疫苗生物技术

• 与普通的化学药物不同，疫苗是由不同性 质和作用的物质共同组成的复合物，其基 本成分包括抗原、佐剂、防腐剂、稳定剂、 灭活剂及其他相关成分。这些基本要素从 不同角度确保了疫苗能够有效刺激机体， 产生针对病原微生物的特异性免疫反应， 同时确保疫苗在制备和保存过程的稳定性。
1.抗原(antigen)
• （二）佐剂的作用机制：①改变抗原的物 理性状，延缓抗原降解和排除，从而更有 效地刺激免疫系统；②刺激单核/巨噬细胞 系统，增强其处理和递呈抗原的能力；③ 刺激淋巴细胞增殖与分化。 • （三）佐剂的应用：①增强特异性免疫应 答，用于预防接种及制备动物抗血清；② 作为非特异性免疫增强剂，用于抗肿瘤与 抗感染的辅助治疗。
天花病பைடு நூலகம்局部痂皮
鼻
儿童
中国古代“种人痘”
英国医生爱德华.詹纳 （1749-1823）研究 天花疫苗（牛痘）的 过程
2.为了根绝可怕的天花，詹纳决心寻找更有 效的办法。通过广泛的调查，发现两种人不 会得天花：一种是患过天花的人；另一种是 养牛场的挤牛奶女工.
3.这时，詹纳 的调查重点放 在挤奶女工的身上
抗原引起的体液免疫 • 根据激活B淋巴细胞的方式不同，抗原可分 为两种：蛋白类抗原和多糖、脂类等抗原。 • 根据对T细胞的依赖性分为：T细胞依赖性 (TD)抗原和T细胞非依赖性(TI)抗原。蛋白 质组成的抗原在T辅助细胞的辅助下，可刺 激抗体类型的转化和产生高亲和力的抗体， 诱导B淋巴细胞产生以IgG抗体为主的体液免 疫反应及记忆型B淋巴细胞的产生，此类抗 原也称胸腺依赖型抗原。
细菌来源佐剂
• 细菌毒素：在细菌毒素中，霍乱毒素、大肠杆菌 不耐热毒素、百日咳毒素等是一类强粘膜免疫佐 剂。 • 卡介苗佐剂：卡介苗是减毒的牛型分枝杆菌，是 预防结核病十分有效的减毒活疫苗。 • CpG佐剂：脱氧寡核苷酸中心区的胞嘧啶鸟嘌呤二 核苷酸（CpG）的DNA片段具有活化B细胞、巨噬细 胞和自然杀伤细胞的功能。根据此结构在体外合 成的CpG基序具有同样的免疫调节效应，CpG寡核 苷酸佐剂具有增强细胞免疫和体液免疫的双重效 果。
佐剂
1 2 3 4
植物来源佐剂
细菌来源佐剂
细胞因子
人工合成佐剂
植物来源佐剂
• 根据分子量大小可分为低分子提取物和高分子提 取物两大类，有活性的小分子包括烷基胺、酚类 成分（奎宁、皂角素和倍半萜烯等；具有免疫刺 激作用的大分子有蛋白质、多肽、多糖、糖脂和 植物凝集素等。 • 皂角素是从南美种的皂角树皮提取出的具有免疫 刺激活性的一类物质。其中Quil A是皂角素中初 步纯化的产品，有促进Thl和Th2 T辅助细胞功能 和增强体液免疫的作用。
防腐剂
• 在提高疫苗的保质期方面，防腐剂起到重 要的保障作用。常用的防腐剂有甲醛、苯 酚、叠氮钠、氯仿、硫柳汞、2–苯氧乙等。
稳定剂、灭活剂及其他相关成分 • 在制备疫苗中常加入适宜的稳定剂或保护 剂，如冻干疫苗中常用的乳糖、明胶、山 梨醇等，以保证疫苗再加工和存储过程中 的稳定性。 • 在疫苗生产制备中常采用化学试剂灭活， 常用的化学灭活有丙酮、苯酚、甲醛、去 氧胆酸钠表面活性剂等，在后序的制备程 序中应从疫苗中除去，以保证疫苗的安全 性。
发现结核杆 菌；提出病 原菌致病的 概念
Robert Koch (1843-1910)
牛分支杆菌F Mycobacterium bovis
在胆汁中适应性 生长，充分减毒 成为预防肺结核 的疫苗。
卡介苗 Bacillus Calmette-Guerin （BCG）
一、疫苗的基本成分、生理作用基础和特征
原时迅速启动免疫防御机制，消灭病原体，
是疫苗作用的物质基础，免疫记忆系统由
体液免疫记忆和细胞免疫记忆两部分构
成 。
• B细胞表面的CD40分子与T淋巴细胞和树突状细胞 表面的CD40L分子的相互作用是B细胞激活和分化 所必须的条件。 • 活B淋巴细胞至少需要两个信号：第一个信号是B 淋巴细胞表面抗原受体的交连，第二个信号则是B 淋巴细胞表面所表达的CD40分子和CD4T辅助细胞 表面CD40L分子的相互作用。 T辅助细胞所分泌的 细胞因子，如白介素2、白介素4、白介素5、干扰 素和肿瘤坏死因子等对B淋巴细胞的激活也有重要 作用。 • 记忆型B淋巴细胞是在淋巴组织的生发中心形成的。 在记忆型B淋巴细胞的形成过程中，B淋巴细胞膜 上的CD40分子起着关键的作用。
