疫苗佐劑研究的現(xiàn)狀和未來機遇

       引言

       疫苗是人類歷史上最重要的發(fā)明之一，其徹底改變?nèi)祟惖纳】蛋踩?。通常，疫苗的作用是觸發(fā)先天免疫反應(yīng)并刺激抗原呈遞細(xì)胞，從而產(chǎn)生針對特定病原體抗原的防御性適應(yīng)性免疫反應(yīng)。佐劑是一種關(guān)鍵成分，通常用作添加劑，以提高疫苗的效力和免疫原性。90多年來，佐劑一直是許多人類疫苗的重要成分，通過增強、調(diào)節(jié)和延長免疫反應(yīng)來提高其療效。

       目前，歐洲藥品管理局和美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)的絕大多數(shù)人類使用的疫苗都使用鋁鹽作為佐劑，這是疫苗配方中使用最古老的佐劑。為了提高疫苗的安全性和有效性，增加新佐劑的種類和數(shù)量是非常必要的。納米技術(shù)和分子生物學(xué)等現(xiàn)代技術(shù)的進步有力地促進了對佐劑成分的開發(fā)過程，從而提高了疫苗的效力。一種好的佐劑必須是安全的、有效的、易于生產(chǎn)的；具有良好的藥用特性（pH值、滲透壓、內(nèi)毒素水平等）和耐用性；最后，在經(jīng)濟上也可承受。微粒、乳液以及免疫刺激劑在疫苗生產(chǎn)中顯現(xiàn)出巨大的潛力。

       一、疫苗佐劑的發(fā)展史

       疫苗佐劑研究領(lǐng)域自20世紀(jì)初成立以來取得了顯著進展。隨著傳染病越來越普遍，免疫接種已成為限制其傳播和減少相關(guān)危害的最有效方法。然而，早期的疫苗往往被證明是無效的，因為單獨純化的抗原無法引發(fā)足夠強的免疫反應(yīng)。為了克服這一挑戰(zhàn)，人們在疫苗中引入了佐劑，佐劑是添加到疫苗中以增強其免疫原性的材料，從而增強它們的有效性。

       現(xiàn)代佐劑的發(fā)展是一個緩慢而富有挑戰(zhàn)性的過程。研究人員的目標(biāo)是研制出能在保持安全的同時誘導(dǎo)強烈免疫反應(yīng)的疫苗。這項工作包括有選擇地將確定功效的分子和制劑結(jié)合在一起，并同時探索發(fā)現(xiàn)更多的天然和合成化合物。

       鋁鹽是第一種被發(fā)現(xiàn)的佐劑，可以增強對疫苗的免疫反應(yīng)，以對抗乙型肝炎、破傷風(fēng)、白喉、百日咳和人乳頭瘤病毒等疾病。鋁鹽的有效性歸因于它們在注射部位形成抗體貯庫、誘導(dǎo)炎癥以及激活樹突狀細(xì)胞和T細(xì)胞的能力。然而，盡管鋁佐劑在疫苗中已經(jīng)使用了70多年，但其確切的免疫機制仍不完全清楚。

       20世紀(jì)90年代后期的佐劑發(fā)展包括水包油乳液。這些乳液有助于抗原在較長時間內(nèi)緩慢釋放，激活先天免疫系統(tǒng)，并誘導(dǎo)體液和細(xì)胞免疫反應(yīng)。這種乳液最早應(yīng)用于Fluad，這是一種針對65歲以上成年人的季節(jié)性流感疫苗。其他獲得FDA許可的佐劑包括MF59，一種水包油乳液佐劑，含有角鯊烯、一種可生物降解的油和一種表面活性劑，用于流感疫苗；AS03 ，包含a-生育酚、角鯊烯和一種表面活性物質(zhì)，用于H1N1流感疫苗和一些大流行性的流感疫苗；以及AS01，一種脂質(zhì)體和單磷酸脂質(zhì)a的混合物，已用于RTS，S/AS01瘧疾疫苗和Shingrix 帶狀皰疹疫苗。近幾年，新型的疫苗佐劑，如TLR9激動劑CpG-1018也獲得FDA批準(zhǔn)應(yīng)用于乙型肝炎疫苗Heplisav-B的佐劑。

