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From Toxin to Taxi: Repurposing Bacterial Weapons
对针头的恐惧是疫苗犹豫的主要原因,也是世界各地许多人接种疫苗的主要障碍。但是,如果一个人可以通过戴上无痛的皮肤贴或吃一块糖果来接种疫苗呢?细菌 AB5 毒素可能是一种新的无针疫苗递送方式的关键。
什么是 AB5 毒素?
许多细菌会产生毒素,这些有害物质会破坏正常的细胞功能并导致疾病症状。几个世纪以来,细菌已经发展出各种毒素的武器库。一个常见的例子,以其结构命名,是 AB5 毒素的类别。霍乱毒素会导致与霍乱相关的严重水样腹泻,可能是最著名的 AB5 毒素。另一种著名的百日咳毒素是由引起百日咳或百日咳的细菌产生的。这些毒素有助于在宿主中创造一个促进细菌生存和传播的环境。但它们是如何工作的呢?

这一切都与结构有关。AB5 毒素由酶活性 (A) 亚基和结合 (B5) 亚基组成。B5 亚基由 5 种蛋白质(单体)组成,排列成甜甜圈形五聚体。A 亚基有一个连接部分,它位于 “甜甜圈孔” 中,并松散地将其连接到“甜甜圈”上。在另一端,A 亚基有一个活性结构域,一旦它进入宿主细胞,它就会充当酶。当所有部件都完全组装好时,它被称为 AB5 全毒素。
B5 亚基是整个系统的关键。它与上皮细胞和粘膜细胞上的受体结合,例如排列在我们呼吸道和肠道中的细胞。然后细胞通过内吞作用将毒素拉入自身。一旦毒素进入内部,A 亚基就会分离并继续对宿主细胞产生一些酶促作用。
因此,以我们的霍乱毒素为例,它的 B5 亚基让它“进入”肠道细胞的“门”,然后它的 A 亚基通过打开细胞离子通道继续引起霍乱最严重的症状——水样腹泻;随着离子涌出,水也随之而来。百日咳毒素以相同的方式进入“门”,但它作用于肺部和不同的细胞途径,最终导致百日咳众所周知的百日咳。

AB5 毒素如何用于疫苗?
一些科学家正在努力将 AB5 细菌毒素的 B5 亚基重新用作将疫苗抗原运送到体内的递送平台。使用基因工程技术,科学家可以去除有毒的 A 亚基并用其他一些细菌或病毒抗原代替它,目的是产生免疫反应,在再次暴露于该特定抗原时保护宿主。
理论上,替代抗原可以是任何抗原,例如 SARS-CoV-2 刺突蛋白或流感血凝素蛋白。然而,在实践中,用新的抗原换成 A 亚基要困难一些。生物化学必须恰到好处,才能使新引入的蛋白质亚基(抗原)正确折叠并愉快地位于 B 亚基的“甜甜圈洞”中,尽管已经取得了一些进展。
归根结底,基于 AB5 毒素的疫苗和许多其他疫苗一样只是蛋白质。但是,他们为送货路线提供了一个令人兴奋的新选择。无论抗原是什么,我们的想法都是利用 B5 亚基的作用,并利用它直接将所选抗原递送到皮肤或粘膜,那里有许多免疫细胞等待刺激。这意味着没有针头!疫苗可以作为皮肤贴剂、鼻粘膜上的涂片或稳定在糖胶囊中以供吞咽。科学家认为基于 AB5 毒素的疫苗可以通过针对皮肤或粘膜屏障(例如,我们的胃肠道和呼吸道内壁)的免疫系统来刺激强大的免疫反应,从而防止通过这些屏障侵入身体的病原体(想想流感病毒),以及全身免疫系统,这是攻击病原体的关键一旦绕过这些屏障。

