鼻内亚单位疫苗在小鼠模型中诱导针对呼吸道病毒的保护性全身和黏膜抗体免疫

An intranasal subunit vaccine induces protective systemic and mucosal antibody immunity against respiratory viruses in mouse models.

作者信息Aina Karen Anthi, Anette Kolderup, Eline Benno Vaage, Malin Bern, Sopisa Benjakul, Elias Tjärnhage, Fulgencio Ruso-Julve, Kjell-Rune Jensen, Heidrun Elisabeth Lode, Marina Vaysburd, Jeannette Nilsen, Marie Leangen Herigstad, Siri Aastedatter Sakya, Lisa Tietze, Diego Pilati, Mari Nyquist-Andersen, Mirjam Dürkoop, Torleif Tollefsrud Gjølberg, Linghang Peng, Stian Foss, Morten C Moe, Benjamin E Low, Michael V Wiles, David Nemazee, Frode L Jahnsen, John Torgils Vaage, Kenneth A Howard, Inger Sandlie, Leo C James, Gunnveig Grødeland, Fridtjof Lund-Johansen, Jan Terje Andersen
PMID40312392
发布时间2025-05-01
DOI10.1038/s41467-025-59353-6

实验完整度

包含体外FcRn结合与转运实验、细胞中和实验、多种转基因小鼠模型(BALB/c、K18-hACE2、Tg32-hFc、HSA/hFcRn)的体内免疫原性和攻毒保护实验,以及肌肉注射mRNA疫苗和替代载体对照,明确了功能验证和机制验证。

主要模型

BALB/c小鼠 K18-hACE2转基因小鼠 Tg32-hFc转基因小鼠 HSA/hFcRn转基因小鼠

重点核对

RBD-MSA融合蛋白与ACE2和FcRn的结合能力 鼻内疫苗接种后血清和BALF中RBD特异性IgG和IgA抗体水平 血清和BALF抑制ACE2-RBD结合及假病毒中和效率 SARS-CoV-2攻毒后体重变化、肺病毒载量和组织病理学 对比肌肉注射mRNA疫苗和替代载体(转铁蛋白)对黏膜IgA的诱导效果

摘要

尽管疫苗通常经肌肉注射给药,但鼻内给药途径可能带来更好的黏膜保护并限制呼吸道病毒的传播,同时便于给药并提高疫苗接受度。然而,挑战在于实现跨越选择性上皮细胞屏障的递送。在此我们报告了一种亚单位疫苗平台,其中抗原经基因融合至白蛋白,以在佐剂存在下促进FcRn介导的跨黏膜屏障转运。在常规和转基因小鼠模型中,鼻内给药可诱导全身和黏膜抗原特异性抗体反应,并针对SARS-CoV-2或甲型流感病毒的攻击提供保护。与肌肉注射mRNA疫苗或鼻内给予与类似大小的替代载体融合的抗原相比,只有基于白蛋白的鼻内疫苗能产生稳健的黏膜IgA抗体反应。因此,我们的结果表明,这种无针、基于白蛋白的疫苗平台可能适用于针对呼吸道病原体的疫苗接种。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
本文试图探究鼻内给予白蛋白融合的亚单位疫苗是否能通过靶向FcRn增强跨黏膜转运,从而诱导针对呼吸道病毒的全身和黏膜抗体免疫。
核心机制
通过将抗原基因融合至白蛋白,利用FcRn介导的跨上皮转运,使鼻内疫苗能够更有效地递送,从而诱导全身和黏膜特异性抗体(包括IgG和IgA)反应。
主要证据
在BALB/c、K18-hACE2、Tg32-hFc和HSA/hFcRn小鼠模型中,鼻内给予RBD-MSA或RBD-QMP(融合至工程化人血清白蛋白)加CpG佐剂,诱导了强效RBD特异性IgG和IgA,阻止ACE2-RBD结合并中和SARS-CoV-2假病毒;在SARS-CoV-2和流感攻毒中提供完全保护;与肌肉注射mRNA疫苗相比,只有白蛋白融合鼻内疫苗产生稳健的黏膜IgA。
研究意义
作者提出该基于白蛋白的鼻内疫苗平台可能适用于针对呼吸道病原体的无针疫苗接种,并可启发进一步设计基于HSA的亚单位疫苗。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

