黏膜免疫与转基因植物口服疫苗的研究

!综述!

基金项目"国家自然科学基金资助项目#!""#""!!

$作者单位"$%&&"&海口%中国热带农业科学院热带生物技术研究所热带作物生物技术国家重点实验室

通讯作者"周鹏

黏膜免疫与转基因植物口服疫苗的研究

沈文涛!周鹏

!!人体的呼吸道&

消化道和泌尿生殖系统都覆盖着黏膜%许多使人致病&致死的病原体大都可经黏膜侵入人体%因此%研制口服疫苗具有深远的意义’与注射疫苗相比%口服疫苗不仅能诱导黏膜免疫反应%也能诱导系统免疫反应%且避免了由注射器可能带来的疾病传染’随着基因工程的飞速发展和植物转化技术的完善%利用植物生物反应器可生产方

便&廉价&有效&不需纯化就可直接口服的疫苗(&%’)%即通过

抗原蛋白基因在植物可食部位的表达%直接食用后激发人体黏膜免疫系统产生抗体%预防疾病’这种新型口服疫苗改变了传统的疫苗生产方式和接种手段%大大降低了疫苗的生产成本%给免疫预防领域带来了新的生机’

一&转基因植物口服疫苗的黏膜免疫机制

黏膜系统拥有一个强大的物理&化学以及免疫清除外源毒物或致病微生物侵害的防御体系%因此%对黏膜免疫系统及其机制的研究是研制开发植物口服疫苗的理论基础’

&(

黏膜免疫应答的诱导"启动黏膜免疫发生的场所主要是一种特化扁平上皮细胞***微褶细胞#)*+,-.-/0+1//%2

细胞$(!%3)

%其功能为选择性黏附&摄取外来抗原物质并以小

囊泡形式转运给上皮内淋巴细胞以及生发中心淋巴组织%诱导黏膜免疫应答+2细胞在肠道4151,467+819#::$淋巴结中%与肠上皮细胞紧密排列在一起%呈圆顶状%细胞基底部向顶部#

肠腔面$内陷成袋状%其中含有丰富的淋巴细胞%其顶部及周边胞质很薄%胞质中含有大量的吞饮小泡%2细胞的基底膜常为不连续的%可允许淋巴细胞自由穿过’2细胞的这些特殊结构大大缩短了含有抗原或病原微生物的吞饮小泡跨越2细胞的距离%这有利于抗原快速进入上皮下淋巴组织’由于2细胞表面覆盖着各种与其选择性黏附&内吞&转运外来抗原有关的糖蛋白%所以2细胞能够识别和区分普通食物性抗原&正常菌群和病源性抗原%以保证人体免疫功能的正常运行%对黏膜疫苗的应用及药物的传送具有重要意义’

由于2细胞不表达;;类组织相容性抗原分子%且细胞中降解蛋白质的溶酶体很少%因此%2细胞可能不参与对抗原的加工和处理’在2细胞吞噬外来抗原物质并以小囊泡的形式转运至上皮下生发中心后%抗原被抗原呈递细胞

#<:=$加工&处理并呈递给>细胞%产生抗原特异性的淋巴母细胞%在生发中心增殖后%通过血液迁移到远处的黏膜和腺体组织%并进一步分化成熟为浆细胞%浆细胞分泌的;?<形成双体或多体%选择性地与上皮细胞多聚受体结合%通过封闭细菌和病毒对黏膜上皮细胞的黏附来阻止病原微生物的侵入%同时还能中和细菌产生的毒素和灭活已经侵入上皮细胞的病毒’

’(

黏膜免疫应答的效应"黏膜免疫效应部位主要包括上皮内淋巴细胞#*@71,14*781/*6//5)48-+571%;A B $和固有层淋巴细胞#/6)*@64,-4,*/5)48-+571%B :B $’;A B 是体内最大的淋巴细胞群%由于它们位置上离肠腔很近%这就使得;A B 成为黏膜免疫系统中首先与外源抗原接触的成分’;A B 中#!C !D "C 以上为=E D FG 细胞%少数为=E 3FG 细胞’研究结果表明%;A B 有与细胞毒G 细胞及自然杀伤细胞相似的胞内颗粒%并能分泌肿瘤坏死因子H "#G I J H "$&白细胞介素#;J I $H #等淋巴因子%所以%;A B 具有细胞杀伤和防御肠道病原体入侵的作用’B :B 位于黏膜固有层%含丰富的G &>淋巴细胞%是;?<抗体产生的主要场所’浆细胞所分泌的大量;?

<可通过分泌片的介导进入黏膜表面%中和抗原物质%清除外来抗原(3)

’

!(公共黏膜免疫系统"&K #3年L 6)19M -N 6@9发现在黏膜致敏活化的淋巴细胞经导管&血液后又落户于黏膜效应部位发挥作用%而外周组织中活化的淋巴细胞就不会进入黏膜%黏膜细胞的这种归巢性的优点是在黏膜某一处致敏的淋巴细胞可以传播到黏膜组织的各个部位%称之为公共黏膜免疫系统#+-))-@)O +-96/95

971)$%这是黏膜疫苗作用发挥的基础($)

’因此%预防消化道&呼吸道和生殖泌尿道传染病

可通过口服途径接种疫苗来产生有效的黏膜免疫反应’

