Toll樣受體研究與疫苗研發(fā)

邵 杰，吳 星，梁爭(zhēng)論

Toll樣受體研究與疫苗研發(fā)

邵 杰，吳 星，梁爭(zhēng)論

疫苗是控制傳染病的主要手段，但目前疫苗的研發(fā)仍然處于經(jīng)驗(yàn)階段，多數(shù)疫苗的免疫機(jī)制尚不十分清楚，傳統(tǒng)疫苗的研發(fā)思路在新型 HIV、HCV 等疫苗的研發(fā)中遭遇瓶頸，難以取得突破。Toll 樣受體（TLRs）是模式識(shí)別受體（pattern recognition receptor，PRRs）的一種。TLRs 信號(hào)通路的激活，不僅誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，同時(shí)也促進(jìn) DC的成熟與 Th 細(xì)胞的分化，進(jìn)而產(chǎn)生獲得性免疫應(yīng)答，因此有研究認(rèn)為其處于溝通固有免疫與獲得性免疫的核心地位[1]。研究表明，同時(shí)激活多條 TLRs 通路的疫苗具有更好的免疫效果，黃熱疫苗的高免疫原性與其可同時(shí)激活樹(shù)突狀細(xì)胞（DC）多條 TLRs 通路相關(guān)[2]。在對(duì)麻疹、風(fēng)疹、乙肝等疫苗免疫應(yīng)答機(jī)制的研究中，也均發(fā)現(xiàn)存在特異激活的 TLRs 信號(hào)通路。TLRs 與下游接頭分子的單核苷酸多態(tài)性，可影響乙肝、麻疹等疫苗效果，可能是該疫苗免疫無(wú)應(yīng)答及低應(yīng)答現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。由于 TLRs 在誘導(dǎo)固有免疫的重要作用，目前研發(fā)的新型疫苗佐劑幾乎均為 TLRs 的配體[3]。對(duì) TLRs 作用機(jī)制的研究有助于深入認(rèn)識(shí)疫苗的免疫機(jī)制，改進(jìn)疫苗研發(fā)和評(píng)價(jià)的思路。本文對(duì) TLRs 在疫苗免疫機(jī)制研究中的進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 TLRs 概述

TLRs 為模式識(shí)別受體的一個(gè)重要家族，在宿主免疫細(xì)胞對(duì)微生物病原體識(shí)別以及應(yīng)答過(guò)程中起到重要作用。Toll蛋白最早由法國(guó)科學(xué)家 Hoffmann 于 1996 年在研究果蠅時(shí)首先發(fā)現(xiàn)，該蛋白可識(shí)別病原微生物并激活機(jī)體的先天免疫，其研究成果發(fā)表在當(dāng)年的 Cell 雜志上[4]。兩年后，美國(guó)科學(xué)家 Beutler 證實(shí)哺乳動(dòng)物小鼠中也存在類似的基因，且編碼的受體蛋白同樣能激活機(jī)體的天然免疫[5]。由于發(fā)現(xiàn)了 TLRs，兩位科學(xué)家獲得了 2011 年的諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)。至今為止，人類已被確認(rèn)的 TLRs 有 11 種，小鼠有 13 種[6]。TLRs 主要在固有免疫細(xì)胞表達(dá)，包括：DC、肥大細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、纖維母細(xì)胞等[7-12]；以及獲得性免疫細(xì)胞，如：T 淋巴細(xì)胞、B 淋巴細(xì)胞等[13]。此外，在一些神經(jīng)細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn) TLRs 表達(dá)[14]。不同的 TLRs 在細(xì)胞上的位置不同：TLR 1、2、4、5 和6 位于細(xì)胞表面，而 TLR 3、7、8 和 9 則主要位于細(xì)胞內(nèi)[8, 10]。

目前發(fā)現(xiàn)的 TLRs 皆為 I 型跨膜蛋白，膜外包含一個(gè)不同長(zhǎng)度的富含亮氨酸的重復(fù)序列（LRR domain）；膜內(nèi)包括一個(gè)與白介素-1 受體（IL-1R）同源的結(jié)構(gòu)域（TIR domain）[15]。TLRs 的胞外區(qū)之間存在較大的差異性，如人的 TLR2 和 TLR4 的胞外區(qū)僅有 24% 同源，這可能是不同配體激活不同受體的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。不同種屬 TLRs 基因胞外區(qū)也存在顯著差異，例如人和小鼠的 TLR4 胞外區(qū)僅53% 相同，而胞質(zhì)區(qū)同源性為 83%，可能是不同生物對(duì)相同病原體侵襲反應(yīng)不同的機(jī)制之一[16]。