       盡管還有許多其他佐劑在臨床前模型中顯示出高效力，但由于安全性或耐受性問題，大多數(shù)佐劑尚未獲得人類使用許可。此外，包括明礬、MF59和AS0系統(tǒng)佐劑在內(nèi)的現(xiàn)有佐劑如何在人類中發(fā)揮作用的分子機制仍不完全清楚。

        二、佐劑的益處和效果

       總的來說，疫苗佐劑在提高疫苗的有效性和可及性以及減輕全球傳染病負(fù)擔(dān)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們的用途和其他實際應(yīng)用詳細(xì)如下：

       （1） 緩解有限的疫苗供應(yīng)：佐劑可以增強免疫反應(yīng)，從而減少疫苗劑量，實現(xiàn)充分保護。這緩解了醫(yī)療系統(tǒng)的壓力，并增加了那些無法接受多次劑量的人的可及性。

       （2） 實現(xiàn)快速免疫反應(yīng)：佐劑刺激對疫苗抗原產(chǎn)生更強、更持久的反應(yīng)，提供更好的保護。

       （3） 擴大抗體反應(yīng)：佐劑擴大了對具有顯著抗原漂移或毒株變異的病原體的抗體反應(yīng)，這對流感、人乳頭瘤病毒（HPV）和瘧原蟲等疾病至關(guān)重要。

       （4） 增強抗體反應(yīng)的幅度和功能：佐劑不僅增加抗體反應(yīng)的幅度，還增加其功能、親和力或免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的功能性抗體的數(shù)量。

       （5） 增強T細(xì)胞反應(yīng)：許多新型的疫苗佐劑可以誘導(dǎo)T輔助細(xì)胞更有效地參與，以優(yōu)化抗體反應(yīng)的質(zhì)量和持久性，或誘導(dǎo)可以靶向和消除細(xì)胞內(nèi)病原體的效應(yīng)CD4+或CD8+T細(xì)胞。因此，新疫苗可能包括toll樣受體（TLRs）和其他先天免疫受體的激動劑，以促進T輔助細(xì)胞反應(yīng)的產(chǎn)生。這種方法能夠克服傳統(tǒng)佐劑的局限性，創(chuàng)造更有效的疫苗，對更廣泛的病原體提供持久的保護。

       （6） 開發(fā)新疫苗：佐劑對于開發(fā)傳統(tǒng)疫苗無效的疾病疫苗、增強免疫反應(yīng)和靶向多種病原體菌株至關(guān)重要。它們可以增強對疫苗的免疫反應(yīng)，并有助于靶向多種病原體。

       （7） 提高安全性：通過增強免疫反應(yīng)，佐劑可以降低疫苗相關(guān)的不良事件風(fēng)險。

       三、佐劑的種類及其作用機制

       鋁佐劑

       鋁佐劑是第一批用于授權(quán)人類疫苗的佐劑，并且仍然是使用最廣泛的佐劑。它們由氫氧化鋁、磷酸鋁或兩者的組合組成，可以在注射部位形成抗原貯庫，隨著時間的推移緩慢釋放疫苗抗原，從而產(chǎn)生更強和延長的免疫反應(yīng)。它們已被證明可以增強對多種抗原的免疫反應(yīng)，包括乙型肝炎、HPV和肺炎球菌疫苗中的抗原。

       無機納米粒子佐劑

       基于無機納米顆粒的疫苗佐劑，如納米鋁、層狀雙金屬氫氧化物（LDH）、和納米/介孔二氧化硅、納米金剛石以及量子點，已被證明可以增強疫苗免疫反應(yīng)的潛力。基于無機納米粒子的疫苗佐劑的作用機制涉及它們與免疫系統(tǒng)的相互作用，以增強和調(diào)節(jié)對疫苗中存在的抗原的免疫反應(yīng)。無機納米顆粒作為抗原的載體，確保其有效遞送至抗原呈遞細(xì)胞（APC）。一些無機納米粒子佐劑，如鋁基佐劑，在注射部位誘導(dǎo)局部炎癥，將免疫細(xì)胞吸引到該位點，并促進APC的募集。無機納米粒子佐劑有助于開發(fā)持久的免疫記憶。這確保了免疫系統(tǒng)"記住"遇到的抗原，在隨后暴露于病原體時提供保護。

