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奶牛变身抗体工厂,不仅仅对付艾滋病 精选

已有 2822 次阅读 2017-9-5 08:08 |个人分类:未来动物园|系统分类:科普集锦

奶牛除了提供美味的牛奶和牛肉之外,还能为人类做什么呢?最近,一些科学家不断创新,赋予奶牛新的使命,希望利用牛的免疫系统对付像HIV、汉坦病毒、埃博拉病毒等多种危险病毒。

这些奶牛吃的同样是草,产出的却是救命的抗体药物

奶牛是生产多克隆抗体药物的理想载体

生产艾滋病广谱抗体的理想工具

据联合国艾滋病规划署数据显示,到2015年底,全球约有7800万人感染艾滋病病毒,其中累计约3500万人因此死亡,艾滋病病毒已成为对人类健康最致命的威胁之一。

科学家一直在努力寻找艾滋病病毒的命门,希望一举降服这一“恶魔”,研制安全有效的艾滋病疫苗正是众多科学家不懈努力的主要目标之一,因为疫苗能激活机体免疫系统,产生中和艾滋病病毒的抗体,最终将病毒清除出体内。不过由于艾滋病病毒狡猾而善变,善于欺骗并破坏人体免疫系统,而且变异体众多,目前大多数疫苗研究均告失败。

2016年11月,美国国家卫生研究院宣布,其资助研发的一种新型艾滋病疫苗HVTN702已开启临床有效性试验,该临床试验计划在南非招募5400名志愿者,预计到2020年结束。该疫苗是艾滋病疫苗RV144的升级版,RV144虽然于2009年在泰国完成临床试验,但是其临床有效率仅为31%,最终没能获准商业应用,这却是迄今经临床验证效果最佳的艾滋病疫苗。之后几年,研发人员对RV144进行了改进,希望能提高有效率,并延长保护时间,不过新疫苗HVTN702最终能否获得成功,还是未知数。

正当科学家在艾滋病疫苗研发上愈挫愈勇之时,美国斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)的研究人员却独辟蹊径。他们借鉴艾滋病疫苗研发思路,设计合成了一种可以模拟艾滋病病毒外壳的包膜蛋白,然后将这一蛋白注射到四头奶牛体内进行免疫,42天以后,在四头奶牛血液中均检测到可中和艾滋病病毒的抗体。

研发人员进一步检测其中一头牛所产生抗体对不同艾滋病病毒变异体的中和效果,发现在受试的117种艾滋病病毒变异体中,这头牛在免疫42天时产生的中和抗体的有效率只有20%,到381天时,有效率竟然提高至96%。这无疑是艾滋病疫苗研究的一项重大突破,因为只有约1%的艾滋病病毒感染人群能产生这种抗体,而且一般需要在感染病毒5年之后。这一研究成果于2017年7月20日在线发表在《自然》杂志,引起关注。

这是首次在大动物上获得如此快速而广谱的抗艾滋病病毒抗体,之前其他研究人员已在兔子和猴子身上开展类似研究,但是均没能诱导出广谱的中和抗体。

这一成果主要得益于这一研究小组集合了艾滋病病毒研究专家、奶牛免疫专家和兽医等多学科研究人员,以及这些研究人员的细致分析和精巧设计。研究人员在分析艾滋病病毒感染人群自然产生的中和抗体结构时发现,这些抗体表面有一段长30个氨基酸的突起显得很特别,长度是人体内普通抗体的两倍,而牛源抗体这一氨基酸链突起长度则可达70个氨基酸。

研究人员推测这一突起可能有助于中和抗体有效突破艾滋病病毒外壳糖蛋白构建的坚固防线,实现中和并清除艾滋病病毒的目的,如果对牛进行免疫,有可能大量产生这种具有超长氨基酸突起的中和抗体,后续研究也证明他们的这一推测是正确的,因为他们还从这头牛的血清中分离出一种具有60个氨基酸突起的中和抗体,可以中和72%受试的艾滋病病毒变异体。

该研究论文通讯作者之一的沃恩·斯密德博士表示,这项研究表明,牛是研究艾滋病疫苗的理想工具,也可以成为生产治疗性抗艾滋病病毒抗体的工厂,而对牛进行免疫来大量生产的广谱中和抗体,也将有助于癌症、自身免疫性疾病以及感染疾病的治疗。斯密德博士已就这一技术与多家医药公司合作,希望能在5到10年实现这一技术的产业化。