TLRs 可以廣泛地識(shí)別許多細(xì)菌、真菌以及病毒的保守結(jié)構(gòu)，不同的 TLRs 識(shí)別特異的配體。一般認(rèn)為：TLR1或 TLR6 與 TLR2 協(xié)同識(shí)別脂肽類（lipopeptides）；TLR3的配體為雙鏈的 RNA；TLR4 的配體為細(xì)菌脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）；TLR5 的配體為鞭毛蛋白（flagellin）；TLR7 與 TLR8 的配體為單鏈 RNA 分子；TLR9 的配體為細(xì)菌或病毒的非甲基化 CpG 序列[14]。隨著對(duì) TLRs 認(rèn)識(shí)的不斷深入，一些新的 TLR 配體被不斷發(fā)現(xiàn)，2011 年 Kawai 與 Akira[6]對(duì) TLRs 識(shí)別的 PAMP 重新進(jìn)行了總結(jié)（表 1）。

表1 TLRs 識(shí)別的病原體相關(guān)分子模式

大多數(shù)關(guān)于 TLRs 信號(hào)通路的信息是通過(guò)對(duì) HEK 293細(xì)胞過(guò)表達(dá)體系以及 TLR 基因敲除小鼠的研究獲得的[14]。TLRs 信號(hào)通路的激活不僅誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，同時(shí)也促進(jìn) DC 的成熟與 Th 細(xì)胞的分化，進(jìn)而產(chǎn)生獲得性免疫應(yīng)答[17]。TLRs 信號(hào)通路可簡(jiǎn)要概括為：特異配體與相應(yīng)的 TLR 結(jié)合，使得 TLRs 活化；TLR 的活化可激活MyD88、MAL、TRIF、TRAM 和 SARM[11,18]等中間調(diào)控因子；這些中間調(diào)控因子的激活最終引起轉(zhuǎn)錄因子 IRF3、IRF7、AP-1 和 NF-κB 等活化；炎癥因子 TNF-β、IL-6、IL-1β 和 IL-12 等基因表達(dá)增強(qiáng)；協(xié)同刺激分子，如：DC 表面的 CD80、CD86 和 CD40 表達(dá)上調(diào)，從而活化 DC?；罨?DC 可產(chǎn)生不同的細(xì)胞因子和化學(xué)激活因子，如：TLR2 刺激 DC 優(yōu)先表達(dá) IL-8 和IL-23，TLR4 主要刺激產(chǎn)生 IL-12p70，IFN-γ 介導(dǎo)蛋白（IP210）及 IFN-β。這些可溶性細(xì)胞因子誘導(dǎo) T 輔助細(xì)胞（Th）向有利于清除病原體的方向分化，進(jìn)而產(chǎn)生獲得性免疫應(yīng)答[19-21]。

2 TLRs 與疫苗免疫機(jī)制的研究

目前上市的疫苗包括：減毒活疫苗、滅活疫苗和重組蛋白疫苗三種。減毒活疫苗是指毒力被減弱的菌株或病毒株，可在機(jī)體內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，但不會(huì)引起疾病發(fā)生。當(dāng)其進(jìn)入體內(nèi)后，可以與自然感染天然病原體一樣激活 PRR 通路，誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生固有免疫，然后增殖進(jìn)入主動(dòng)免疫部位，被 DC 或其他抗原提呈細(xì)胞（APC）捕獲并轉(zhuǎn)移至淋巴器官，將抗原呈遞給 B 與 T 淋巴細(xì)胞，產(chǎn)生獲得性免疫應(yīng)答。Leavy[22]認(rèn)為同時(shí)激活多條 TLRs 通路的疫苗具有更好的免疫效果，比如黃熱減毒活疫苗 YF-17D，可同時(shí)通過(guò) TLR 2、7、8、9 途徑活化 DC，促使 DC 分泌促炎癥因子(IL)-12p40、IL-6、INF-α，進(jìn)而引起多種不同的獲得性免疫應(yīng)答反應(yīng)[2]。

