首页 > 技术资料 > 实验科研 > 合成生物学在病毒样颗粒疫苗中的应用

合成生物学在病毒样颗粒疫苗中的应用

2018/11/16 中广微生物

疫苗接种是预防和控制疾病最有效的方法,过去天花、麻疹和白喉等疾病通过疫苗接种得到了有效的控制,但是由于传统疫苗生产难度大、抗原多样性和安全性等问题,使疫苗的发展受到了限制。随着传统疫苗的升级换代,病毒样颗粒(Virus-like particles,VLPs)成为了当今病毒性疫苗研究的热点。

  VLP是病毒的一种或多种衣壳蛋白在异源系统内重组表达,并在该系统内或系统外正确折叠组装形成的一种不含有病毒遗传物质的空心颗粒。VLP具有和天然病毒粒子相似的形态以及抗原性和免疫原性,且不含遗传物质,是疫苗研发的重要候选载体。

目前,大量研究证实,VLP可以呈递多种病原体的异源抗原,所以可以通过合理的生物工程方法实现针对不同疾病的疫苗的开发。其中合成生物学为生产VLP疫苗开辟了新的策略,合成生物学可以通过重新设计和构建,对病毒壳的组成和组装实现更精确和可预测的控制,本篇文章作者总结了目前合成生物学在VLP功能和生产制造过程中的应用。

1.VLP疫苗设计工具

基于整合生物数据和计算分析结果,合成生物学技术可以协助研究人员设计出效应强、安全性高以及减少疫苗生产时间的新型生物系统,然后借助基因组学技术结构生物学技术、系统免疫学技术和生物信息学等多种工具,共同用于设计现代VLP疫苗。

1.1 基因组学技术

通过基因组学技术可以快速鉴定和发现新型或潜在的疫苗抗原,在过去十年中,结合基因组学与合成生物学技术,已经设计出了许多VLP候选疫苗,这些疫苗较传统疫苗更为安全。其中几种基因组学方法的应用如下:

(1)反相基因组学将基因组学与蛋白质组学和生物信息学相结合,能够识别来自基因组编码区的所有潜在保护性抗原。

(2)功能基因组学通过基因表达分析检测及突变检测,可用来鉴定蛋白的功能。

(3)免疫组学主要研究宿主免疫系统识别病原体衍生蛋白或表位的亚组信息,通过评估这些表位信息是否是临床免疫应答的相关靶标,验证计算机/体外方法鉴定的抗原是否具有免疫原性。

1.2 结构生物学

VLP的衣壳蛋白需要正确的折叠才能确保VLP的功能性,VLP 的结构特征可以通过成像技术评估,例如低温电子显微镜、原子力显微镜和动态光散射等,这些成像方法提供了VLP的三维结构数据,研究人员通过通过重新配置合适表位或设计保守的表位,可以使疫苗暴露出具有高免疫原性的区域,还能在同一个VLP疫苗中插入多个免疫显性表位,从而扩大免疫反应。表1给出了到目前为止,基于结构的设计方法开发出的VLP平台。

1.3 系统免疫学

通过系统免疫学可以了解大多数细胞类型(包括B、T细胞)的免疫信息,包括免疫相关性、功能、信号分子和编码基因等,可以为疫苗设计提供指导。通过该方法也验证了VLP是优异的候选载体,因为VLP能够刺激B细胞介导的免疫应答、引起CD4增殖反应以及刺激细胞毒性T淋巴细胞应答。

1.4 生物信息学和计算生物学

利用生物信息学和计算生物学技术可以加速数据分析并转化为适用的知识,通过减少经验数据的误差来促进新抗原的发现。除此之外,利用生物信息学和计算生物学技术还可以分析突变序列以帮助研究人员发现保守表位。

2.工程化VLP的功能

工程化VLP的类型:VLP主要分为包膜VLP和非包膜VLP,包膜的VLP是自组装衣壳,当从宿主细胞出芽时,具有脂质层,而非包膜VLP不具有脂质层。

(1)包膜VLP可以在自组装衣壳蛋白的基础上以其天然构型呈递异源膜蛋白,而非包膜VLP主要通过遗传融合和化学缀合的方式插入异源抗原,异源抗原的大小影响VLP和装配和抗原的正确表达,研究表明小分子肽易于插入到VLP结构中且不影响VLP的组装。

(2)无包膜VLP在结构上比包膜VLP简单,可以在原核和低级真核系统中产生,易于扩增,从而降低成本、缩短生产时间。在包膜VLP中存在脂质双层需要使用真核宿主进行表达,增加了整体生产时间和成本,且包膜的VLP允许呈递需要膜结合的抗原模块。