事实上,屏障免疫反应和全身免疫反应都始于皮肤或粘膜。称为抗原呈递细胞 (APC) 的免疫细胞生活在我们身体的这些屏障区域。APC 的工作是识别外国入侵者或疫苗。APC 吸收疫苗抗原并将其物理运输到淋巴结,在那里它将抗原引入幼稚的 T 细胞和 B 细胞。然后这些细胞被激活并离开淋巴结,监视看起来像疫苗的病原体。一些细胞返回疫苗接种部位(即粘膜或皮肤),而另一些细胞则全身性地游走,寻找它们受过训练可以识别的入侵者。
我们的实验室正试图在我们自己的研究中利用基于 AB5 毒素的疫苗系统。我们设计了一种疫苗,旨在保护奶牛免受乳腺炎的侵害,乳腺炎是一种严重的乳房炎症,对奶牛来说非常痛苦,会破坏奶牛的牛奶,每年给奶农造成数百万美元的经济损失。因为疫苗是基于霍乱毒素的,所以我们可以在没有针头的情况下接种,方法是将其滑入鼻腔或通过奶嘴直接涂抹到乳房中。在最近和正在进行的研究中,我们接种疫苗的奶牛对疫苗表现出积极的免疫反应,到目前为止,它具有出色的安全性。当然,与科学一样,我们需要做更多的工作来确保疫苗是安全的,并按照我们想要的方式发挥作用。
今天基于 AB5 毒素的疫苗在哪里?
虽然目前没有美国食品和药物管理局 (FDA) 批准的疫苗使用“选择抗原”替换 AB5 毒素的 A 亚基的策略,但现有疫苗以其他方式利用这些毒素。
例如,由于霍乱毒素的 B5 亚基与肠道中的受体结合,因此可以口服给药。CTB(不含 A 亚基的霍乱毒素的 B5 亚基)本身是口服霍乱疫苗 Dukoral 的一种成分,该疫苗已获得世界卫生组织 (WHO) 的批准,并在世界各地使用,但在美国不可用。一个研究小组甚至将 CTB 放入水稻中,以获得更容易获得和运输的疫苗。不幸的是,研究表明,煮米饭会破坏疫苗,而且生米不是很开胃或食用。在正在进行的人体试验中,研究人员将大米磨碎,与玉米淀粉和水混合,然后自愿受试者饮用大米疫苗浆。虽然这种给药方式并不理想,而且还有更多的工作要做,但有些人可能仍然觉得它比注射更有吸引力。
百日咳毒素和白喉毒素的解毒版本是 FDA 批准的儿科 DTaP 疫苗(Daptacel、Pentacel、Quadracel、Infanrix、Kinrix、Pediarix、Vaxelis)和 Tdap 疫苗(Adacel、Boostrix)的成分。这些疫苗中使用的毒素经过化学品处理,以灭活 A 亚单位。
2016 年,泰国获得了 2 种百日咳疫苗(Pertagen、Boostagen)的许可,这些疫苗使用百日咳毒素的基因解毒版本。它的氨基酸经过修饰,因此 A 亚基无毒。
不同版本的 AB5 毒素(称为热不稳定肠毒素或 LT)也在针对产肠毒素大肠杆菌的疫苗中进行测试,这种大肠杆菌会产生 LT,是旅行者腹泻的主要原因。
AB5 载体还能做什么?
疫苗科学家并不是唯一重新利用细菌毒素的人。事实上,CTB 尤其被用于或研究用于各种医疗应用。
例如,一些实验室已经使用了 CTB 载体服务来减少小鼠对花生的过敏反应。如果过敏原与 CTB 结合,CTB 载体服务可以迅速将过敏原输送到免疫系统。这样,身体可以被训练将这些过敏原视为朋友,而不是敌人,从而减少过敏反应。这些与传统过敏针的基本原理相同。不同之处在于,CTB 的使用直接靶向 APC,这有助于触发免疫反应。由于这种细胞特异性,只需要小剂量的过敏原——它会立即到达正确的细胞。
相比之下,传统的过敏针需要大剂量的过敏原,以确保少量到达 APC 并刺激免疫反应。这种差异是研究人员假设 CTB 载体服务可能是一种更安全的给药途径的原因之一。科学家们还使用 CTB 载体服务故意引起小鼠的过敏反应,以了解过敏发展的潜在机制,包括对牛奶或蛋清的过敏。

除了过敏,研究人员还使用 CTB 载体来治疗自身免疫性疾病。例如,在血友病中,患者的免疫系统会攻击他们自己的凝血因子。一个小组利用 CTB 载体服务在大鼠和犬模型中诱导对凝血因子的耐受性,并希望尽快将这项工作转化为人类。值得注意的是,载体实际上是在生菜的细胞中生产和交付的。当生菜被吃掉时,CTB 被转移到肠道,在那里它经过自然的 CTB 过程:CTB 结合肠道细胞上的粘膜受体,然后这些细胞通过内吞作用拉动载体及其“乘客”(在本例中为凝血因子)。在肠道细胞内,凝血因子被裂解并与 CTB 酶促分离。然后凝血因子进入循环系统。最终结果是将凝血因子输送给患者并治疗他们的血友病。吃蔬菜的动力真是太棒了!
还有一些人正在研究 CTB 帮助免疫系统靶向癌细胞的潜力。例如,如果 CTB 载体服务带有前列腺癌标志物,那么可以训练免疫系统识别前列腺癌细胞。这个想法是免疫系统会清除癌症,减少对化疗或放疗的需求。
除了充当载体服务之外,CTB 的能力还可以用来跨越几乎无法逾越的障碍,例如血脑屏障。CTB 与 GM1 结合,GM1 是许多细胞类型(包括神经元)上的表面受体。GM1 受体允许 CTB 载体像分子快速通道一样将其货物直接带入中枢神经系统。自 1970 年代以来,科学家们一直使用附着在各种荧光团上的 CTB 作为神经元示踪剂来帮助研究复杂的神经元连接。更现代的工作是着眼于附加更好的示踪剂,例如碳点。一些科学家担心 CTB 会穿过血脑屏障。提供神经元示踪剂可能没问题,但如果疫苗进入那里怎么办?安全吗?到目前为止,答案似乎是“是”,但研究人员正在积极研究这个问题。
潜力巨大
虽然霍乱毒素可能是研究最充分的,但很明显 AB5 毒素可能有多种治疗用途。利用它们广泛的免疫调节特性可能会改变疫苗的游戏规则。总有一天,接种疫苗可能就像吃沙拉甚至一块糖果一样简单。
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