疫苗佐剂研究的现状和未来机遇

前言

疫苗是人类历史上最重要的发明之一，其彻底改变人类的生命健康安全。通常，疫苗的作用是触发先天免疫反应并刺激抗原呈递细胞，从而产生针对特定病原体抗原的防御性适应性免疫反应。佐剂是一种关键成分，通常用作添加剂，以提高疫苗的效力和免疫原性。90多年来，佐剂一直是许多人类疫苗的重要成分，通过增强、调节和延长免疫反应来提高其疗效。

目前，欧洲药品管理局和美国食品药品监督管理局（FDA）批准的绝大多数人类使用的疫苗都使用铝盐作为佐剂，这是疫苗配方中使用最古老的佐剂。为了提高疫苗的安全性和有效性，增加新佐剂的种类和数量是非常必要的。纳米技术和分子生物学等现代技术的进步有力地促进了对佐剂成分的开发过程，从而提高了疫苗的效力。一种好的佐剂必须是安全的、有效的、易于生产的；具有良好的药用特性（pH值、渗透压、内毒素水平等）和耐用性；最后，在经济上也可承受。微粒、乳液以及免疫刺激剂在疫苗生产中显现出巨大的潜力。

疫苗佐剂的发展史

疫苗佐剂研究领域自20世纪初成立以来取得了显著进展。随着传染病越来越普遍，免疫接种已成为限制其传播和减少相关危害的最有效方法。然而，早期的疫苗往往被证明是无效的，因为单独纯化的抗原无法引发足够强的免疫反应。为了克服这一挑战，人们在疫苗中引入了佐剂，佐剂是添加到疫苗中以增强其免疫原性的材料，从而增强它们的有效性。

现代佐剂的发展是一个缓慢而富有挑战性的过程。研究人员的目标是研制出能在保持安全的同时诱导强烈免疫反应的疫苗。这项工作包括有选择地将确定功效的分子和制剂结合在一起，并同时探索发现更多的天然和合成化合物。

铝盐是第一种被发现的佐剂，可以增强对疫苗的免疫反应，以对抗乙型肝炎、破伤风、白喉、百日咳和人乳头瘤病毒等疾病。铝盐的有效性归因于它们在注射部位形成抗体贮库、诱导炎症以及激活树突状细胞和T细胞的能力。然而，尽管铝佐剂在疫苗中已经使用了70多年，但其确切的免疫机制仍不完全清楚。

20世纪90年代后期的佐剂发展包括水包油乳液。这些乳液有助于抗原在较长时间内缓慢释放，激活先天免疫系统，并诱导体液和细胞免疫反应。这种乳液最早应用于Fluad，这是一种针对65岁以上成年人的季节性流感疫苗。其他获得FDA许可的佐剂包括MF59，一种水包油乳液佐剂，含有角鲨烯、一种可生物降解的油和一种表面活性剂，用于流感疫苗；AS03 ，包含a-生育酚、角鲨烯和一种表面活性物质，用于H1N1流感疫苗和一些大流行性的流感疫苗；以及AS01，一种脂质体和单磷酸脂质a的混合物，已用于RTS，S/AS01疟疾疫苗和Shingrix 带状疱疹疫苗。近几年，新型的疫苗佐剂，如TLR9激动剂CpG-1018也获得FDA批准应用于乙型肝炎疫苗Heplisav-B的佐剂。

尽管还有许多其他佐剂在临床前模型中显示出高效力，但由于安全性或耐受性问题，大多数佐剂尚未获得人类使用许可。此外，包括明矾、MF59和AS0系统佐剂在内的现有佐剂如何在人类中发挥作用的分子机制仍不完全清楚。

