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        豬傳染性胸膜肺炎亞單位疫苗研究進(jìn)展

        2015-03-23 16:51:36厚華艷呂茂杰楊保收
        關(guān)鍵詞:免疫原性血清型毒力

        厚華艷,梁 武,2,呂茂杰,楊保收*

        (1.天津瑞普生物技術(shù)股份有限公司瑞普生物研究院,天津 300308;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,北京 100094)

        豬傳染性胸膜肺炎(Porcine contagious pleuropneumonia,PCP)是由胸膜肺炎放線桿菌(Actinobacilluspleuropneumoniae,App)引起的高度傳染性、致死性的呼吸道疾病。該病的主要病變特征為肺部出血、壞死和纖維素性滲出,呈急性和慢性臨床特征,各年齡段豬只均可感染,感染且未死亡豬只呈生長(zhǎng)緩慢或無癥狀帶菌,成為主要傳染源,給養(yǎng)豬業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前,以莢膜多糖的組成和結(jié)構(gòu)為依據(jù)已發(fā)現(xiàn)有15個(gè)App血清型,其各個(gè)血清型的莢膜多糖都有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)組成,在免疫學(xué)上不同于其他型。根據(jù)App的生長(zhǎng)是否需要NAD因子(煙酰胺腺嘌呤二核甘酸)將App分為生物Ⅰ型和生物Ⅱ型2個(gè)生物型,生物Ⅰ型即為依賴外源NAD因子才能生長(zhǎng),菌株毒力強(qiáng),生物Ⅱ型生長(zhǎng)過程中不需要NAD因子,菌株毒力弱。以莢膜多糖(capsular polysaccharide,CPS)的抗原性為依據(jù)可將生物Ⅰ型App分為13個(gè)血清型(1~12,15),其中5型分為5a和5b兩個(gè)亞型,將生物Ⅱ型App分為兩個(gè)血清型(13,14)。每個(gè)血清型毒力不同但均可引發(fā)疾病。PCP的致病因子是其在宿主體內(nèi)定殖、持續(xù)感染及引起呼吸道及肺部損傷相關(guān)的毒力因子,主要有外毒素、脂多糖、莢膜多糖、外膜蛋白、轉(zhuǎn)鐵結(jié)合蛋白、蛋白酶和菌毛等,其中外毒素是App引起宿主肺部損傷最重要的毒力因子[1]。

        App對(duì)頭孢噻呋、氟苯尼考、地米考星等抗菌藥比較敏感[2],但長(zhǎng)期使用抗菌藥極易造成抗藥性及肉制品的藥物殘留,因此疫苗接種成為預(yù)防和控制本病行之有效的措施。全菌體滅活苗是預(yù)防PCP的“第一代疫苗”,是豬傳染性胸膜肺炎的傳統(tǒng)疫苗,它的優(yōu)點(diǎn)是安全、不存在散毒和造成新疫源的危險(xiǎn),不會(huì)返祖返強(qiáng),便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸,但是其保護(hù)力有限。滅活疫苗作為一種“死”苗,在滅活過程中某些抗原的免疫原性遭到破壞,最終影響其免疫效果,菌影疫苗也是一種“死”苗,實(shí)際是細(xì)菌的空殼,它是利用噬菌體ΦX174的E基因在革蘭陰性菌中表達(dá)后,在菌體上形成一個(gè)通道,使細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)及DNA都流失到體外,最終引起細(xì)菌的裂解失活而制備的一種疫苗,該疫苗菌體衣殼部分完整,具備良好的免疫原性,但其同滅活疫苗一樣缺乏分泌的外毒素,因此其交叉保護(hù)力有限[3]。弱毒活疫苗可提供針對(duì)多種血清型的交叉保護(hù)力,免疫效果強(qiáng)于滅活疫苗,但是弱毒株遺傳背景不明確,在基因上沒有被限定,在應(yīng)用中存在著毒力返強(qiáng)的危險(xiǎn)。

