“百日咳”再现，如何应对？“蚕茧策略”+新疫苗，或许是新的机遇…
转自：药时空
百日咳(pertussis)是由百日咳鲍特菌引起的急性呼吸道传染病，常表现为反复、阵发的剧烈痉挛性咳嗽，咳嗽终止时伴有鸡鸣样吸气声为特征。症状可持续2~3个月，故称“百日咳”。
百日咳尤其多发生于5岁以下儿童，其他各年龄段均可发病。作为国家法定乙类传染性疾病之一，百日咳曾是我国乃至全球婴幼儿死亡的重要原因之一。2012年，世界卫生组织（WHO）就报告称，全球约有200,868例百日咳患者，其中95％来自发展中国家，而未接种或疫苗接种不全的婴幼儿病死率高达3％。
DTap疫苗中的百日咳杆菌纯化抗原包括菌毛蛋白2和3（Fim2/3）、丝状血凝素（FHA）、百日咳毒素（PT）和百日咳蛋白（Prn）。
Fim2/3和FHA在细菌表面表达，促进细菌与宿主细胞的结合。
FHA的残基1877-2250是最重要的免疫原性部位。
PT是百日咳的主要毒力因子，影响免疫细胞功能。
世界卫生组织建议使用可湿性粉剂疫苗，并在接种粉剂的国家加强剂量和战略措施。DTP疫苗的全球覆盖率有所下降，可能与COVID-19大流行有关，百日咳的全球发病率逐年增加，引起了全球的关注。
根据相关研究数据报告，2014年全球5岁以下儿童百日咳病例达到了2400万例，其中死亡16万例。大多数感染和死亡病例都与百日咳有关，尤其是在非洲和一些发达国家的儿童中。为了应对百日咳的复发，我们需要了解其复发原因，优化现有的疫苗接种方案，并开发新型有效的百日咳疫苗。这可能是应对百日咳复发的有效策略。Vaccines期刊近期刊登的一篇中国地区研究中，就着重讨论了这些问题。
doi:10.3390/vaccines11050889.
百日咳为什么会“死灰复燃”
百日咳再现可能是因为DTaP疫苗的效果低于DTwP疫苗。DTaP疫苗接种后，血清抗体迅速下降，而DTwP疫苗能够诱导更强的免疫反应。此外，aP疫苗诱导的免疫反应较低，而WP疫苗在持久保护方面更优。百日咳的复苏还与疫苗覆盖率低和抗百日咳群体免疫水平低有关。由于百日咳病原体的变化和疫苗选择压力下的流行病学变化，至今尚无法在目标接种人群中建立全球抗百日咳群体免疫。
百日咳病原体的遗传转移和基因重组，导致现有疫苗的保护效果下降。新变种的百日咳病菌更具传染性和毒力，对老年人构成更大威胁，也需要采取新的有针对性的防控措施来控制百日咳的复发。随着检测方法的不断完善，公众对该病的认识也在不断提高。聚合酶链式反应(PCR)方法可以灵敏地并在鼻咽标本中快速识别百日咳杆菌，从而有助于提高诊断水平。传统的疫苗接种政策不能很好地控制百日咳复发。因此，需要根据百日咳的流行特征和传播方式的变化，采取新的有针对性的防控措施。
如何优化疫苗接种政策？
百日咳再现警醒着我们，应通过制定百日咳监测方案，加强监测和提高检测水平，了解百日咳实际发病情况，制定相应的防控策略和优化疫苗接种策略。孕妇在怀孕后期接种产前疫苗，通过胎盘传播给胎儿，提供高水平抗体来预防百日咳感染。不同国家接种时间有所差异，但都能显著减少婴幼儿的感染率和住院风险。根据2011年ACIP的建议，孕妇和密切接触婴儿的人应接种TDaP疫苗。
关于增加剂量以增强免疫效益的成本研究，同时也支持在青少年中常规增加百日咳疫苗接种。对于最脆弱的群体，即6个月以下的婴儿，这些措施的影响较小。临床实践证明，每隔10年进行一次百日咳强化免疫在青春期具有良好的免疫原性和安全性，而青春期加强免疫对6个月以下婴儿的影响较小。许多发达国家已调整了百日咳免疫策略，强调为孕妇、青少年和成人接种疫苗（见表1）。此外，奥地利、比利时、法国、德国、希腊、意大利、卢森堡和其他国家都主张成年人应每十年补种一次疫苗。
