈的体液免疫和细胞免疫应答[10-11]。

除了优化抗原外，如何优化抗原的递送系统也是目前研究的一大热点。近年，人们在大肠杆菌中发现细菌分泌的外膜囊泡可以作为疫苗递送的载具。外膜囊泡的直径仅有20～200 nm，富含外膜蛋白、脂多糖等细胞膜成分，这些物质都是天然的抗原，具有很好的免疫原性[12-13]。在2018年，祝壮[14]利用大肠杆菌外膜囊泡成功构建了递呈胸膜肺炎放线杆菌GalT蛋白的外膜囊泡疫苗，经验证该疫苗能达到87.5%的免疫保护率，并有效激活了小鼠的细胞免疫。除外膜囊泡外，纳米材料优越的递呈作用也是疫苗佐剂的研发方向，如纳米金可加速抗原向淋巴结等部位的迁移和富集，促进免疫应答[15]，树突状介孔有机硅纳米粒子包被细菌外膜囊泡后所诱导的抗体滴度显著高于单一外膜囊泡免疫等[16]。这些案例提示，将纳米材料与含有特定抗原的外膜囊泡相结合，可能是促进疫苗增效的一种方式。

现代疫苗技术不仅要优化已知抗原，开发免疫增强剂，更是对未知病原及未知抗原的挖掘与分析。基于反向疫苗学思路，不仅要在同一阶段面对多重感染威胁时，根据各病原的流行特点创制多联免疫疫苗，实现“一针多免”的目标，还要针对同一病原体的不同血清型或基因型研发能产生交叉免疫的疫苗。因此，基于比较基因组学、蛋白质组学研究等分子生物学工具进行比对分析，挖掘具有交叉免疫保护的抗原物质或抗原表位是疫苗研发的基础。

“反向疫苗学2.0”的思路是在自然感染和获得性免疫的模型中筛选出特异性抗体模型，进而通过结构生物学方法筛选可能的抗原抗体结合位点，从而设计相关的疫苗，这种思路与结构生物学的目的不谋而合。近年来人工智能算法搭配分子对接技术、AlphaFold2等蛋白质结构演算工具的普及使得疫苗的快速研发成为可能。利用计算机强大的算法预测抗原抗体结合域并反向验证，或利用结构生物学的相关工具如X-晶体衍射、冷冻电镜等对抗原抗体结合过程进行直接观察，可以得到抗原表位设计的丰富

信息。

除了对病原体的直接研究外，病原体与机体间的相互作用近年来也备受关注。人们将高通量测序与系统生物学交叉融合，利用高通量测序的结果持续分析机体免疫系统在免疫前后的差异变化，动态地监测疫苗研发各个阶段的安全性及有效性，以促进疫苗的合理设计。此外，分析病原体与宿主在相互作用间的基因组、代谢组、转录组和蛋白质组等组学数据在筛选重要的抗原靶标及抗原表位中也具有非常重要的作用，免疫组学作为新兴学科必将对新型疫苗的设计研发起到指导作用[2]。

4 结语

疫苗的发展史是人类对微生物认知过程的缩影。从病原微生物的分离鉴定培养到亚单位组分的运用，从基因工程技术到组学分析技术，再到蛋白质结构的精确解析，每一次疫苗技术的突破都离不开对病原体和宿主的不懈探索。尽管疫苗技术日趋成熟，但仍然有很多动物疫病和人类传染病领域尚未被涉及。新冠疫情为世界公共卫生敲响了警钟，人们对“同一个健康”的理念愈发深刻，在疫苗创制上，兽医工作者应是与人医工作者同一个赛道，通过各学科的交叉融合，创新创造新的疫苗。

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