工程化VLP的功能:

(1)免疫反应范围广:通过在单个VLP内结合多个抗原性不同的表位(表位类型:高度保守的表位、计算优化的表位等),可以获得具有广泛的免疫原性VLP。

(2)改善免疫原性:通过将免疫调节剂(例如树突细胞靶向抗体)掺入颗粒结构中,可以实现改善VLP免疫原性。

(3)改善稳定性:通过优化VLP颗粒剂型可以增强VLP稳定性。

3. 合成生物学在VLP技术平台中的应用

用于插入异源抗原的病毒结构蛋白的工程化提供了制造多种疫苗的机会, 这种多功能性和模块化的VLP相结合,使VLP成为疫苗平台开发的理想选择。 不具有传染性的通用VLP平台有利于简化生物过程、预测生物安全性和药物监管。

合成生物学在VLP技术平台的开发中起着关键作用,合成生物学方法除了能扩大模块化潜在抗原的范围,还能通过修改平台解决VLP疫苗生产相关的问题,具体应用如下:

(1)高免疫原性是理想的疫苗属性,因此通过合成生物学将VLP平台结合抗原表位的模块设计为表面暴露的环形状,通过将抗原肽插入到暴露环中,由于暴露环表面突出,更容易接近免疫系统,所以可以增强短肽的免疫原性;

(2)若较为复杂的短肽结构,可以通过将表位支架参入到暴露环中来维持复合肽的结构特性,减少对暴露环模块的影响;

(3)若是较大的抗原导致空间位阻的情况,可以使用长柔性的富含甘氨酸的接头将大抗原模块连接到VLP平台上,使病毒衣壳蛋白和抗原之间的结构分离;

(4)通过合成抗原修饰的VLP+未修饰的VLP的环形结构,降低空间位阻;

(5)为了能插入具有延伸结构的抗原,通过设计分裂核心系统实现,例如将HBc Ag核心蛋白在免疫原性c/e1环内分开形成两个片段,在共表达之前将抗原融合到任一片段的c/e1末端,使得抗原的模块化能够在结构上不相容,在表达时又能够形成VLP。

4.VLP生产考虑因素

(1)表达宿主和培养参数的选择:考虑成本、产量和时间的基础上,可以优先选择大肠杆菌表达系统。在需要进行翻译后修饰的情况下,IC-BEVS可以用于制造VLP疫苗,例如目前许可的Cervarix®和PorcilisPCV®,但使用该表达系统产生的疫苗成本较高,其部分原因是由于产量较低,针对该限制性条件,有研究提出使用杆状病毒载体的合成工程可以增加VLP的表达产量。

(2)维持VLP的完整性和稳定性:VLP表征是分析VLP完整性和稳定性的关键步骤,通过VLP表征可以获得关于宿主和产物衍生的杂质的信息,这些杂质对疫苗功效和生物安全性有着显著的影响。目前开发的能快速分析VLP样品的方法有:基于动态光散射技术的高通量方法、尺寸排阻高效液相色谱法和生物层干涉测量技术等。

5.VLP疫苗的转化

VLP疫苗的开发已经超过30年,目前有6种商业许可的VLP疫苗和超过110种VLP疫苗处于临床试验中。VLP疫苗平台的开发克服了传统疫苗生产的诸多限制,如传统疫苗需要专门的生产设施和特定的制造工艺,使得成本提高,而标准化生产的非感染性通用疫苗平台可用于结合各种抗原,减少过程变化,缩短开发时间。目前一次性技术也应用于某些VLP疫苗中,与传统的不锈钢设备相比,一次性技术具有多项优势,包括较低的初始投资和运营成本,消除交叉污染,将可再生技术与VLP平台相结合,能快速推动VLP转化为工业生产,确保疫苗的供应。

总结:基于基因组学、结构生物学、系统免疫学和生物信息学等多种技术的分析结果,可以将得到的信息应用于表位预测和结构的模块设计中,结合合成生物学方法,为优化工程化VLP功能和开发通用VLP平台奠定基础。

郑州中广环保科技有限公司
【公众号】
郑州中广环保科技有限公司
【移动端】
联系我们
地址:郑州市郑东新区河南牧业经济学院
全国免费热线:0371-65805200
业务咨询 13938592527(微信同号)

版权所有:郑州中广环保科技有限公司 豫ICP备1961629988号-1   技术支持:郑州中广环保科技有限公司