融合蛋白设计与体外表征

验证将抗原(RBD或HA)融合至白蛋白(MSA或HSA变体)后,其结构完整性、受体结合能力及FcRn结合特性是否保留。

构建RBD-MSA、RBD-QMP、RBD-WT、RBD-Tf、MSA-HA、AQ-HA、HA-QMP、HA-Tf等融合蛋白,并表达、纯化。通过ELISA检测其对ACE2、FcRn、转铁蛋白受体及表位特异性单克隆抗体的结合情况;通过表面等离子体共振(SPR)分析结合动力学;通过HERA和Transwell实验检测跨细胞转运和回收效率。

2

鼻内接种免疫原性评估

评估鼻内给予白蛋白融合疫苗在诱导全身和黏膜抗原特异性抗体(IgG、IgA)方面的能力,并比较不同载体和给药途径的效果。

在不同小鼠模型(BALB/c、Tg32-hFc等)中鼻内接种融合蛋白(加CpG佐剂),定期采血,收集BALF、鼻洗液、唾液等黏膜样本。通过FCBA和ELISA检测RBD-或HA特异性IgG和IgA抗体滴度及亚型;并通过流式细胞术检测纵隔淋巴结中抗原特异性B细胞比例。

3

抗体功能评估(中和活性)

评估疫苗诱导的抗体是否能抑制ACE2-RBD相互作用并中和SARS-CoV-2假病毒,以预测保护效果。

通过FCBA和ELISA检测血清和BALF抗体对ACE2-RBD结合的抑制百分比;使用表达GFP的SARS-CoV-2假病毒系统,在293T-hACE2-TMPRSS2细胞上检测血清和BALF的中和能力;部分实验使用HeLa-ACE2细胞和荧光素酶报告基因进行。

4

体内攻毒保护实验

评估疫苗在活病毒攻击下的保护效果,包括生存率、体重变化、病毒载量和组织病理变化。

对接种疫苗的小鼠进行SARS-CoV-2(K18-hACE2)或流感A(PR8)活病毒攻毒,监测体重变化和生存率;攻毒后第7天处死,收集肺组织测定病毒载量(RT-qPCR)并做H&E染色病理分析。

5

与其他疫苗策略的比较研究

比较白蛋白融合鼻内疫苗与肌肉注射mRNA疫苗及替代载体(转铁蛋白)对黏膜IgA诱导的差异。

在BALB/c和Tg32-hFc小鼠中,设置RBD-MSA或RBD-QMP鼻内接种、BioNTech-Pfizer mRNA疫苗肌肉注射、RBD-Tf鼻内接种等组,在终点收集血清和黏膜样本,检测RBD特异性IgG和IgA,并评估ACE2-RBD抑制和中和活性。

6

佐剂偶联及免疫原性优化

探究将佐剂CpG直接偶联至白蛋白融合蛋白(CpG-RBD-QMP)对免疫应答的影响,以及是否产生针对白蛋白的抗体。

通过马来酰亚胺化学将CpG偶联至RBD-QMP的Cys34,纯化后表征其结合活性。在Tg32-hFc和HSA/hFcRn小鼠中鼻内接种CpG-RBD-QMP或RBD-QMP加游离CpG,检测RBD特异性抗体和B细胞反应,并检测HSA特异性抗体。