滅活疫苗是指培養(yǎng)獲得的病原微生物經(jīng)甲醛或加熱等方式滅活后制備成的疫苗。有效成分是滅活病原體顆粒，在體內(nèi)無(wú)法增殖。雖然也有報(bào)道指出某些滅活疫苗可激活特異的 TLRs 通路，目前仍普遍認(rèn)為其激活 PRR 的能力較差，需要添加佐劑以獲得更好的疫苗免疫效果[17]。

重組蛋白疫苗指運(yùn)用 DNA 重組技術(shù)，把病原微生物的遺傳物質(zhì)定向插入細(xì)菌、酵母菌或哺乳動(dòng)物細(xì)胞等表達(dá)體系中表達(dá)，收獲表達(dá)產(chǎn)物純化制成的疫苗。基因工程疫苗可通過(guò) TLRs 啟動(dòng)有效疫苗免疫應(yīng)答，并且不同表達(dá)系統(tǒng)或不同構(gòu)建模式疫苗可誘導(dǎo)不同的 TLRs 應(yīng)答。Mizukoshi等[23]發(fā)現(xiàn)酵母表達(dá)的 HIV VLP 通過(guò) DCs 的 TLR2 誘導(dǎo)免疫應(yīng)答，而 Aricò 等[24]發(fā)現(xiàn)桿狀病毒表達(dá)的 HIV-1 Pr55gag VLPs 則通過(guò) DCs TLR3 和 TLR9 誘導(dǎo)疫苗免疫應(yīng)答。一般認(rèn)為基因工程疫苗刺激機(jī)體識(shí)別“非己”的能力較差，導(dǎo)致較差的免疫活性，為提高其免疫效率，一些研究者將目光放在了研究新型佐劑和運(yùn)載系統(tǒng)中[25]。

3 TLRs 與新型疫苗佐劑

新型疫苗佐劑的研發(fā)與應(yīng)用是近些年來(lái)疫苗學(xué)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，目前研發(fā)的新型疫苗佐劑幾乎皆為T(mén)LRs 的配體[3,26]。與目前廣泛使用的傳統(tǒng)鋁佐劑相比，TLR 配體型佐劑存在明顯優(yōu)勢(shì)：TLRs 配體能夠溝通固有免疫與獲得性免疫，同時(shí)降低直接由炎癥反應(yīng)引起的不良反應(yīng)；與鋁佐劑主要激活 Th2 介導(dǎo)的免疫應(yīng)答反應(yīng)不同，TLR 配體型佐劑可同時(shí)激活 Th1、Th3（T-reg）介導(dǎo)的免疫通路，作用更加全面[27-28]。對(duì) TLR 配體型佐劑的研發(fā)主要通過(guò)對(duì)天然TLRs 配體進(jìn)行化學(xué)修飾或由人工合成小分子配體實(shí)現(xiàn)。

目前較為成功的 TLR 配體型佐劑包括：?jiǎn)瘟柞Ｖ?A（monophosphoryl lipid A，MPL）為 TLR4 配體，可激活TRAM 和 TRIF 信號(hào)通路，起到與 LPS 相似的效果，同時(shí)明顯減弱促炎癥的 MYD-88 依賴的信號(hào)通路[29]。MPL還能促進(jìn) Th1 應(yīng)答，促進(jìn)細(xì)胞免疫，因此在許多疫苗的研發(fā)中都將其作為一個(gè)最可能的佐劑，在瘧疾、結(jié)核、艾滋以及利什曼病疫苗的研發(fā)中皆有類似的報(bào)道[27]。MPL 經(jīng)氫氧化鋁或磷酸鋁吸附后，稱為 AS04 佐劑，已經(jīng)在預(yù)防性的乙肝疫苗、人乳頭瘤病毒（HPV）疫苗、單純皰疹病毒（HSV）疫苗、艾巴病毒（EBV）疫苗、諾瓦克病毒（NLV）疫苗上進(jìn)行了評(píng)價(jià)，葛蘭素史克公司生產(chǎn)的添加了 AS04 佐劑的乙肝疫苗 Fendrix 已在歐盟獲得批準(zhǔn)[30-34]。與之相似的TLR4 配體佐劑還有：用于預(yù)防性乙肝疫苗的 RC-529 佐劑，已在阿根廷獲得批準(zhǔn)[35]；E6020 佐劑，主要激活 Th1 型體液免疫途徑，作為三價(jià)流感疫苗與腦膜炎疫苗的佐劑，表現(xiàn)出良好的安全性與有效性[36-37]。TLR3 配體佐劑 POLY（I?C）為一段人工合成的雙鏈 RNA 分子類似物，可激活Th1 介導(dǎo)的細(xì)胞免疫應(yīng)答，作為重組 H5N1 流感疫苗佐劑，在攻毒小鼠上起到了良好的保護(hù)效果[38]。TLR5 配體佐劑鞭毛蛋白，可激活 NF-κB 信號(hào)通路，鞭毛蛋白作為滅活流感疫苗的佐劑，能夠有效保護(hù)攻毒小鼠[39]。關(guān)于 TLR7，8 配體佐劑咪唑喹啉可增強(qiáng) Th1 介導(dǎo)的體液與細(xì)胞免疫也有報(bào)道[40-41]。另一種獲得批準(zhǔn)的 TLR 配體佐劑為非甲基化的CpG，它是 TLR9 的配體，已獲準(zhǔn)應(yīng)用于炭疽疫苗中[42]。