        隨著App毒力因子致病性及免疫原性研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)App的某些毒力因子,尤其是生長(zhǎng)過程中分泌到外界的Apx毒素在免疫保護(hù)中發(fā)揮重要作用。因此毒力因子相關(guān)的亞單位疫苗的研究開始引起人們的重視。本文主要針對(duì)豬傳染性胸膜肺炎亞單位疫苗的候選抗原、抗原制備、重組亞單位疫苗等方面進(jìn)行綜述。

        1 常規(guī)亞單位疫苗

        1.1 菌體表面結(jié)構(gòu)

        莢膜多糖(capsular polysaccharide,CPS)、脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)、外膜蛋白(outer membrane protein,OMP)及脂蛋白等菌體表面結(jié)構(gòu)是最初經(jīng)鑒定具有免疫原性的物質(zhì)[4]。但是,CPS、LPS及OMP有很高的異源性,免疫動(dòng)物不能對(duì)異源的血清型產(chǎn)生保護(hù)。脂蛋白有很高的免疫原性和免疫保護(hù)性,使用弱的去污劑處理可以促使菌體外膜釋放具免疫原性的脂蛋白,這種細(xì)胞釋放的上清物質(zhì)(cell-free supernatant,CFS)可以用于制備非重組亞單位疫苗[5]。但是評(píng)價(jià)OMP和脂蛋白產(chǎn)生的免疫保護(hù)性僅限于康復(fù)期血清的免疫印跡試驗(yàn),而對(duì)于在動(dòng)物體內(nèi)的免疫保護(hù)性還存在很多爭(zhēng)議。比如,Van Den Bosch H 等[6]發(fā)現(xiàn)在免疫豬體內(nèi)與免疫血清具有反應(yīng)性的PalA對(duì)PCP沒有免疫保護(hù)性;Neil J O等[7]發(fā)現(xiàn)高度保守并具免疫原性的外膜蛋白comL、lolB、lppC、ompA不能對(duì)PCP產(chǎn)生免疫保護(hù)作用。

        Ⅳ型菌毛在App其致病過程中發(fā)揮重要作用,ApfA蛋白是其主要亞單位蛋白,且其在App血清型中有很高同源性。Lenka S等[8]、Zhou Y 等[9]均認(rèn)為ApfA蛋白有很高免疫原性可作為App亞單位疫苗的候選抗原。

        1.2 鐵攝取系統(tǒng)

        App的鐵攝取系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)鐵蛋白、血紅蛋白、鐵絡(luò)環(huán)肽和氧肟酸鹽鐵載體等,鐵攝取相關(guān)蛋白具有免疫保護(hù)性可作為亞單位疫苗的候選抗原。60、62、65ku的轉(zhuǎn)鐵蛋白B存在于所有App血清型中,60 ku的Tbp免疫豬后僅對(duì)同源的血清型產(chǎn)生有限的保護(hù)性。鐵絡(luò)環(huán)肽和血紅蛋白受體FhuA和HgbA在所有的App血清型中都很保守,豬只感染試驗(yàn)顯示血紅蛋白受體HgbA是很重要的毒力因子可以做為亞單位疫苗的候選抗原[10]。TonB2周質(zhì)蛋白在細(xì)胞質(zhì)膜到外膜受體質(zhì)子運(yùn)輸過程中發(fā)揮作用,Liu J等[11]發(fā)現(xiàn)TonB2是App的重要抗原并能產(chǎn)生有效保護(hù)作用。