不过,这一研究有一个重要问题没有提及,那就是牛源中和抗体的免疫原性,即当这些牛源抗体注射到人体内时,人体免疫系统会马上识别,并迅速清除之,导致这些抗体无法发挥应有的功能,甚至引发人体严重的免疫反应,最严重可能危及生命,这也是20世纪曾被寄予厚望的抗血清疗法被逐步淘汰的主要原因。

这些奶牛吃的同样是草,产出的却是救命的抗体药物

奶牛HIV抗体也助于HIV疫苗的设计

转染色体牛功能更为强大

抗血清疗法是上世纪初发展起来的针对致命传染性病原体或致命毒素的重要疗法,基本做法是将致病微生物或毒素注射到牛、马等动物体内进行免疫,这些免疫动物血清中会产生能中和致病微生物或毒素的抗体成分,再用这些抗血清来治疗感染人群。该疗法曾在治疗白喉、肺炎、破伤风和麻疹等多种疾病中发挥重要作用,但是由于抗血清为动物源蛋白,容易引发病人强烈的过敏反应等副作用,逐渐被弃用,目前只有蛇毒抗血清、狂犬病抗血清等少数抗血清仍在使用。

但是,当人类面临重大传染病原体或生化武器袭击时,往往需要快速、大量生产出抗血清或多克隆抗体,而牛成为活的抗体工厂,一头牛所产生的抗体即可供100-200个病人使用,一直受到科学家们的重视。而牛源抗体的免疫原性问题,在过去十多年时间里,也基本被日本和美国科学家所攻克,那就是转染色体牛,其体内牛源的免疫球蛋白染色体片段被全部去除,代之以人源免疫球蛋白染色体片段,当致病微生物或毒素免疫这种转染色体牛,其体内所产生的抗体将都是人源的,这将极大限度地减少牛源抗血清或多克隆抗体免疫原性所引发的副作用。

早在2000年,来自日本麒麟啤酒公司医药研究实验室的科学家发明了一种转染色体技术,即将含有人免疫球蛋白全部重链和轻链基因序列的染色体片段,整体转入小鼠胚胎干细胞,实现了人源多克隆抗体在小鼠血液中表达。不过,由于技术限制,转染色体牛的难度要大得多,经过科学家十多年不懈改进,才最终获得较为理想的转染色体牛。

2002年,这些科学家与美国Hematech公司、麻省大学、贝勒医学院等机构合作,利用日本科学家发明的转染色体技术,成功将长约100万碱基对(相当于人Y染色体DNA长度的1/6)、含有人免疫球蛋白全部重链和轻链基因序列的染色体片段,转入牛的皮肤细胞,再利用体细胞克隆技术,获得第一代转染色体牛。当对这些转染色体牛进行免疫时,它们能产生特异的人源多克隆抗体,但是其产生的人源多克隆抗体表达量平均仅为几十微克/升,而人血清中正常抗体浓度可达5-10克/升,显然第一代转染色体牛难以令人满意。主要原因可能是牛源免疫球蛋白基因未能去除,这在当时也是难以逾越的技术难题,因为牛内源的免疫球蛋白基因信息尚不清楚,直到2009年牛的基因组计划完成才迎来转机。

2014年,这一研究团队终于培育出理想的转染色体牛,即牛内源免疫球蛋白重链和轻链基因位点全部敲除、但含有完整人免疫球蛋白基因位点的转染色体牛。这些转染色体牛血清中的全人源多克隆抗体含量平均为5克/升,最高可达15克/升,与人血清抗体含量相当,标志着生产人源多克隆抗体药物的转染色体牛技术平台已经基本成熟。

这些奶牛吃的同样是草,产出的却是救命的抗体药物

转染色体牛生产的抗体药物

对付生物武器也不在话下

当然,这些转染色体牛并没有第一时间用来研发抗艾滋病药物,而是被用于研发对付汉坦病毒、埃博拉病毒、中东呼吸综合征冠状病毒等传染病原体的多克隆抗体药物。

由于在开展生物武器防御药物方面的巨大潜力,近年来转染色体牛技术平台也受到美国军方的高度重视,美国陆军传染病医学研究所已投入大量资金,正与桑福德健康集团旗下的SAB生物制药公司(原美国Hematech公司)共同开发对付这些致命病原体的人源多克隆抗体药物。