       乳液佐劑

       當(dāng)兩種無法形成均勻混合物的液體聚集在一起時，就會形成乳液。乳液由兩種不混溶的液體組成，通常是油相和水相，它們由表面活性劑穩(wěn)定。乳液的工作原理是在油相中形成抗原的小液滴，然后將其分散在整個水相中。抗原包含在水滴中，油起到儲存庫的作用，緩慢釋放抗原，并通過減少清除時間和延長抗原暴露時間來增強免疫反應(yīng)。此外，乳液佐劑也能激活先天免疫系統(tǒng)，誘導(dǎo)體液和細(xì)胞免疫反應(yīng)的能力。

       最早被批準(zhǔn)用于人類疫苗的水包油佐劑之一是MF59，它含有角鯊烯、聚山梨醇酯80、山梨醇三油酸酯和檸檬酸三鈉脫水物。MF59誘導(dǎo)ATP釋放并上調(diào)細(xì)胞因子和趨化因子，以增強疫苗接種部位的抗原特異性免疫反應(yīng)。另一種水包油乳液佐劑是AS03，它含有表面活性劑聚山梨醇酯80和兩種可生物降解的油，角鯊烯和DL-a-生育酚。2009年，歐盟批準(zhǔn)了AS03佐劑Pandemrix的上市授權(quán)，2013年，AS03佐劑甲型流感（H5N1）單價疫苗獲得了FDA的批準(zhǔn)。

       TLR激動劑

       TLRs是一種模式識別受體，在對入侵病原體的先天免疫反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。這些受體分為兩組：細(xì)胞表面TLR（TLR1、TLR2、TLR4、TLR5和TLR6）和細(xì)胞內(nèi)TLR（TLR3、TLR7、TLR8和TLR9），它們在內(nèi)涵體膜上表達(dá)。

       CpG是一種合成的DNA分子，具有含有未甲基化CpG基序的硫代磷酸根骨架。CpG對TLR9的激活增強了對抗原的特異性體液和細(xì)胞免疫反應(yīng)。CpG是一種強效佐劑，可誘導(dǎo)1型輔助性T（Th1）反應(yīng)，并促進細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞（CTL）的產(chǎn)生和IFN-γ的分泌。此外，CpG可以促進抗原的免疫刺激作用，激活抗原呈遞細(xì)胞，加速免疫反應(yīng)。CpG還促進漿細(xì)胞樣樹突狀細(xì)胞（pDC）上主要組織相容性復(fù)合體（MHC）、CD40和CD86的表達(dá)，并增強抗原處理，導(dǎo)致強大和持續(xù)的免疫反應(yīng)。

       脂質(zhì)體

       脂質(zhì)體是一種疫苗佐劑，由磷脂和膽固醇組成，是一種小的球形結(jié)構(gòu)，可以包裹抗原和其他免疫刺激分子。它們是可生物降解的、生物相容的，并允許進行多功能的結(jié)構(gòu)修飾，從而實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的特性和毒性。脂質(zhì)體可用于將抗原遞送至抗原呈遞細(xì)胞，如樹突狀細(xì)胞，后者可激活免疫系統(tǒng)。此外，脂質(zhì)體能夠增強體液和細(xì)胞免疫反應(yīng)，誘導(dǎo)Th1偏向性反應(yīng)，這對清除細(xì)胞內(nèi)病原體和增強抗體反應(yīng)很重要，使其成為疫苗開發(fā)的有吸引力的佐劑。脂質(zhì)體的一個獨特特征是它們能夠被修飾以靶向特定細(xì)胞類型。它們可以用靶向樹突細(xì)胞上特定受體的抗體或肽修飾，增加脂質(zhì)體包裹的抗原的攝取。脂質(zhì)體也可用于共同遞送多種抗原或免疫刺激分子，從而產(chǎn)生更強大的免疫反應(yīng)，特別是對于可能需要多種抗原才能誘導(dǎo)保護性免疫反應(yīng)的復(fù)雜病原體。