        1.3 外毒素

        外毒素(Actinobacilluspleuropneumoniae-RTX-toxin,Apx)是由多種革蘭陰性細(xì)菌產(chǎn)生的一種外毒素,該毒素含有富含甘氨酸和天冬氨酸的調(diào)控元,在C端有9次~40次的重復(fù),此調(diào)控元可以結(jié)合鈣離子,是毒素生物活性的關(guān)鍵。Apx毒素是App的主要毒力因子,屬于分泌型RTX家族成員,并具有很強(qiáng)的免疫原性和免疫保護(hù)性。Apx毒素中和抗體保護(hù)中性粒白細(xì)胞免于被殺并使其有效清除細(xì)菌。免疫豬通過氣霧法攻毒App 1型可以產(chǎn)生IgG1亞類抗溶血素抗體。提純ApxⅠ和ApxⅡ制備的溶血素疫苗在豬體內(nèi)可以對(duì)App 1型產(chǎn)生很好的保護(hù)性[12]。Apx毒素和其他細(xì)菌的復(fù)合物組合的免疫試驗(yàn)顯示,Apx毒素在抵抗細(xì)菌侵襲中是不可或缺的。目前,幾乎所有商業(yè)化的App亞單位疫苗比如“二代疫苗”都包含Apx毒素。

        1.4 其他毒力因子

        App有很多毒力因子只能在體內(nèi)表達(dá)(比如ApxⅣ),但有研究數(shù)據(jù)顯示支氣管肺泡液可上調(diào)ApxⅣ基因的表達(dá),Buettner使用PPLO培養(yǎng)基在鐵限制條件誘導(dǎo)ApxⅣ基因的表達(dá),并首次在體外培養(yǎng)的 App的 DIVA(differentiating infected from vaccined animals,DIVA)亞單位疫苗中鑒定到 ApxⅣ蛋白[13]。目前有效亞單位疫苗抗原的發(fā)現(xiàn)還是很有限的,還需要更有力的基因工程及遺傳學(xué)方法。

        盡管App有很多毒力因子及具有免疫原性的蛋白,但單一抗原組分的亞單位疫苗只能提供部分保護(hù),且交叉保護(hù)力弱。在PCP亞單位疫苗研究中,多以Apx毒素為主要成分,多種抗原組合的亞單位疫苗為主,其免疫效果明顯高于單一組分的亞單位疫苗。Van Den Bosch H 等[6]將3種毒素和轉(zhuǎn)鐵蛋白為組分的亞單位疫苗與滅活疫苗的免疫效果相比較,發(fā)現(xiàn)前者免疫組的發(fā)病率低、肺部病變顯著減少。Porcilis App是一種包含 ApxⅠ、ApxⅡ、ApxⅢ和42ku OMP的一種亞單位疫苗,可誘導(dǎo)產(chǎn)生交叉保護(hù),并產(chǎn)生高水平的相應(yīng)抗體[12]。在法國(guó)、意大利、荷蘭、瑞士、澳大利亞等國(guó)家進(jìn)行的田間試驗(yàn)進(jìn)一步證明,該疫苗可以極其顯著地降低死亡率和臨床癥狀,幾乎無肺部損傷。

        2 PCP亞單位疫苗抗原成分制備

        2.1 CPS、LPS、OMP制備

        Willson P J等[14]利用鹽析法提取1型 App的細(xì)胞碎片,包括多糖、LPS和OMP蛋白等物質(zhì)與相應(yīng)佐劑混合制成疫苗,免疫豬可獲得免疫保護(hù)性。關(guān)于PCP亞單位疫苗抗原成分CPS、LPS及OMP的制備方法,劉霞等[15]用十六烷基溴化銨-無水乙醇法制備App的CPS,用酚-水法制備LPS,用N-十二烷?;彼岱ㄌ崛⊥饽さ鞍祝瑑?yōu)化其免疫劑量后免疫小鼠獲得較強(qiáng)的免疫保護(hù)作用。上述試驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)單、快速,對(duì)試劑、儀器設(shè)備要求低,但提取的產(chǎn)物濃度較低,不適用于大量生產(chǎn)。