根据报道，婴幼儿感染百日咳的主要来源是父母、祖父母和兄弟姐妹。为了保护婴儿，可以采取“蚕茧战略”，即让与婴儿有密切接触的家庭成员和个人接种疫苗。这种战略已被证明在降低感染和死亡率方面具有成本效益。但在实施蚕茧战略之前，首先需要考虑当地的总体覆盖率等因素。
表1.不同国家孕妇百日咳疫苗接种时间表
对新型百日咳疫苗的迫切需求
优化免疫政策仅通过提高疫苗覆盖率来降低百日咳发病率，并不能显著增强疫苗提供的免疫保护效果和持续时间。因此，迫切需要研发新的百日咳疫苗以应对这一挑战。百日咳感染的控制涉及树突状细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、自然杀伤细胞和抗菌肽等先天免疫机制的参与。然而，完全清除细菌需要Th1和Th17细胞介导的细胞免疫。Th1细胞分泌的干扰素-γ可以激活巨噬细胞，促进调理抗体的产生，并帮助消除呼吸道中的百日咳杆菌。研究表明，Th17细胞通过激活中性粒细胞来防御百日咳杆菌感染。然而，目前的百日咳疫苗（aP）引起的免疫反应较弱部分原因是缺乏Th17的诱导，而Th2在百日咳杆菌感染中的反应并不显著。
现有aP疫苗的抗原成分种类有限，包括两种成分（PT和FHA）、三种成分（PT、FHA和PRN）以及五种成分（PT、FHA、PRN和Fim2/3）。这导致对百日咳菌株的特异性免疫反应谱较窄，对百日咳的保护作用有限。
在一项比较2组分aP、5组分aP和WP的临床试验发现，只有5组分aP取得了可接受的疗效--对有阵发性咳嗽的百日咳患者持续21天的有效率为75.4%，对所有实验室确认的百日咳病例的有效率为61.8%，表明加入FIM抗原提高了aP的效果。因此，新型百日咳疫苗的开发应侧重于增加反应谱和Th1、Th17和TRM细胞介导的应答。目前，百日咳疫苗的毒力和候选抗原的优化，抗原设计和佐剂选择的优化，减毒活疫苗的开发，新型核酸疫苗的应用，可能是当前和未来疫苗发展的方向。
1.现有百日咳疫苗的毒力及抗原优化
百日咳疫苗WP虽因不良反应被淘汰，但对疫苗的反应性和有效性有前驱性的贡献。化学消除内毒素降低了毒性，不影响疫苗的完整性和效力。通过基因工程解毒百日咳菌株的SA亚基，简化了解毒过程，有助于持续免疫保护。
目前，百日咳疫苗（aP）的安全性已经令人足够满意，但其免疫保护的广谱、深度和持久性较差。研究发现，将腺苷环化酶毒素（ACT）和AfuA（BP1605）等抗原组分添加到aP中，可以增强免疫保护效果。ACT的C末端毒素重复结构域（RTX）抗原能增强小鼠对百日咳杆菌的保护，而缺乏腺苷环化酶活性（ACTIgM）的ACT与百日咳疫苗联合可增强免疫反应。另外，重组AfuA和Irp1-3蛋白的加入也显著提高了疫苗的保护活性。这些研究结果对于改进百日咳疫苗的免疫保护效果具有重要意义。
铁调素(FeSOD)和波氏杆菌杀伤抗体(BRKA)是百日咳疫苗中的重要成分。细菌生物膜(BF)是百日咳杆菌的一种包裹物质，其中包含多种蛋白质抗原。重组BamB-rLptD和DTaP的生物膜组分联合免疫可提高疫苗的免疫原性和保护效果。这些新抗原成分的使用有助于改进百日咳疫苗的免疫效果。
2.提高外膜泡囊疫苗的免疫应答程度