       其他佐劑

       細(xì)胞因子是一組在免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用的多種信號分子。它們由免疫系統(tǒng)的各種細(xì)胞分泌，并作用于特定受體，介導(dǎo)一系列生物功能，如炎癥、細(xì)胞增殖和分化。細(xì)胞因子根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能可分為不同的類別，包括白介素、干擾素、腫瘤壞死因子和趨化因子。

       聚合物是由共價鍵連接在一起的重復(fù)單元組成的化合物。它們可以是天然的，也可以是合成的。在疫苗的應(yīng)用中，聚合物可以用作載體來創(chuàng)建緩釋庫，以其大的交聯(lián)結(jié)構(gòu)攜帶抗原和其他免疫調(diào)節(jié)劑。這導(dǎo)致免疫系統(tǒng)持續(xù)的抗原呈遞和激活，從而產(chǎn)生更強、更持久的免疫反應(yīng)。

       皂苷是天然存在的具有兩親性的化合物，皂苷可以通過刺激抗原呈遞細(xì)胞如樹突狀細(xì)胞和促進細(xì)胞因子和趨化因子的產(chǎn)生來增強免疫反應(yīng)?；谠碥盏淖魟┑囊粋€實例是QS-21，其在AS01佐劑系統(tǒng)中與MPL（單磷酰脂質(zhì)a）組合使用，已用于開發(fā)抗瘧疾、結(jié)核病和帶狀皰疹等疾病的疫苗。

       病毒體由磷脂和病毒包膜蛋白組成，這些蛋白質(zhì)通常來源于不會導(dǎo)致人類疾病的病毒。病毒包膜蛋白提供了可以激活免疫系統(tǒng)的免疫原性表面，而磷脂有助于穩(wěn)定病毒體結(jié)構(gòu)并增加其被抗原呈遞細(xì)胞吸收。

       四、各種疫苗及其佐劑的作用

       佐劑在各種疫苗中已有廣泛的應(yīng)用。包括全病毒疫苗（如減毒活疫苗、滅活疫苗和病毒載體疫苗）、亞單位疫苗和核酸疫苗（包括DNA和mRNA）。

       滅活疫苗

       滅活疫苗通常由感染病毒的細(xì)胞產(chǎn)生并滅活，這確保了病毒不再具有傳染性，但保留了其抗原特性，使其有助于產(chǎn)生免疫反應(yīng)。滅活疫苗中使用的佐劑包括鋁佐劑、MF59、AS03和AS04。這些佐劑已用于疫苗，如H1N1流感疫苗和HPV疫苗。

       減毒活疫苗

       減毒活病毒疫苗是一種能夠在體內(nèi)復(fù)制但不會致病的弱化病毒。因此，它們可以引發(fā)強烈而持久的免疫反應(yīng)。佐劑通常不用于減毒活疫苗，因為疫苗本身已經(jīng)是免疫系統(tǒng)的強大刺激物。然而，一些研究已經(jīng)探索了將佐劑與減毒活病毒疫苗一起使用，以潛在地提高其有效性。如MF59作為減毒流感活疫苗的佐劑，其已被證明可以改善老年人的免疫反應(yīng)。

       病毒載體疫苗

       具有復(fù)制能力和不具有復(fù)制能力的腺病毒載體通常用于表達(dá)病毒蛋白的抗原。佐劑可與病毒載體疫苗聯(lián)合使用，以增強疫苗產(chǎn)生的免疫反應(yīng)。例如，Oxford-AstraZeneca COVID-19新冠肺炎疫苗是一種病毒載體疫苗，它使用弱化版的黑猩猩腺病毒來傳遞SARS-CoV-2刺突蛋白的遺傳物質(zhì)。這種疫苗含有一種名為AS03的佐劑，它是角鯊烯、聚山梨醇酯80和維生素E的組合。