        2.2 Apx毒素表達(dá)純化

        溶血毒素(Apx)是決定App致病性強(qiáng)弱的關(guān)鍵因素,App能產(chǎn)生四種溶血毒素,即ApxⅠ、ApxⅡ、ApxⅢ和ApxⅣ。ApxⅠ、ApxⅡ具有溶血活性和細(xì)胞毒性,而ApxⅢ只有細(xì)胞毒性,ApxⅣ是新發(fā)現(xiàn)的一種Apx毒素,具有弱溶血活性,且體外不能分泌。Yoshihisa等采用親和層析法提純App溶血毒素(包括ApxⅠ和ApxⅡ),具有很高活性。但是Bohach認(rèn)為大腸埃希菌α-溶血素屬于RTX家族蛋白且與LPS形成大分子復(fù)合物,ApxⅠ及ApxⅡ均屬于RTX家族成員,且 ApxⅠ(105ku)和 ApxⅡ(103ku)不能通過300ku的超濾膜,充分證明了ApxⅠ和ApxⅡ與LPS形成大分子復(fù)合物,因此提純的ApxⅠ和ApxⅡ免疫豬只后觀察的癥狀均為溶血毒素與LPS復(fù)合物產(chǎn)生的,而很小劑量的LPS就會(huì)引起豬只的多種臨床癥狀,所以盡可能的分離溶血毒素-LPS復(fù)合物才會(huì)獲得較安全的溶血毒素亞單位疫苗[16]。

        研究表明,App在體內(nèi)和體外不同條件下如溫度、鐵濃度、pH、滲透壓、NAD(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸)濃度等所表達(dá)的毒力因子是不同的。培養(yǎng)液中NAD濃度對(duì)生物Ⅰ型App的生長(zhǎng)有較大影響,低濃度NAD的培養(yǎng)條件能夠使App分泌更多的毒素[17],培養(yǎng)液中游離的Ca2+可影響ApxⅠ的分泌,但不影響其活性,ApxⅡ、ApxⅢ的分泌不需要Ca2+,但其活性卻需Ca2+作為輔助因子,因此為提高ApxⅠ、ApxⅡ、ApxⅢ毒素分泌及活性,馬艷芳在培養(yǎng)App時(shí)在血清型3、7、10的LB培養(yǎng)液中加入0.02%NAD,在10型App擴(kuò)大培養(yǎng)時(shí)在LB培養(yǎng)液中加入終濃度為1mmol/L的CaCl2,在提取、純化ApxⅡ、ApxⅢ時(shí),在Tris-HCl緩沖液中加入終濃度為1mmol/L的CaCl2。馬艷芳對(duì)毒素純化工藝流程進(jìn)行優(yōu)化,即將Sephadex D-200凝膠過濾層析、超濾管超濾同時(shí)進(jìn)行,保證毒素活性不會(huì)降低,并提高了樣品的純度和產(chǎn)量。此方法簡(jiǎn)單快速,對(duì)設(shè)備要求低,純化結(jié)果能夠滿足實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步試驗(yàn)研究的需要[18]。

        3 重組亞單位疫苗

        由于Apx毒素的良好免疫原性,人們使用基因工程方法對(duì)App的毒力因子進(jìn)行了重組表達(dá),并對(duì)其進(jìn)行免疫原性研究。Seah J N 等[19]將 ApxⅠA基因的N端部分編碼區(qū)(40aa~380aa)在體外表達(dá)后免疫試驗(yàn)動(dòng)物,免疫動(dòng)物能抵抗至少3種血清型App的攻擊。嚴(yán)克霞等[20]體外表達(dá)App的ApxⅡ的結(jié)構(gòu)基因apxⅡA,其復(fù)性的重組毒素Ⅱ具有良好的免疫原性。王春來等[21]體外重組表達(dá)了豬傳染性胸膜肺炎放線桿菌的5種主要毒力因子rApxⅠ、rApxⅡ、rApxⅢ、rApxⅣ和rOMP重組蛋白,以不同組分分組免疫小鼠,結(jié)果表明,rApxⅣ能夠產(chǎn)生高滴度抗體并能產(chǎn)生很強(qiáng)的保護(hù)力。邵美麗等[22]體外重組表達(dá)了豬傳染性胸膜肺炎放線桿菌的6種主要毒力因子rApxⅠ、rApxⅡ、rApxⅢ、rApxⅣ、rApfa和rOMP,以不同組分組合免疫小鼠,rApxⅠ、rApxⅡ、rApxⅢ和rOMP組合免疫組可對(duì)小鼠產(chǎn)生高效的交叉保護(hù)力,增加免疫次數(shù)其抗體水平也會(huì)增加,而rApfa并沒有提高免疫保護(hù)力,可能是因?yàn)閞Apfa的加入使rApxⅠ、rApxⅡ、rApxⅢ和rOMP的抗體滴度下降所致。Shin M K等[23]將霍亂毒素B與ApxⅡA融合表達(dá)于一種植物草料種子中,飼喂后小鼠誘導(dǎo)其產(chǎn)生了針對(duì)Apx特異的免疫反應(yīng)。