7

广谱性评估

评估疫苗诱导的抗体对SARS-CoV-2多种变异株的交叉反应性和中和能力。

用FCBA和ELISA检测血清和黏膜样本中抗体对Alpha、Beta、Gamma、Delta、Omicron等变异株RBD的结合活性;用假病毒中和实验检测对携带不同Spike变异株的假病毒的中和能力。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Expi293F细胞GibcoA14527
HEK293E细胞ATCCCRL-1573
Lipofectamine 2000转染试剂Thermo Fisher Scientific11668500
HisTrap HP层析柱Cytiva17524801
人白蛋白亲和基质Thermo Fisher Scientific1912970
AlbuPure白蛋白亲和吸附剂Astrea3151
Amicon Ultra离心过滤器Merck Millipore--
Superdex 200 Increase 10/300 GL凝胶柱Cytiva28-9909-44
Bolt 12% Bis-Tris Plus凝胶Thermo Fisher ScientificNW00125
DS-11+分光光度计DeNovix--
CpG寡脱氧核苷酸1826Integrated DNA Technologies--
SM(PEG)8连接剂Sigma-Aldrich746207
HMEC-1-hFcRn细胞Lencer lab--
MDCKII-hFcRn细胞Roche--
293T-hACE2-TMPRSS2细胞----
BALB/c小鼠Janvier-Labs--
K18-hACE2小鼠The Jackson Laboratory034860
Tg32-hFc小鼠The Jackson Laboratory029686
HSA/hFcRn小鼠genOway--
异氟烷----
甲型流感病毒H1N1(A/PR/8/34)ATCCVR-95
SARS-CoV-2 WA1/2020病毒----
TRIzol试剂Thermo Fisher Scientific15596026
RNeasy Mini试剂盒Qiagen74104
UltraPlex一步法ToughMixQuantabio95166
TMB显色液CalbiochemCL07
重组人ACE2Sino Biological10108-H08H
重组小鼠转铁蛋白受体Sino Biological50741-M07H
R-藻红蛋白偶联的抗小鼠IgGThermo Fisher Scientific31861
Attune NxT流式细胞仪Thermo Fisher Scientific--
FACSymphony A5流式细胞仪BD Biosciences--
BrightGlo荧光素酶底物PromegaE2620
BioTek Synergy 2酶标仪Agilent--
Bolt 4-12% Bis-Tris Plus凝胶Thermo Fisher ScientificNW04125
iBlot 2 PVDF Mini转印叠Thermo Fisher ScientificIB24002
山羊抗小鼠IgA-HRPBethylA90-103P
SuperSignal West Pico PLUS底物Thermo Fisher Scientific34580
Biacore T200表面等离子体共振仪Cytiva--
CM5传感器芯片Cytiva29149603
Incucyte S3活细胞成像系统Sartorius4647

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
蛋白融合表达
表达系统(Expi293F或HEK293E)、载体(pFUSE2ss-CLIg-hk或pcDNA3)、转染试剂、纯化方法(亲和层析、SEC)
阅读提示:Methods: Vector design and production of RBD and RBD fusion proteins
鼻内接种
小鼠品系、年龄、性别;疫苗剂量(RBD-MSA 19.9 μg、RBD-QMP 20.0 μg等);佐剂CpG用量;接种体积(20 μL,10 μL/鼻孔);初免加强时间
阅读提示:Methods: In vivo vaccine studies
抗体检测
样本类型(血清、BALF、鼻洗液、唾液)、稀释度、检测方法(FCBA、ELISA)
阅读提示:Methods: Quantification of RBD-specific antibodies in FCBA
中和实验
假病毒构建方法、细胞系(293T-hACE2-TMPRSS2)、血清和BALF的稀释度、感染检测方法
阅读提示:Methods: Spike pseudotyped neutralization with mouse sera or BALF
攻毒实验
病毒株(SARS-CoV-2 WA1/2020剂量2×10^4 pfu,流感PR8为5×LD50)、攻毒时间、监测指标、终点标准
阅读提示:Methods: Live virus challenge