       病毒樣顆粒疫苗

       在這種策略中，結(jié)構(gòu)病毒蛋白被共表達(dá)以形成非傳染性顆粒作為疫苗免疫原。它們類似于真正的病毒粒子，但缺乏病毒基因組。佐劑可用于病毒樣顆粒疫苗，以增強免疫反應(yīng)并提高疫苗效力。病毒樣顆粒疫苗常用的佐劑包括鋁鹽、MF59和CpG。這些佐劑刺激免疫系統(tǒng)對VLP疫苗產(chǎn)生更強、更持久的反應(yīng)。

       DNA疫苗

       基于DNA的疫苗利用DNA質(zhì)粒作為載體將編碼抗原的基因轉(zhuǎn)移到宿主細(xì)胞，特別是抗原呈遞細(xì)胞中。然而，與其他疫苗類型相比，DNA疫苗的免疫原性往往有限，這可能會限制其有效性。佐劑可以通過增強對編碼抗原的免疫反應(yīng)來幫助克服這一限制。已經(jīng)在DNA疫苗中測試了各種佐劑，包括鋁佐劑、CpG和脂質(zhì)體。

       mRNA疫苗

       mRNA疫苗將mRNA分子直接注射到宿主細(xì)胞中，然后在細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)化為靶蛋白。與傳統(tǒng)疫苗相比，mRNA疫苗具有許多優(yōu)點，如安全性、靈活性、可擴展性和成本效益。mRNA疫苗通常不需要佐劑，因為mRNA分子本身能夠刺激免疫系統(tǒng)。然而，也正在進行一些研究，以探索在mRNA疫苗中使用佐劑來提高其有效性，特別是對于某些可能對疫苗免疫反應(yīng)較弱的人群，如老年人。

       基于蛋白亞單位的疫苗

       基于蛋白亞蛋白的疫苗只含有病原體的一種或多種特定蛋白質(zhì)，而不是整個病原體。佐劑通常與蛋白質(zhì)亞單位疫苗一起使用，通過增加對蛋白質(zhì)抗原的免疫反應(yīng)來增強其有效性。鋁佐劑是基于蛋白質(zhì)亞單位疫苗最常用的佐劑，它們已被證明可以增強抗體對抗原的反應(yīng)。其他佐劑，如MF59、AS03和AS04，也已用于基于蛋白質(zhì)亞基的疫苗，以提高其免疫原性。此外，正在研究新的新型佐劑，如CpG，用于蛋白質(zhì)亞單位疫苗，以進一步增強其免疫反應(yīng)。

       五、新型疫苗佐劑的新進展

       新型佐劑的設(shè)計原則

為了開發(fā)更有效的佐劑疫苗，了解佐劑的工作原理并遵循一些設(shè)計原則是很重要的。以問題為導(dǎo)向的原則包括考慮四個主要問題：（1）預(yù)防特定病原體疾病所需的免疫反應(yīng)，（2）可以誘導(dǎo)所需免疫反應(yīng)的相關(guān)先天免疫細(xì)胞，（3）這些先天細(xì)胞亞群在體內(nèi)的定位，以及（4）模式識別受體在這些細(xì)胞上的表達(dá)。

       基于這些問題，在設(shè)計疫苗佐劑時需要考慮四個步驟。首先，應(yīng)確定疫苗在宿主中發(fā)揮效力所需的免疫效應(yīng)元件的類型。這應(yīng)該考慮抗原類型、靶細(xì)胞亞群和表型以及免疫途徑，以指導(dǎo)遞送系統(tǒng)和免疫刺激劑的選擇。其次，合適的疫苗抗原的鑒定應(yīng)基于對免疫識別和保護的分子機制的理解。疫苗必須以正確的構(gòu)象向適當(dāng)?shù)募?xì)胞群提供足夠量的正確抗原，以誘導(dǎo)免疫反應(yīng)保護，同時考慮誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)的耐受性和安全性。第三，佐劑需要一個遞送系統(tǒng)，無論是合成的還是天然的。這需要設(shè)計合適的抗原遞送模式，并結(jié)合相關(guān)的免疫刺激物。第四，疫苗和佐劑的制備過程都應(yīng)該相對簡單。