汉坦病毒能引发汉坦病毒肺部综合征,主要表现为急性呼吸衰竭,病死率接近40%,曾在整个美洲大陆流行,中国也是该病的高发区,目前没有有效的治疗手段。据《科学·转化医学》杂志2014年11月报道,美国陆军传染病医学研究所和美国SAB生物制药公司研究人员合作,利用分别来自两种不同亚型汉坦病毒的DNA疫苗对转染色体牛进行免疫,首次免疫一个月后,即可在牛血清中检测到高浓度的抗汉坦病毒的多克隆抗体。

收集和纯化经过四次免疫10天后的多克隆抗体,对五天前感染致死剂量汉坦病毒的三组仓鼠进行免疫注射,每组8只仓鼠,结果两个试验组中分别有7只和5只存活,而对照组全部死亡,表明利用转染色体牛生产人源多克隆抗体能显著提高感染汉坦病毒肺部的动物存活率。

埃博拉病毒是引发人类和灵长类动物发生埃博拉出血热的烈性传染病病毒,死亡率高达30%-90%。2014年在西非再次爆发,感染病例达2.8万之多,已造成1.1万多人死亡,是近几十年来全世界最严重的一次疫情。但是,目前对埃博拉病毒病尚无特效治疗方法,最有希望的埃博拉疫苗仍处于临床试验阶段。

据2015年9月《公共科学图书馆·综合》报道,美国陆军传染病医学研究所和美国SAB生物制药公司研究人员利用可表达埃博拉病毒最致命亚型——扎伊尔型和苏丹型糖蛋白基因的DNA疫苗,对转染色体牛进行四次连续免疫,第二次免疫后即可检测到抗埃博拉病毒人源多克隆抗体的产生;研究人员将纯化后的人源多克隆抗体注射到小鼠体内,攻毒试验显示,免疫保护率可达80%以上。半年之后,该研究小组又对DNA抗原进行了改进,使得转染色体牛生产的人源多克隆抗体对试验小鼠的免疫保护率提高到90%以上,研究团队接下来计划开展灵长类动物的攻毒试验,并申请临床研究,以开发出抗埃博拉病毒的人源多克隆抗体新药。

中东呼吸综合征是由中东呼吸综合征冠状病毒引发,该病毒结构与SARS冠状病毒相似,主要症状为急性呼吸窘迫,2013年首次在沙特被发现,截止到2017年7月,已确诊的感染病例2040个,其中712人死亡,这些感染病例来自27个国家,因此被世界卫生组织定性为“全球健康威胁”。由于属于新发传染病,尚无有效预防和治疗手段。

据《科学·转化医学》杂志2016年1月报道,同样是美国陆军传染病医学研究所和美国SAB生物制药公司等研究机构的研究人员,分别用两种来自中东呼吸综合征冠状病毒不同亚型的候选疫苗,对转染色体牛进行免疫,研制出两种针对不同病毒亚型的人源多克隆抗体药物(SAB-300和SAB-301),其中SAB-301已用于开展体内攻毒试验和临床前研究,攻毒试验显示,在感染该病毒12小时之前,或者感染病毒24小时和48小时后,对试验小鼠进行SAB-301注射,均能在5天内,迅速有效地将体内病毒含量控制在接近或可检测水平之下。该研究小组已于2016年5月启动SAB-301临床I期研究,计划在2017年上半年完成人体临床安全性试验,该药物有望成为第一个上市的人源多克隆抗体药物。

除了上述致命病原体,美国SAB生物制药公司还计划开发对付寨卡病毒、登革病毒、流感病毒等病原体的人源多克隆抗体药物。如果将来,美国斯克里普斯研究所能与美国SAB生物制药公司强强联手,有望共同开发出抗艾滋病等恶性病症的人源多克隆抗体药物。目前,转染色体牛生产人源多克隆抗体药物已在美国进入临床试验,美国食品药品监督管理局也出台了关于人血清或动物血清来源的多克隆抗体药物的审批程序,相关产品一旦获准上市,无疑将成为人类对付这些致命病原体甚至是生化恐怖袭击的有效武器。

——此文原发于南方周末




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2 黄永义 xlsd

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