佐剂的益处和效果

总的来说，疫苗佐剂在提高疫苗的有效性和可及性以及减轻全球传染病负担方面发挥着至关重要的作用。它们的用途和其他实际应用详细如下：

（1） 缓解有限的疫苗供应：佐剂可以增强免疫反应，从而减少疫苗剂量，实现充分保护。这缓解了医疗系统的压力，并增加了那些无法接受多次剂量的人的可及性。

（2） 实现快速免疫反应：佐剂刺激对疫苗抗原产生更强、更持久的反应，提供更好的保护。

（3） 扩大抗体反应：佐剂扩大了对具有显著抗原漂移或毒株变异的病原体的抗体反应，这对流感、人乳头瘤病毒（HPV）和疟原虫等疾病至关重要。

（4） 增强抗体反应的幅度和功能：佐剂不仅增加抗体反应的幅度，还增加其功能、亲和力或免疫系统产生的功能性抗体的数量。

（5） 增强T细胞反应：许多新型的疫苗佐剂可以诱导T辅助细胞更有效地参与，以优化抗体反应的质量和持久性，或诱导可以靶向和消除细胞内病原体的效应CD4+或CD8+T细胞。因此，新疫苗可能包括toll样受体（TLRs）和其他先天免疫受体的激动剂，以促进T辅助细胞反应的产生。这种方法能够克服传统佐剂的局限性，创造更有效的疫苗，对更广泛的病原体提供持久的保护。

（6） 开发新疫苗：佐剂对于开发传统疫苗无效的疾病疫苗、增强免疫反应和靶向多种病原体菌株至关重要。它们可以增强对疫苗的免疫反应，并有助于靶向多种病原体。

（7） 提高安全性：通过增强免疫反应，佐剂可以降低疫苗相关的不良事件风险。

佐剂的种类及其作用机制

铝佐剂

铝佐剂是第一批用于授权人类疫苗的佐剂，并且仍然是使用最广泛的佐剂。它们由氢氧化铝、磷酸铝或两者的组合组成，可以在注射部位形成抗原贮库，随着时间的推移缓慢释放疫苗抗原，从而产生更强和延长的免疫反应。它们已被证明可以增强对多种抗原的免疫反应，包括乙型肝炎、HPV和肺炎球菌疫苗中的抗原。

无机纳米粒子佐剂

基于无机纳米颗粒的疫苗佐剂，如纳米铝、层状双金属氢氧化物（LDH）、和纳米/介孔二氧化硅、纳米金刚石以及量子点，已被证明可以增强疫苗免疫反应的潜力。基于无机纳米粒子的疫苗佐剂的作用机制涉及它们与免疫系统的相互作用，以增强和调节对疫苗中存在的抗原的免疫反应。无机纳米颗粒作为抗原的载体，确保其有效递送至抗原呈递细胞（APC）。一些无机纳米粒子佐剂，如铝基佐剂，在注射部位诱导局部炎症，将免疫细胞吸引到该位点，并促进APC的募集。无机纳米粒子佐剂有助于开发持久的免疫记忆。这确保了免疫系统“记住”遇到的抗原，在随后暴露于病原体时提供保护。

乳液佐剂

当两种无法形成均匀混合物的液体聚集在一起时，就会形成乳液。乳液由两种不混溶的液体组成，通常是油相和水相，它们由表面活性剂稳定。乳液的工作原理是在油相中形成抗原的小液滴，然后将其分散在整个水相中。抗原包含在水滴中，油起到储存库的作用，缓慢释放抗原，并通过减少清除时间和延长抗原暴露时间来增强免疫反应。此外，乳液佐剂也能激活先天免疫系统，诱导体液和细胞免疫反应的能力。

最早被批准用于人类疫苗的水包油佐剂之一是MF59，它含有角鲨烯、聚山梨醇酯80、山梨醇三油酸酯和柠檬酸三钠脱水物。MF59诱导ATP释放并上调细胞因子和趋化因子，以增强疫苗接种部位的抗原特异性免疫反应。另一种水包油乳液佐剂是AS03，它含有表面活性剂聚山梨醇酯80和两种可生物降解的油，角鲨烯和DL-a-生育酚。2009年，欧盟批准了AS03佐剂Pandemrix的上市授权，2013年，AS03佐剂甲型流感（H5N1）单价疫苗获得了FDA的批准。