外膜囊泡（OMV）是细菌分泌到外界环境中的物质，由多种物质组成。OMV已被用于脑膜炎疫苗，证明了其作为细菌疫苗组件的可行性。百日咳OMV疫苗含有广泛的细菌抗原，可以引发更广泛的免疫反应，同时避免过度炎症反应的风险。OMV中的LOS可能引起副作用，但可以通过PagL酶清除。
2011年，研究人员在小鼠模型中发现，百日咳OMV疫苗与传统百日咳疫苗具有相同的保护效果。百日咳OMV疫苗能够诱导特异性的免疫反应，包括TRMT细胞和脾Th1/Th17记忆反应，并在肺部产生IL-17和干扰素-γ的CD_4+TRM细胞，从而实现持久的免疫保护。此外，肠外注射百日咳OMV疫苗能够产生多种免疫反应，有效防止各种百日咳突变株和PRN阴性菌株的感染挑战。百日咳OMV疫苗的配方中包含多个免疫原，有助于避免单一或少数保护性疫苗抗原产生的选择压力。
3.新型佐剂在百日咳疫苗应用中的探索
脂多糖是一种细菌细胞壁成分，可以通过激活天然免疫细胞的TLR4来引发免疫反应。aP是一种纯净的百日咳疫苗，具有较弱的免疫激活能力，但含有铝佐剂可以刺激体液免疫反应。新型佐剂可以激活天然免疫细胞的功能，增强免疫反应的广度和深度，有助于优化早期疫苗接种策略。
目前只有少数几类佐剂可用于人类疫苗，但新型佐剂百日咳疫苗尚未有临床结果报告。其中，有一种成为TLRs的跨膜受体，分为细胞表面和细胞内两类。TLR激动剂可以增强和加速aP疫苗的早期免疫，其中具有TLR2激动剂作用的脂蛋白BP1569可提高免疫细胞应答和保护作用。联合佐剂Lp-GMP可以促进免疫应答和保护作用，对百日咳杆菌感染有潜在效果。
鼻腔免疫诱导百日咳杆菌特异性Th17反应和呼吸道CD4+TRM细胞反应分泌IL-17，可提供长期保护。通过将PT、PrN和Fim2/3与多肽IDR1002、TLR3激动剂聚(I：C)和聚磷腈组成的三佐剂体系，制备了aP阳离子脂质纳米粒疫苗。动物模型试验显示，该疫苗在小鼠鼻腔注射后诱导系统和粘膜免疫反应，可作为百日咳疫苗鼻腔给药的潜在配方。小分子咪唑啉TLR7/8激动剂佐剂制剂影响白细胞的转运和免疫活性。将DTaP与TLR7/8激动剂佐剂结合，可以激发免疫反应，克服新生儿对aP疫苗的低反应性。
使用氢氧化铝吸附的TLR7激动剂的新型佐剂制成的aP可增强百日咳杆菌特异性Th1和Th17反应和血清IgG2a/b抗体，并增强aP对百日咳气溶胶攻击的保护效果。同时，包裹在丙交酯-乙交酯(PLG)纳米粒中的TLR7激动剂佐剂与DTaP相结合，显著增强了IgG和IgG2a抗体反应。然而，当TLR7激动剂佐剂没有被PLG纳米颗粒包裹时，免疫增强作用并不显著。氢氧化铝与TLR4或激动剂吸附PT、PRN、FHA和FIM可产生aP特异性的抗体应答，更好地激活小鼠先前的百日咳免疫记忆，并通过早期细菌控制和加速清除来增强保护。
CpG佐剂作为一种被广泛研究的TLR佐剂，单独与aP联合可诱导较弱的IgG1和IgG2应答，但CpG与铝佐剂或其他具有佐剂作用的成分联合可诱导更强的细胞和体液免疫，并对百日咳菌株的攻击提供保护。目前，CpG佐剂百日咳-白喉-破伤风联合疫苗的I期临床试验已在澳大利亚完成。上述结果表明，TLR激动剂单独作为百日咳疫苗的佐剂并不能显著提高百日咳的免疫效果，联合使用TLR激动剂和铝佐剂可在百日咳疫苗中发挥更大的佐剂作用。
除了使用TLR激动剂佐剂外，还有其他可用于百日咳疫苗的其他新型佐剂得到开发。其中，层状氢氧化物(LDH)和(PCPP)是两种有效的佐剂。LDH作为纳米佐剂能显著改善百日咳体液免疫反应，而PCPP作为黏膜佐剂能增强抗原特异性免疫球蛋白的反应，并增加免疫球蛋白形成细胞的数量。此外，aP与PCPP联合应用对百日咳杆菌呼吸道感染有较强的保护作用，并能增强Th1和Th2应答。
