为什么我们没有疫苗……3种病原体的故事

自现代分子生物学兴起以来的 50 多年里，研究人员开发了针对一系列病原体的疫苗，从 SARS-CoV-2（导致 COVID-19 的病毒）到肺炎链球菌（导致肺炎球菌疾病的细菌）。然而，尽管经过多年的努力，针对少数细菌病原体（即铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和淋病奈瑟菌）的疫苗仍然遥不可及。

这些细菌以各种方式对身体造成严重破坏。铜绿假单胞菌主要捕食医疗机构中患有某些基础疾病（例如囊性纤维化）或有手术或烧伤伤口的人;它感染了从肺部到血液的一切。金黄色葡萄球菌是另一种引起败血症、心内膜炎、肺炎等的医疗保健相关病原体，其传染范围同样广泛。虽然淋病奈瑟菌的名声是淋病，这是一种性传播感染，全球每年有近 8700 万成年人发病，但这种病原体也会导致口腔、眼睛和喉咙的侵袭性感染。

过去，铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和淋病奈瑟菌引起的感染可以用抗生素治疗。然而，所有 3 种细菌对抗生素的耐药性都越来越强——美国疾病控制与预防中心 （CDC） 2019 年的一份报告估计，仅在 2017 年，多重耐药铜绿假单胞菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 （MRSA） 分别在美国住院患者中造成了超过 32,600 例和 323,700 例感染。疫苗等新工具对于控制这些讨厌的病原体至关重要。

但是，为什么为这三种微生物设计疫苗如此困难呢？尽管每种病原体都具有独特的特征和结构，但由于多种原因，它们仍然没有接种疫苗。

这些细菌带有抗原

疫苗开发的一个关键步骤是确定疫苗应针对病原体的结构或分子或分泌的病原体。理想情况下，所选分子或抗原在微生物的定植/发病机制中起着核心作用。例如，针对肺炎链球菌的疫苗靶向其胶囊，即围绕肺炎链球菌细胞的粘性多糖涂层。胶囊被认为是肺炎链球菌最重要的毒力因子。它有助于细菌粘附在宿主细胞上并保护它们免受免疫防御，因此是疫苗的绝佳靶标。

对于铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和淋病奈瑟菌等病原体，情况更加复杂。这些细菌具有促进定植和感染的表面结构和分泌因子。例如，铜绿假单胞菌的膜上装饰着长链的脂多糖 （LPS）、脂蛋白、菌毛、5 种不同的蛋白质分泌系统和 2 多种孔蛋白，这些蛋白涉及从分子转运到抗生素耐药性和表面结合的所有方面。铜绿假单胞菌还分泌调节其发病机制的因子，包括强效外毒素和蛋白水解酶。金黄色葡萄球菌和淋病奈瑟菌同样禀赋良好。

埃默里大学医学院儿科教授乔安娜·戈德堡（Joanna Goldberg）博士在2022年6月在ASM Microbe的一次演讲中说：“这些免疫原性因子中的任何一个都可以被视为保护剂。正因为如此，“目前尚不清楚疫苗中应包含哪种抗原。

换句话说，为这种抗原负载的细菌找到最佳疫苗靶点就像用移动板玩飞镖游戏一样——你可能会击中某些东西，但它可能不会是靶心。

此外，在感染期间，“[毒力]因子可以获得或失去，改变或发散，”戈德堡解释说。

例如，淋病奈瑟菌通过相位变化可逆地打开和关闭蛋白质——群体中的每个细胞都可以同时闪现不同的蛋白质。前一分钟存在然后下一分钟消失的抗原不是理想的疫苗靶点。

此外，每种病原体在感染的一个阶段或位置部署的毒力因子可能与另一个阶段无关。事实上，金黄色葡萄球菌改变了其毒力因子的表达，因为它从无害地生活在鼻子中（大约 33% 的人的鼻孔中含有金黄色葡萄球菌）转变为一种侵入性的、引起败血症的病原体。由于这种多功能性，疫苗“需要在不同的[身体]部位发挥作用，”马萨诸塞大学陈医学院研究淋病奈瑟菌的教授Sanjay Ram博士说。

铜绿假单胞菌研究人员戈德堡指出，“抗原选择可能取决于感染的类型”，并建议，与通用疫苗相比，针对不同的感染表现（例如急性烧伤伤口与慢性肺部感染）使用不同的疫苗成分可能是一条更有成效的途径。按照这些思路，将多种抗原组合到一种疫苗中可能会提高不同情况下的临床疗效。这个概念类似于预防不同病原体菌株的多价疫苗，例如四价脑膜炎球菌结合疫苗，可防止脑膜炎球菌病的 4 种不同血清型脑膜炎奈瑟菌感染。

保护性免疫 （？）

疫苗的目的是产生针对微生物入侵者的保护性免疫反应。问题是，研究人员尚不清楚针对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和铜绿假单胞菌的保护性免疫反应。N淋病研究人员实际上看起来像。