TLR激动剂

TLRs是一种模式识别受体，在对入侵病原体的先天免疫反应中起着至关重要的作用。这些受体分为两组：细胞表面TLR（TLR1、TLR2、TLR4、TLR5和TLR6）和细胞内TLR（TLR3、TLR7、TLR8和TLR9），它们在内涵体膜上表达。

CpG是一种合成的DNA分子，具有含有未甲基化CpG基序的硫代磷酸根骨架。CpG对TLR9的激活增强了对抗原的特异性体液和细胞免疫反应。CpG是一种强效佐剂，可诱导1型辅助性T（Th1）反应，并促进细胞毒性T淋巴细胞（CTL）的产生和IFN-γ的分泌。此外，CpG可以促进抗原的免疫刺激作用，激活抗原呈递细胞，加速免疫反应。CpG还促进浆细胞样树突状细胞（pDC）上主要组织相容性复合体（MHC）、CD40和CD86的表达，并增强抗原处理，导致强大和持续的免疫反应。

脂质体

脂质体是一种疫苗佐剂，由磷脂和胆固醇组成，是一种小的球形结构，可以包裹抗原和其他免疫刺激分子。它们是可生物降解的、生物相容的，并允许进行多功能的结构修饰，从而实现可调节的特性和毒性。脂质体可用于将抗原递送至抗原呈递细胞，如树突状细胞，后者可激活免疫系统。此外，脂质体能够增强体液和细胞免疫反应，诱导Th1偏向性反应，这对清除细胞内病原体和增强抗体反应很重要，使其成为疫苗开发的有吸引力的佐剂。脂质体的一个独特特征是它们能够被修饰以靶向特定细胞类型。它们可以用靶向树突细胞上特定受体的抗体或肽修饰，增加脂质体包裹的抗原的摄取。脂质体也可用于共同递送多种抗原或免疫刺激分子，从而产生更强大的免疫反应，特别是对于可能需要多种抗原才能诱导保护性免疫反应的复杂病原体。

其他佐剂

细胞因子是一组在免疫反应中发挥重要作用的多种信号分子。它们由免疫系统的各种细胞分泌，并作用于特定受体，介导一系列生物功能，如炎症、细胞增殖和分化。细胞因子根据其结构和功能可分为不同的类别，包括白介素、干扰素、肿瘤坏死因子和趋化因子。

聚合物是由共价键连接在一起的重复单元组成的化合物。它们可以是天然的，也可以是合成的。在疫苗的应用中，聚合物可以用作载体来创建缓释库，以其大的交联结构携带抗原和其他免疫调节剂。这导致免疫系统持续的抗原呈递和激活，从而产生更强、更持久的免疫反应。

皂苷是天然存在的具有两亲性的化合物，皂苷可以通过刺激抗原呈递细胞如树突状细胞和促进细胞因子和趋化因子的产生来增强免疫反应。基于皂苷的佐剂的一个实例是QS-21，其在AS01佐剂系统中与MPL（单磷酰脂质a）组合使用，已用于开发抗疟疾、结核病和带状疱疹等疾病的疫苗。

病毒体由磷脂和病毒包膜蛋白组成，这些蛋白质通常来源于不会导致人类疾病的病毒。病毒包膜蛋白提供了可以激活免疫系统的免疫原性表面，而磷脂有助于稳定病毒体结构并增加其被抗原呈递细胞吸收。