4.百日咳减毒活疫苗可能成为控制百日咳复发的“黑马”
目前已经研发出BPZE和GamLPV等减毒活疫苗，用于诱导保护性的系统和粘膜免疫。BPZE1在临床试验中展现出良好的耐受性和免疫反应，而GamLPV在临床前和临床研究中表现出更强的免疫原性和保护活性。BPZE1是通过敲除百日咳杆菌基因来制备的，它能够诱导特定细胞和免疫反应，从而提供对百日咳感染的保护。研究还发现，在接种候选疫苗后，小鼠体内出现了特异的抗体反应和有效记忆B细胞。
这些持久的特异性干扰素-γ和IL-17细胞和记忆B细胞反应，有效地缓解了百日咳再现。用MyD88基因敲除的TLR4缺陷小鼠证明BPZE1的早期保护作用可能是通过TLR4信号通路介导的，在早期诱导炎症反应，在后期增加百日咳特异性抗体(可能还有T细胞)反应，所有机制协同作用于百日咳杆菌的预防和清除。同时，减毒株在鼻咽的短暂定植，诱导了对百日咳特异性抗原的免疫球蛋白和免疫球蛋白A反应
5.百日咳核酸疫苗
研究表明，百日咳核酸疫苗的实验结果令人鼓舞。通过使用质粒DNA免疫小鼠，可以诱导产生抗PT的抗体，并对百日咳杆菌起到保护作用。其他研究表明，通过编码百日咳毒素片段的DNA疫苗免疫小鼠，可以诱导最强的保护性免疫。通过基因编辑修饰，制备了低毒的百日咳DNA疫苗。进一步构建的重组百日咳DNA疫苗，通过免疫小鼠产生特异性抗体，并保护小鼠免受百日咳杆菌感染。
百日咳疫苗未来发展的可行性
百日咳卷土重来的原因包括现有疫苗的免疫效力低、个人免疫力下降、非疫苗类型菌株的出现以及新菌株的突变。目前的解决方案是增加疫苗接种次数和为孕妇接种疫苗，但必须提高疫苗的效力并开发新的疫苗来预防新突变株引起的感染。然而，大多数新的有希望的疫苗还处于临床前阶段，需要进一步研究和临床试验来验证其有效性和安全性。此外，还有团队在探索新的抗原来优化疫苗成分，并有可能与其他疫苗联合使用。
新型佐剂百日咳疫苗的安全性和社会效益需要仔细考虑。引入新的佐剂需要考虑疫苗的保护效力以及临床前和临床研究。新佐剂对共用抗原的免疫原性的影响仍不确定。研究显示，单独使用TLR激动剂可诱导更好的保护作用。联合疫苗需要在婴儿早期使用，这给新型佐剂百日咳-白喉-破伤风联合疫苗的安全性带来了挑战。
在新型百日咳疫苗的临床试验中(不包括现有上市的aP疫苗生产实践)(表2)，使用Quillaja皂苷(QS)-21设计的百日咳疫苗与半合成类似佐剂(TQL1055)相结合的临床试验已经终止。这严重打击了新型佐剂百日咳疫苗的开发，并突出了研制新型佐剂百日咳疫苗的困难所在。新佐剂百日咳疫苗作为一种新的百日咳疫苗使用，需要进一步研究。
表2.涉及新百日咳疫苗的临床试验
目前，已有多种减毒百日咳疫苗可用于临床，其中BPZE1减毒疫苗取得了理想的结果。然而，由于需要鼻腔注射，无法与现有的白喉和破伤风疫苗结合。这些疫苗可用于增强免疫和促进早期免疫反应的转变。对于新生儿的适用性仍需进一步研究验证。尽管新百日咳疫苗的研究还有很长的路要走，但目前的临床研究已经为未来的研究指明了方向和可行性。
参考文献：NianX,LiuH,CaiM,DuanK,YangX.CopingStrategiesforPertussisResurgence.Vaccines(Basel).2023Apr24;11(5):889.doi:10.3390/vaccines11050889.PMID:37242993;PMCID:PMC10220650.