4 TLRs 多態(tài)性影響疫苗免疫效果

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以基因組學(xué)、蛋白組學(xué)為代表的一些高通量技術(shù)應(yīng)用于疫苗學(xué)的研究中，TLR 基因多態(tài)性與疫苗免疫效果間的關(guān)系也得以揭示。Chen 等[43]對(duì)乙肝疫苗無(wú)應(yīng)答人群與正常應(yīng)答人群的遺傳信息進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩組人群間 TLR2 基因存在差異，認(rèn)為 TLR2基因的單核苷酸多態(tài)性（SNP），很可能是兩組人群對(duì)同一種乙肝疫苗的免疫應(yīng)答出現(xiàn)差異的原因。Dhiman 等[44]對(duì)麻疹疫苗研究發(fā)現(xiàn)，TLR3 以及其下游的胞內(nèi)信號(hào)分子MYD88 和 MD2 基因 SNP 與麻疹疫苗體液及細(xì)胞免疫水平皆相關(guān)；TLR4 基因 SNP 可能導(dǎo)致機(jī)體感染麻疹疫苗株后，IL-4 分泌水平發(fā)生變化。在風(fēng)疹疫苗的研究中也有類似報(bào)道，Ovsyannikova 等[45]發(fā)現(xiàn) TLRs 以及維生素A、D 受體的 SNP 與接種疫苗后獲得性免疫相關(guān)細(xì)胞因子表達(dá)水平相關(guān)。接種百日咳疫苗的考拉幼崽血清中和抗體水平同樣受到 TLR4 啟動(dòng)子區(qū)域及其下游信號(hào)分子基因型的影響[46]。TLRs 基因 SNP 影響疫苗免疫效果，不僅從側(cè)面證實(shí)了 TLRs 在疫苗免疫應(yīng)答中發(fā)揮重要作用，也為疫苗低應(yīng)答與無(wú)應(yīng)答現(xiàn)象提供了一種解釋。

5 結(jié)語(yǔ)

新型疫苗研發(fā)時(shí)間漫長(zhǎng)且風(fēng)險(xiǎn)巨大，在疫苗研發(fā)階段科學(xué)預(yù)測(cè)疫苗免疫效果以及安全性是疫苗企業(yè)縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本的有效途徑。近年來(lái)各種基因、蛋白等組學(xué)技術(shù)和免疫學(xué)研究進(jìn)展迅速，為依據(jù)固有免疫應(yīng)答預(yù)測(cè)疫苗的安全性和免疫效果提供了基礎(chǔ)。TLRs 在疫苗誘導(dǎo)的固有免疫應(yīng)答中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為新型疫苗佐劑研究的重點(diǎn)，因此開(kāi)展 TLRs 在疫苗應(yīng)答中作用的研究對(duì)促進(jìn)疫苗學(xué)的發(fā)展具有重要意義。

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10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2013.04.010

“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2012ZX10004701）

100050 北京，中國(guó)食品藥品檢定研究院衛(wèi)生部生物技術(shù)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

梁爭(zhēng)論，Email：lzlun@yahoo.com

2013-05-06