        陳夏冰等[24]依據(jù)基因組雜交和轉(zhuǎn)錄譜分析重組表達(dá)了表面蛋白APJL-0126、HbnA和OmpW,免疫小鼠,可誘導(dǎo)產(chǎn)生高低度抗體,可作為PCP亞單位疫苗的添加組分,以提高免疫保護(hù)效力。Lee S H等[25]將App的ApxⅢ的N末端與豬肺炎支原體P97黏附素的R1和R2重復(fù)片段融合表達(dá),稱為蛋白Ap97,制成疫苗免疫動(dòng)物獲得很好的免疫效果。Seo K W 等[26]表達(dá)1型App的ApxⅡA的439-801的氨基酸片段,制成疫苗鼻內(nèi)免疫小鼠,產(chǎn)生全身性的黏膜免疫反應(yīng),并可對(duì)5型App分泌的ApxⅠ、ApxⅡ產(chǎn)生交叉免疫保護(hù)。

        大腸埃希菌表達(dá)系統(tǒng)是目前掌握最為成熟的的表達(dá)系統(tǒng),其細(xì)胞繁殖快、產(chǎn)量高、IPTG誘導(dǎo)表達(dá)相對(duì)簡(jiǎn)單,成為重組蛋白最常用的表達(dá)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用pGEX-6p-1或pET表達(dá)載體表達(dá)Apx毒素及OMP蛋白,OMP蛋白以可溶性形式表達(dá);Apx毒素以包涵體形式表達(dá),變性復(fù)性后進(jìn)行純化。大腸埃希菌表達(dá)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于遺傳背景清楚、繁殖快、成本低、表達(dá)量高、表達(dá)產(chǎn)物容易純化、穩(wěn)定性好、抗污染能力強(qiáng)及適用范圍廣。但是原核蛋白表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)的蛋白翻譯后缺乏加工機(jī)制,如二硫鍵的形成、蛋白糖基化和正確折疊,得到具有生物活性的蛋白幾率較小。

        4 討論

        亞單位疫苗最大優(yōu)點(diǎn)是使用時(shí)不必檢測(cè)患豬血清型,可以在全世界通用。Apx毒素是App的主要保護(hù)性抗原,與免疫保護(hù)作用密切相關(guān),是疫苗的重要組分,但單一抗原組分的亞單位疫苗只能提供部分保護(hù),且交叉免疫保護(hù)效果差。在PCP亞單位疫苗研究中,人們將Apx毒素做為多抗原亞單位疫苗的主成分,研究含多種抗原的亞單位疫苗的最適組合及發(fā)現(xiàn)App亞單位疫苗候選抗原將是我們的研究重點(diǎn)之一。常規(guī)亞單位疫苗抗原均是天然提取的App毒力因子,其提取純化方法均為傳統(tǒng)的物理、化學(xué)方法,成本高、價(jià)格昂貴,提取產(chǎn)物濃度較低,且App在體內(nèi)和體外不同條件下所表達(dá)毒力因子是不同的。因此如何篩選合適的培養(yǎng)條件以利于毒力因子的高效表達(dá),并簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程,獲取大量抗原,將成為亞單位疫苗努力的方向。基因工程方法獲取抗原制備重組亞單位疫苗,生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單,成本較低,產(chǎn)物純度濃度均較高,且利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),為亞單位疫苗抗原的獲取提供了新思路。

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