各种疫苗及其佐剂的作用

佐剂在各种疫苗中已有广泛的应用。包括全病毒疫苗（如减毒活疫苗、灭活疫苗和病毒载体疫苗）、亚单位疫苗和核酸疫苗（包括DNA和mRNA）。

灭活疫苗

灭活疫苗通常由感染病毒的细胞产生并灭活，这确保了病毒不再具有传染性，但保留了其抗原特性，使其有助于产生免疫反应。灭活疫苗中使用的佐剂包括铝佐剂、MF59、AS03和AS04。这些佐剂已用于疫苗，如H1N1流感疫苗和HPV疫苗。

减毒活疫苗

减毒活病毒疫苗是一种能够在体内复制但不会致病的弱化病毒。因此，它们可以引发强烈而持久的免疫反应。佐剂通常不用于减毒活疫苗，因为疫苗本身已经是免疫系统的强大刺激物。然而，一些研究已经探索了将佐剂与减毒活病毒疫苗一起使用，以潜在地提高其有效性。如MF59作为减毒流感活疫苗的佐剂，其已被证明可以改善老年人的免疫反应。

病毒载体疫苗

具有复制能力和不具有复制能力的腺病毒载体通常用于表达病毒蛋白的抗原。佐剂可与病毒载体疫苗联合使用，以增强疫苗产生的免疫反应。例如，Oxford-AstraZeneca COVID-19新冠肺炎疫苗是一种病毒载体疫苗，它使用弱化版的黑猩猩腺病毒来传递SARS-CoV-2刺突蛋白的遗传物质。这种疫苗含有一种名为AS03的佐剂，它是角鲨烯、聚山梨醇酯80和维生素E的组合。

病毒样颗粒疫苗

在这种策略中，结构病毒蛋白被共表达以形成非传染性颗粒作为疫苗免疫原。它们类似于真正的病毒粒子，但缺乏病毒基因组。佐剂可用于病毒样颗粒疫苗，以增强免疫反应并提高疫苗效力。病毒样颗粒疫苗常用的佐剂包括铝盐、MF59和CpG。这些佐剂刺激免疫系统对VLP疫苗产生更强、更持久的反应。

DNA疫苗

基于DNA的疫苗利用DNA质粒作为载体将编码抗原的基因转移到宿主细胞，特别是抗原呈递细胞中。然而，与其他疫苗类型相比，DNA疫苗的免疫原性往往有限，这可能会限制其有效性。佐剂可以通过增强对编码抗原的免疫反应来帮助克服这一限制。已经在DNA疫苗中测试了各种佐剂，包括铝佐剂、CpG和脂质体。

mRNA疫苗

mRNA疫苗将mRNA分子直接注射到宿主细胞中，然后在细胞质中转化为靶蛋白。与传统疫苗相比，mRNA疫苗具有许多优点，如安全性、灵活性、可扩展性和成本效益。mRNA疫苗通常不需要佐剂，因为mRNA分子本身能够刺激免疫系统。然而，也正在进行一些研究，以探索在mRNA疫苗中使用佐剂来提高其有效性，特别是对于某些可能对疫苗免疫反应较弱的人群，如老年人。

基于蛋白亚单位的疫苗

基于蛋白亚蛋白的疫苗只含有病原体的一种或多种特定蛋白质，而不是整个病原体。佐剂通常与蛋白质亚单位疫苗一起使用，通过增加对蛋白质抗原的免疫反应来增强其有效性。铝佐剂是基于蛋白质亚单位疫苗最常用的佐剂，它们已被证明可以增强抗体对抗原的反应。其他佐剂，如MF59、AS03和AS04，也已用于基于蛋白质亚基的疫苗，以提高其免疫原性。此外，正在研究新的新型佐剂，如CpG，用于蛋白质亚单位疫苗，以进一步增强其免疫反应。

新型疫苗佐剂的新进展

新型佐剂的设计原则

为了开发更有效的佐剂疫苗，了解佐剂的工作原理并遵循一些设计原则是很重要的。以问题为导向的原则包括考虑四个主要问题：（1）预防特定病原体疾病所需的免疫反应，（2）可以诱导所需免疫反应的相关先天免疫细胞，（3）这些先天细胞亚群在体内的定位，以及（4）模式识别受体在这些细胞上的表达。

