CpG ODN 在活化 pDC 以及增强免疫反应中的应用 - MedChemExpress

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接种疫苗能够有效预防传染病及其传播。在疫苗的研发应用中, 佐剂是必不可少的。佐剂是疫苗中增强免疫反应强度、广度和持久性的关键成分。今天小 M 一起带大家来走进疫苗佐剂~

▐  佐剂的来源

佐剂 (Adjuvant) 一词源于拉丁语 “Adjuvare”，意思是“帮助” 法国兽医加斯顿•拉蒙于 1920 年发现接种白喉疫苗的马如果在注射部位出现炎症性脓肿，抗体滴度会更强[1]。大约在同一时间，Glenny 等人发现了吸附在明矾上的白喉毒素疫可以产生更好的抗体反应[1]。

疫苗佐剂被定义为添加到疫苗或与疫苗抗原一起使用以增加或增强并以抗原的特异性免疫反应作为目标的试剂。

图 1. 多个佐剂组合的构想。

▐  获批疫苗中的佐剂

长久以来，铝佐剂一直是获批疫苗产品最常使用的佐剂，其作用机制主要是在注射部位形成抗原储藏库，使抗原缓慢释放，刺激浆细胞产生抗体[1]。但是铝佐剂的有着诸多不足：如容易引起机体过敏反应、含铝佐剂的生物制品不宜冷冻，冷冻后容易变性等。因此，开发新型佐剂也就成为了疫苗开发过程中的痛点。

表 1. 获批疫苗中的佐剂[1][2]。

直到人们发现固有免疫系统通过模式识别受体识别病原体相关分子模式 (PAMPs)，并导至固有免疫细胞的激活和随后的适应性免疫反应。这一发现为佐剂的设计和开发提供了一个巨大的机会：靶向这些模式识别受体 (如 TLR、CLR 和 NLR) 的分子可能是潜在的疫苗佐剂。

例如，2017 年经 FDA 获批的新型乙肝疫苗 Heplisav-B (含佐剂 CpG 1018，一种 TLR 9 激动剂)，该药物是世界首个 CpG ODN 佐剂获批的疫苗[3]。

CpG ODN ，即 CpG 寡核苷酸 (CpG oligodeoxynucleotides, CpG ODN) 是指一类以未甲基化 CG 二核苷酸为核心的寡聚核苷酸序列，CpG ODN 可以激活 TLR9 受体，是一种有潜力的疫苗佐剂，能够增强疫苗的免疫反应强度、广度和持久性。

不同类型的 CpG ODN 的结构特征与免疫效应各有不同，一般分为 A、B、C 三类(表 2)。

表 2. 不同类别的 CpG ODN 及其作用[4][5]。

备注：小写字母代表碱基是硫代磷酸酯键连接，大写字母代表碱基是磷酸二酯键连接，下划线代表回文序列。

▐  CpG ODN 触发 TLR9 在免疫中的作用

未甲基化的 CpG 基序在细菌和病毒 DNA 中普遍存在，但 CpG 基序在脊椎动物基因组常被甲基化。无论 CpG 基序是否存在，DNA 都被内吞到细胞腔室中，并暴露于 TLR9。如果 DNA 含有 CpG 基序，则 TLR9 被激活。TLR9 可以识别未甲基化的 CpG 基序，有效检测到入侵的病毒核酸。
在人类免疫细胞中，CpG ODN 直接或间接地激活表达 TLR9 的浆细胞样树突状细胞 (Plasmacytoid dendritic cell, pDC) 和 B 细胞。pDC 分泌多种促炎和抗病毒细胞因子 (如 IFNα, IL-6 和 TNFα 等)，然后驱动 pDC 迁移和聚集到淋巴组织，刺激 TH1 细胞反应产生。自然杀伤细胞 (NK) 和其他先天免疫细胞通过 IFN 依赖性和 IFN 非依赖性途径被 pDC 继发性激活。B 细胞通过 TLR9 激活后其向分泌抗体的浆细胞分化，并产生多种细胞因子 (如 IL-6 和 IL-10)。CpG 激活的 B 细胞对树突状细胞也有相反的作用，通过 TLR9 激活驱动 CD5B 细胞产生 IL-10，从而抑制  pDC 细胞的 T1 启动功能。