       新疫苗佐劑

       制劑佐劑的免疫刺激劑和制劑組分的正確選擇對于誘導(dǎo)靶抗原的適當(dāng)免疫反應(yīng)至關(guān)重要。相同免疫調(diào)節(jié)分子的不同制劑可能誘導(dǎo)顯著不同的免疫反應(yīng)。例如，用AS02配制的RTS，S候選疫苗保護了6/7的疫苗接種者免受感染，而用AS03或AS04配制的相同抗原分別只保護了2/7和1/8。

為了制造改進的佐劑，必須確保每個成分都是必要的，并增加明顯的價值，同時不引入重大的不合理負(fù)擔(dān)。AS01是目前許可產(chǎn)品中最成功的佐劑，對帶狀皰疹的療效為97%。AS01佐劑的開發(fā)是基于兩種關(guān)鍵成分MPL和QS-21在一起使用時導(dǎo)致先天激活的協(xié)同作用，單獨使用任何一種分子都無法實現(xiàn)這種協(xié)同作用。

       利用系統(tǒng)疫苗學(xué)

       系統(tǒng)疫苗學(xué)是一種跨學(xué)科方法，涉及早期使用人體研究來生成"組學(xué)"數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于制定關(guān)于候選佐劑刺激強大和持久的抗原特異性T和B細(xì)胞反應(yīng)機制的新假設(shè)。然后可以在動物模型中重新測試這些假設(shè)，隨后的機制見解可以用于設(shè)計新的佐劑概念。此外，系統(tǒng)疫苗學(xué)方法不僅可用于佐劑的作用機制，還可用于制劑配方發(fā)揮作用的潛在機制、接種后不久發(fā)生的不良反應(yīng)的潛在機制，以及疫苗遞送最佳配方的合理設(shè)計?？偟膩碚f，這種基于系統(tǒng)疫苗學(xué)的跨學(xué)科方法有可能改變佐劑科學(xué)，加速疫苗用新型佐劑的開發(fā)。

       無創(chuàng)疫苗遞送

       對非侵入性疫苗遞送的研究是一個關(guān)鍵焦點，可能對全球大規(guī)模疫苗接種產(chǎn)生重大影響。優(yōu)先考慮開發(fā)安全、有效、低成本的佐劑疫苗配方，以產(chǎn)生所需的免疫反應(yīng)和長期免疫力。隨著我們對免疫保護分子機制的理解提高，以及合成化學(xué)新方法的發(fā)展，疫苗開發(fā)有望取得突破。新的技術(shù)，如新的乙二醇偶聯(lián)方法、反向疫苗學(xué)和下一代測序技術(shù)，可能會為HBV、百日咳毒素、萊姆病和HPV等疾病帶來新的疫苗策略，無論是否使用佐劑。

       總之，新型疫苗的研究目標(biāo)是通過引入新的免疫刺激劑和新的遞送系統(tǒng)來確保高水平的廣泛保護，這些系統(tǒng)將功效與長期記憶免疫反應(yīng)性和安全性相結(jié)合。

       結(jié)語

       近一個世紀(jì)以來，佐劑在疫苗開發(fā)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，增強了免疫原性。了解各種佐劑對免疫反應(yīng)的影響，它們與不同抗原類型和疫苗平臺的協(xié)同作用，以及對這些佐劑的全面分析，將有助于選擇提供必要免疫保護的佐劑。隨著新冠肺炎等新興疾病的持續(xù)挑戰(zhàn)和尋找更明確的治療方法，開發(fā)安全有效的疫苗勢在必行。更明智地選擇佐劑和抗原不僅可以加強對傳統(tǒng)疫苗反應(yīng)不佳人群的保護，還可以開辟預(yù)防應(yīng)用之外的新途徑。這一方法對于應(yīng)對當(dāng)前和未來的全球衛(wèi)生挑戰(zhàn)至關(guān)重要。

       參考資料：

       1.Vaccine adjuvants: current status, research and development, licensing, and future opportunities. J Mater Chem B.2024 Apr 9.