基于这些问题，在设计疫苗佐剂时需要考虑四个步骤。首先，应确定疫苗在宿主中发挥效力所需的免疫效应元件的类型。这应该考虑抗原类型、靶细胞亚群和表型以及免疫途径，以指导递送系统和免疫刺激剂的选择。其次，合适的疫苗抗原的鉴定应基于对免疫识别和保护的分子机制的理解。疫苗必须以正确的构象向适当的细胞群提供足够量的正确抗原，以诱导免疫反应保护，同时考虑诱导的炎症反应的耐受性和安全性。第三，佐剂需要一个递送系统，无论是合成的还是天然的。这需要设计合适的抗原递送模式，并结合相关的免疫刺激物。第四，疫苗和佐剂的制备过程都应该相对简单。

新疫苗佐剂制剂

佐剂的免疫刺激剂和制剂组分的正确选择对于诱导靶抗原的适当免疫反应至关重要。相同免疫调节分子的不同制剂可能诱导显著不同的免疫反应。例如，用AS02配制的RTS，S候选疫苗保护了6/7的疫苗接种者免受感染，而用AS03或AS04配制的相同抗原分别只保护了2/7和1/8。

为了制造改进的佐剂，必须确保每个成分都是必要的，并增加明显的价值，同时不引入重大的不合理负担。AS01是目前许可产品中最成功的佐剂，对带状疱疹的疗效为97%。AS01佐剂的开发是基于两种关键成分MPL和QS-21在一起使用时导致先天激活的协同作用，单独使用任何一种分子都无法实现这种协同作用。

利用系统疫苗学

系统疫苗学是一种跨学科方法，涉及早期使用人体研究来生成“组学”数据，这些数据可用于制定关于候选佐剂刺激强大和持久的抗原特异性T和B细胞反应机制的新假设。然后可以在动物模型中重新测试这些假设，随后的机制见解可以用于设计新的佐剂概念。此外，系统疫苗学方法不仅可用于佐剂的作用机制，还可用于制剂配方发挥作用的潜在机制、接种后不久发生的不良反应的潜在机制，以及疫苗递送最佳配方的合理设计。总的来说，这种基于系统疫苗学的跨学科方法有可能改变佐剂科学，加速疫苗用新型佐剂的开发。

无创疫苗递送

对非侵入性疫苗递送的研究是一个关键焦点，可能对全球大规模疫苗接种产生重大影响。优先考虑开发安全、有效、低成本的佐剂疫苗配方，以产生所需的免疫反应和长期免疫力。随着我们对免疫保护分子机制的理解提高，以及合成化学新方法的发展，疫苗开发有望取得突破。新的技术，如新的乙二醇偶联方法、反向疫苗学和下一代测序技术，可能会为HBV、百日咳毒素、莱姆病和HPV等疾病带来新的疫苗策略，无论是否使用佐剂。

总之，新型疫苗的研究目标是通过引入新的免疫刺激剂和新的递送系统来确保高水平的广泛保护，这些系统将功效与长期记忆免疫反应性和安全性相结合。

小结

近一个世纪以来，佐剂在疫苗开发中发挥着至关重要的作用，增强了免疫原性。了解各种佐剂对免疫反应的影响，它们与不同抗原类型和疫苗平台的协同作用，以及对这些佐剂的全面分析，将有助于选择提供必要免疫保护的佐剂。随着新冠肺炎等新兴疾病的持续挑战和寻找更明确的治疗方法，开发安全有效的疫苗势在必行。更明智地选择佐剂和抗原不仅可以加强对传统疫苗反应不佳人群的保护，还可以开辟预防应用之外的新途径。这一方法对于应对当前和未来的全球卫生挑战至关重要。

参考文献：

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