影响抗原免疫原性因素
1、抗原的理化性质 • （一）抗原的种类：多数蛋白质为良好的抗原，多糖及 多肽也具一定的免疫原性 • （二） 分子大小：抗原的分子量一般≥10kD，且分子量 越大，免疫原性越强 • （三）化学组成：免疫原性物质还须具备复杂的化学组 成与特殊的化学基团。 • （四）抗原决定基的易接近性(accessibility)：易近性 乃指抗原决定基是否易被淋巴细胞的抗原受体所接近。 （五）物理性状：化学性质相同的抗原物质可因其物理 性状不同而影响免疫原性
在分子水平上进行 重组疫苗的研究和 制备。采用重组 DNA技术制备的乙 型肝炎表面抗原疫 苗是第二次疫苗革 命的代表。
DNA疫苗开发为免疫 学研究开辟了一个全 新的天地。DNA疫苗 能在真核细胞中表达 抗原，刺激机体产生 特异性免疫反应，可 有效地预防病毒、细 胞内寄生的细菌和寄 生虫所引起的传染病 。
二、疫苗设计的技术基础
• • • • • • 疫苗设计的生物学基础 疫苗设计的安全要求 体液免疫或细胞免疫的设计考虑 疫苗设计中B细胞、T细胞表位选择 疫苗配方设计-输送系统和佐剂设计 疫苗控释技术
1、疫苗设计的生物学基础
• 免疫记忆性是机体对外界致病源最有效的 抵抗机制，可保证机体再次遇到同一致病
疫苗生物技术
英国医生爱德华. 詹纳（1749-1823） 研究天花疫苗 （牛痘）的过程
1.天花是一种死亡率很高的传染病。18世纪前还没有 预防天花的有效方法，每当天花流行，就有大量患者 死亡，存活下来的人的脸上也会留下疤痕。詹纳还知 道，中国人在宋朝的时候已经发明了往健康人的鼻孔 里吹痘痂粉的方法预防天花。但这种方法并不安全， 有时会导致人的死亡。
• 2、抗原与机体的相互作用 • （一） 异物性： “异物”的概念定义为“在 胚胎期未与淋巴细胞充分接触过的物质” • （二） 进入机体的途径：皮内、皮下、肌肉、 腹腔(仅限于动物)、静脉 • (三）机体遗传因素：个体对抗原刺激产生应 答的能力受遗传因素控制
抗原引起的细胞免疫反应
• 引起细胞免疫反应的抗原主要是一些细胞 内生存的活体抗原，如艾滋病病毒、结核 杆菌、白色念珠菌等。
• 抗原：在机体内能刺激免疫系统发生应答， 并能诱导机体产生可与其起特异性反应的 抗体或效应细胞的物质。 • 抗原的两个基本特性：免疫原性和反应原 性。免疫原性（immunogenicity）是指抗 原进入机体后引起的免疫细胞间一系列免 疫反应，包括抗原加工、处理、呈递以及 被T和B细胞的抗原或受体识别等；抗原的 反应原性（reactivity）是指抗原与抗体 或效应T细胞发生特异反应的特性。
挤奶女工告诉他:牛也会患天花,患病时在牛 的皮肤上出现一些小脓包,叫牛痘。女工们在 给患病的牛挤奶时，也会被感染牛痘而引起小 脓包，但很快就痊愈，以后她们就不会再得天 花，于是詹纳猜想其中必有奥妙。
４、患过牛痘的人 能产生对天花的 抵抗能力
5.为了检验猜想, 他用实验来证实 从患过牛痘的挤奶 女工手上取出微量 的牛痘脓浆,接种 到一个八岁男孩的 胳臂上,使他染上 牛痘。但几天后小 男孩的牛痘很快就 好了。 一个多月后，詹纳在小男孩的胳臂上再接种人 类的天花脓浆，小男孩竟没有患上天花。
• 多糖、脂类和核酸等抗原可直接诱导B淋巴细胞产 生IgM抗体，但无法诱导T淋巴细胞辅助，因此无 法产生亲和突变的抗体反应和记忆型B淋巴细胞。 • 这类抗原的主要特点是具有由相同的单体聚合形 成的多聚性抗原，它们能同时与B细胞表面多个抗 原受体交连，因此能在没有T细胞辅助下直接激活 B淋巴细胞，但至今还不清楚B淋巴细胞对这类抗 原的反应是否还需要其他信号。此类抗原也称胸 腺非依赖型抗原。与蛋白抗原相比，此类抗原引 起的免疫反应较弱，记忆期也相对较短。
• T细胞介导的细胞免疫反应主要包括：抗细 胞内病毒感染，如艾滋病病毒、脑炎病毒 和仙台病毒等；抗细胞内细菌感染，如结 核杆菌、麻风杆菌和沙门氏菌等；抗真菌 感染，如白色念珠菌等。