在感染过程中，先天免疫细胞检测到病原体，从而激活B细胞和T细胞（适应性免疫细胞）。B 细胞产生抗体，标记病原体以被其他免疫细胞（如中性粒细胞）消除。T细胞支持抗体的产生，将其他细胞募集到感染部位，并且根据类型，可以直接灭活或消除病原体。疫苗在较小范围内触发这些反应，将病原体蚀刻在免疫系统的记忆中，以便它可以应对未来的攻击。抗体通常是疫苗研究的主要焦点，因为它们在病原体识别和记忆反应中起着不可或缺的作用。然而，对于具有免疫逃避机制的抗原多样性微生物来说，这可能还不够。例如，就金黄色葡萄球菌疫苗而言，“每个人（最初）都以针对葡萄球菌的抗体形成为目标，”布莱根妇女医院医学副教授Jean Lee博士说。“然后它转向了T细胞免疫。但实际上，我们两者都需要。

戈德堡同意了。“一种免疫机制可能还不够，”她说，并指出有效的铜绿假单胞菌疫苗可能需要启动抗体介导的杀伤，同时抑制微生物产生的毒素。在T细胞中穿绳可能也不是一个坏主意。在某些情况下，例如淋病奈瑟菌，问题不在于什么构成保护性免疫反应，而在于是否存在这种东西。

“自然[淋病奈瑟菌]感染后是否有保护性免疫？简短的回答是否定的，“拉姆说。鉴于疫苗接种旨在模仿自然感染以诱导类似的免疫反应，这是有问题的。Ram强调，“对淋病奈瑟菌的体液（即抗体）反应很复杂”，对淋病奈瑟菌的T细胞免疫知之甚少，这与金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌一样，可能是有用的。

尽管如此，对于这些病原体中的每一种，背景都很重要。所有 3 种细菌都根据感染位置和严重程度将不同的毒力因子武器化。免疫反应可能反映了这些变化，表明什么是“好的”免疫反应会从一种情况变化到另一种情况。

好的动物模型可能很难找到

动物模型的临床前研究使研究人员能够在进入人类之前确定疫苗是否以及如何起作用。小鼠是生物医学研究中使用最广泛的模型。不幸的是，有时病原体感染老鼠的方式与感染人类的方式不同。Goldberg、Lee和Ram都同意：缺乏强大的动物模型是开发铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和淋病奈瑟菌疫苗的主要障碍之一。

鼠标模型在几个方面都存在不足。例如，戈德堡强调，铜绿假单胞菌研究人员“希望有动物寿命更长的模型”。这种病原体通常会感染老年人，小鼠的寿命很短，不适合研究疫苗对老年人群或慢性感染者的疗效。

此外，正如Lee为金黄色葡萄球菌指出的那样，“有很多毒力决定因素和免疫逃避分子是人类特有的，甚至不会影响小鼠 – 许多毒素具有小鼠所缺少的受体。因此，这些因素在人类感染（和疫苗效力）中发挥的任何作用在动物模型中被遗漏了。对于淋病奈瑟菌来说，这更是一个问题，它只会自然感染人类。

这不仅关系到特定病原体对动物的定植是否可能，还关系到这种定殖何时发生。“大多数研究都是在幼稚的小鼠中进行的，以前从未见过金黄色葡萄球菌，”Lee说。这与人类形成鲜明对比，如前所述，近 1/3 的人已经被金黄色葡萄球菌定植。 暴露前会形成对病原体的免疫反应，并可能影响是否以及如何产生保护性反应，这对疫苗开发有影响。事实上，最近的一项研究表明，在未感染金黄色葡萄球菌的小鼠中，一种针对细菌表面蛋白IsdB的疫苗引发了针对感染的保护性抗体反应。然而，预先暴露于金黄色葡萄球菌会引发非保护性抗体的产生;接种疫苗只会促进这种非保护性（即无效）反应。这些发现可能揭示了为什么IsdB疫苗在人体临床试验中失败。

疫苗开发的下一步是什么？

要使针对金黄色葡萄球菌、淋病奈瑟菌和铜绿假单胞菌的疫苗从零到英雄，需要做些什么？这些生物体的致病可塑性，加上研究人员对保护性免疫反应的相对模糊的了解，需要更深入地了解不同感染环境中的宿主-病原体相互作用。这些知识对于创造可行的候选疫苗以及确定谁获得它们以及应该如何以及何时使用它们至关重要。

还需要更好的模型。幸运的是，这一领域已经取得了进展。 例如，人源化转基因小鼠（即携带人类基因或细胞的小鼠）使淋病奈瑟菌研究人员能够研究微生物疫苗靶标与人类受体之间的相互作用。继续改进现有模型并开发新模型，将是开发从实验室到临床的候选疫苗的重要一步。

此外，疫苗开发人员可能不必从头开始。最近研究表明，针对导致 B 型脑膜炎的脑膜炎奈瑟菌血清型的疫苗接种与淋病奈瑟菌共享大部分基因组，对淋病具有交叉保护作用。因此，可以使用B型脑膜炎疫苗来预防这两种细菌。

今天，铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的研究人员比过去装备得更好。借鉴疫苗“不要”的丰富历史，可以为疫苗的创造提供信息，这些疫苗的未来比其前辈更光明。

针对这些病原体的疫苗是否还需要50年才能上市？时间会证明一切。如果说有什么不同的话，那就是花了这么长时间，这让我们对微生物敌人的难以捉摸、适应性和抗原多样性感到有些钦佩。

本文的研究于 2022 年 6 月 9 日至 13 日在华盛顿特区举行的美国微生物学会年会 ASM Microbe 上发表。