二&转基因植物口服疫苗的可行性

转基因植物口服疫苗是新疫苗技术的研究热点%其可行性主要表现在"#&$植物细胞的全能性及其完整的真核细胞表达系统%

使植物表达与动物一致的免疫原性及生物活性的抗原蛋白成为可能+#’$日益成熟的植物基因转化技术’目前%利用植物生产疫苗的转化策略主要是利用根癌农杆菌介

导的转化技术(#)来培育稳定转化的转基因植物+#!$植物细

胞壁&细胞膜和细胞器作为天然的生物胶囊可使细胞内的疫

苗蛋白能够抵抗消化道的酸性环境和各类酶的降解%使表达的疫苗在小肠内慢慢释放%以实现免疫功能’一些动物实验和人体试验结果已证明了转基因植物口服疫苗能诱导黏膜免疫反应+#3

$可直接口服免疫%使用方便%易于生产&运输和万方数据

储存!故便于推广和普及"因此!开发转基因植物口服疫苗具有巨大的应用潜力和前景"

三#转基因植物口服疫苗研究举例

&(腹泻疫苗$研究结果显示!肠道黏膜能分泌抗体抵抗入侵的病原体!口服疫苗是预防腹泻的有效免疫途径"为了满足人们对新型腹泻疫苗的需求!科学家们利用许多来自肠道的病原体抗原作为转基因植物表达的抗原蛋白"目前!引起腹泻的产肠毒素型大肠杆菌%%&#霍乱弧菌%D&#轮状病毒%K&及诺瓦克病毒%&"&等病原体抗原已在烟草#马铃薯#番茄等植物中获得表达"&K K%年!在J E<的批准下!26@9-@等%&&&进行了转基因植物口服疫苗人体试验!他们将表达了热不稳定肠毒素>亚基的马铃薯分发给&3位健康成年志愿者食用!结果在志愿者的血清中产生了;?<和;?M!而且在口服了足以引起严重腹泻的毒素后!机体不受影响"G6+T17等%&’&将含有诺沃克病毒衣壳蛋白的转基因马铃薯对’"名健康成年志愿者进行口服测试!结果发现!有&K名’K$C(体内的特异性;?<抗体分泌细胞数显著增加"我室)轮状病毒表面蛋白基因在番木瓜果实中表达*的研究项目于’"""年度获得国家自然科学基金的资助!并取得了阶段性成果!这为研制小儿腹泻植物口服疫苗打下了良好的基础"

’(乙型肝炎’U>(疫苗$目前!市场上U>疫苗主要是酵母细胞系统生产的E I<重组U>S表面抗原’U>99疫苗"269-@等%&!&从转基因烟草中得到的U>999

!(结核病疫苗$由于移民#艾滋病感染和耐药性等原因!结核病这个渐渐被人淡忘的古老瘟疫正卷土重来"而现在用于预防结核病的疫苗主要是卡介苗!但其免疫保护效果一直存在争议!不同研究结果表明!从D"C到没有保护作用%&$&"因此!人们正努力寻求新型#有效的抗结核疫苗"已有研究者认定!结核杆菌的一些表面蛋白和分泌蛋白与其致病性有关!具有良好的免疫原性+另外!根据黏膜免疫的归巢性机制!口服表达结核杆菌抗原蛋白!可在肺部产生抗结核杆菌的特异性抗体"因此!开发抗结核的转基因植物疫苗是可行的"王凌健等%&#&已成功地在胡萝卜中表达了结核杆菌分泌性蛋白2:G H#3"我室以热带水果番木瓜为受体!已获得了转结核杆菌分泌蛋白A Q

四#问题与展望

以上所述从理论和实践上阐明了转基因植物口服疫苗的可行性及其良好的开发前景!但同时也存在一些需研究和改进的问题"

&(免疫有效性$口服疫苗接种有时不但不会诱发机体的保护性免疫反应!相反会引起免疫耐受或变态反应!因此!必须确定口服疫苗是起诱导作用还是抑制作用!以便确定转基因植物口服疫苗服用的有效剂量和时间!使抗原含量控制在既能激发免疫反应!又不会使人致病"另外!随着研究的深入!科学家又利用口服耐受来研制和开发治疗自身免疫病和过敏性疾病的转基因植物口服疫苗%&%&"

’(抗原蛋白的表达量和稳定性$如果抗原蛋白在转基因植物中的含量较低!在直接口服植物可食部位后!不易在体内激发黏膜免疫反应"目前!主要采取优化重组基因的策略来提高抗原蛋白在植物中的表达量和稳定性"

!(受体植物的选择$在已研究的受体植物中!对烟草#马铃薯的研究最多!主要是因为它们遗传操作较容易!但烟草含有有毒生物碱!马铃薯不宜生食!而且加热易使抗原蛋白变性!所以它们都不是理想的转基因植物口服疫苗受体植物"香蕉种植范围广!适合不同年龄人食用!被认为是较为理想的受体材料"因此!需选择一种异源蛋白表达水平高而且又适于疫苗传输的受体植物"

3(生物安全性问题$如用于筛选转基因植株的抗生素基因!可能对环境安全和人体健康产生潜在的危害"但目前发展起来的标记基因删除技术!有望消除人们对转基因产品安全性的担忧"

参考文献

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#王关林!方宏筠!主编(植物基因工程原理与技术X北京$科学出版社!&K K D X&K$H’!’(

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