图 2. CpG DNA 激活 TLR9 并触发先天免疫和适应性免疫[4]。

有了 CpG ODN 佐剂 CpG 1018 在乙肝疫苗 Heplisav-B 中取得的成功，研究者也尝试将 CpG1018-Alum (CpG 1018 在铝佐剂中配制) 作为佐剂，蛋白质纳米颗粒 (RBD-NP) 作为载体研发有效的新冠疫苗。

研究者评估了五种佐剂 CpG1018-Alum、ASO3 (一种含 α -生育酚的水包油乳液)、AS37 (一种吸附在 Alum 上的 TLR-7 激动剂)、Essai O/W 1849101 (一种角鲨烯水内乳液) 和铝佐剂 Alum，这些佐剂都诱导了大量的中和抗体滴度，不过不同佐剂诱导T细胞反应有所差异[6]。其中 RBD-NP-ASO3 刺激 Th1-Th2 混合细胞反应，而 RBD-NP-CpG1018-Alum 和 RBD-NP-AS37 刺激 Th1 细胞反应，RBD-NP-CpG1018-Alum 和 RBD-NP-O/W 诱导 Th2 细胞反应。

图 3. RBD-NP 免疫诱导强大的抗体反应[6]。

A-B: 接种 RBD-NP (结合在蛋白纳米颗粒支架上的 SARS-CoV-2 刺突蛋白受体结合域)后多个时间点血液中特异性 CD4 T 细胞反应。分泌 IL-2、IFNγ 或 TNF 的 CD4 T 细胞被绘制为 Th1 细胞反应 (A)，产生 IL-4 的 CD4 T 细胞被绘制为 Th2 细胞反应(B)。C: 流式检测在体外用 DMSO 或 SARS-CoV-2 RBD 肽池刺激后 IL-21 和 CD154 的表达。D: 接种 RBD-NP 后第 28 天血液中特异性 CD154+ 和 CD154+IL-21+ CD4 T 细胞的反应。

经过多项实验表明，该疫苗可刺激强大且持久的中和抗体反应， 保护恒河猴免受  SARS-CoV-2 的侵害。这些数据也强调了包含 CpG ODN 佐剂的 RBD-NP 疫苗在促进对 SARS-CoV-2 的保护性免疫方面的有效性，推动了该疫苗进行 I/II 期临床试验 (NCT04742738 和 NCT04750343)。

佐剂是疫苗中增强免疫反应强度、广度和持久性的关键成分。但是长久以来获批人类使用的佐剂屈指可数。作为 TLR9 受体的有效激动剂，新型疫苗佐剂 CpG ODN 可以活化 pDC 和/或 B 细胞，增强免疫反应。

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参考文献：
[1] Pulendran B, et al. Emerging concepts in the science of vaccine adjuvants. Nat Rev Drug Discov. 2021;20(6):454-475.
[2] O'Hagan DT, et al. The continued advance of vaccine adjuvants - 'we can work it out'. Semin Immunol. 2020;50:101426.
[3] Awad AM, et al. An open-label, single-arm study evaluating the immunogenicity and safety of the hepatitis B vaccine HepB-CpG (HEPLISAV-B®) in adults receiving hemodialysis. Vaccine. 2021;39(25):3346-3352.
[4] Krieg AM. Therapeutic potential of Toll-like receptor 9 activation. Nat Rev Drug Discov. 2006;5(6):471-484.
[5] Bode C, et al. CpG DNA as a vaccine adjuvant. Expert Rev Vaccines. 2011;10(4):499-511.
[6] Arunachalam PS, et al. Adjuvanting a subunit COVID-19 vaccine to induce protective immunity. Nature. 2021;594(7862):253-258.