2、佐剂
• 佐剂是疫苗的关键性成分，可以增强抗原 的特异性免疫应答效果。这种加强可表现 为增强抗体的体液免疫反应，或表现为增 强抗体的细胞免疫反应，或二者兼有。 • 疫苗佐剂发展至今，以氢氧化铝和磷酸铝 为代表的铝佐剂至今仍然是唯一被批准使 用的人用疫苗佐剂。
• 幼稚T细胞受到抗原递呈细胞（APC）的激活后， 迅速增殖，分化出大量特异性效应细胞，实现免 疫反应。反应结束后，大部分效应细胞程序性死 亡，部分细胞转化为记忆性T细胞长期存在。 • 记忆性细胞在体内高质量存在，必须有一动态的 自我平衡过程。在不同的信号刺激下，自我更新， 才能保证记忆细胞长期存活。 • 抗原存在的持续过程可能是记忆细胞产生的一个 重要因素，那些在反应终结注定要被清除的细胞 可能就是那些执行了持续反应反应的后代，它们 以较高强度接触抗原的过程即是启动了死亡旁路 的过程。相反，在接近反应后期的那些细胞，短 暂的接触抗原可能已可以使这些细胞增殖并分化 成为效应细胞，但都不足以启动各种死亡旁路。 因些，它们不象其他效应细胞那样在感染终结后 被清除，而是作为记忆细胞长期存活下去。
• 记忆的基本过程对疫苗设计提出了较有意 义的技术挑战，在设计一种疫苗时，能够 在免疫应答的后期，以相应的技术减少效 应细胞的死亡，就有可能增加记忆细胞的 数量，而以后的二次免疫应答，就可能因 为较多的产生记忆细胞存在而得以更好地 发挥作用。
2、疫苗设计的安全要求
疫苗反应可被划分为“常见”和“罕见”。绝大多数疫苗 反应系为“常见”，轻微、不需治疗、并不造成长期结果。 • 常见、轻度疫苗反应及发生率：疫苗的目的是通过调动疫 苗接受者的免疫系统对这种疫苗的特异性反应而产生免疫 效力，机体由此产生的局部反应、发烧和全身性症状可作 为部分正常免疫反应，最常见的为接种部位疼痛、肿胀或 发红等局部反应。 • 罕见、较严重的反应发生率：多数罕见的疫苗反应表现为 癫痫发作、血小板减少、低渗低反应症状、持续的极度沮 丧的尖叫等，严重的可能具有生命危险。但这些反应具有 明显的自限性，治疗后不会产生长期问题和影响。 • 规划失误：这种失误通常由人为因素造成，而不是疫苗或 其它技术的问题。
实验证实了他的 假设是正确的， 同时表明，患过 牛痘的人体内产 生了能抵抗天花 病毒的抗体
疫苗发展的三个时期
第三次疫苗革命 第二次疫苗革命 第一次疫苗革命
在Pasteur减毒培 养制备疫苗方法的 指导下，19世纪末 至20世纪初在世界 上掀起了以细菌减 毒活疫苗──卡介苗 为代表的第一次疫 苗革命。
*减毒疫苗的发明
1879
Louis Pasteur
狂犬病疫苗 炭疽病疫苗
19 世纪末，随着微生物学的 发展，法国免疫学家巴斯德 （Pasteur）和德国细菌学家 郭霍（Koch）在创立了细菌 分离培养技术的基础上，通 过系统地科学研究，利用物 理、化学，以及生物学方法 获得了减毒菌苗，并用于疾 病的预防和治疗。 Pasteur 以高温培养法制备了炭疽疫 苗，用狂犬病毒在兔体内经 连续传代制备了狂犬病疫苗。 这些减毒疫苗的发明不但为 实验免疫学打下了基础，也 为疫苗的发展开辟了新局面。
细胞因子
• 作为第一个被发现具有免疫调控作用的细胞因子白 介素1（interleukin 1，IL-1），对T细胞依赖和 非T细胞依赖性免疫反应均有较好的免疫佐剂作用， 目前源于IL-1的多肽已成功用作乙型肝炎表面抗原 疫苗的佐剂。 • IL-2作为狂犬病、疱疹以及嗜血流感杆菌疫苗的佐 剂，动物试验表明，IL-2可有效增强疫苗的免疫反 应，促进抗体的产生。细胞因子不仅可以作为免疫 佐剂与抗原结合使用，还可以通过基因重组的方式 与其他抗原组成结合疫苗发挥佐剂效应。
人工合成佐剂 • 铝佐剂：铝佐剂只能增强体液免疫效应， 对细胞免疫的增强效果不明显。 • 脂质体：脂质体作为疫苗载体时，对多种 抗原（蛋白质、多糖或细胞）都具有较好 的佐剂效应。脂质体可能通过提高抗原在 体内存在时间、加强对免疫系统的刺激， 保持和增强免疫反应。实验表明经过脂质 体包埋的抗原被吞噬后，抗原在吞噬细胞 和抗原呈递细胞中存在的周期大大延长。