郭宇/饶子和/赵磊团队合作开发狂犬病毒铁蛋白疫苗

在 过去的十年中，由于铁蛋白疫苗具有增强的抗原免疫原性和良好的安全性，人们对铁蛋白疫苗的兴趣越来越大，几种针对各种病原体的候选疫苗已进入I期临床试验。然而，由于蛋白质接头体积大，颗粒不均一性、装配不当和未预料到的免疫原性等挑战阻碍了进一步的进展。

2024年10月4日，南开大学郭宇，饶子和及中国人民解放军总医院赵磊共同通讯在Nature Communications 在线发表题为 “Self-assembling nanoparticle engineered from the ferritinophagy complex as a rabies virus vaccine candidate” 的研究论文，该研究基于人类铁蛋白重链（FTH1）和核受体共激活因子4 （NCOA4）的天然铁蛋白自噬复合体的结构见解，设计了一个通用的铁蛋白适配器递送平台。

工程铁蛋白自噬（Fagy）标签肽与24-mer铁蛋白纳米颗粒的结合亲和力显著增强，从而实现有效的抗原呈递。随后，通过将RABV的Fagy标记的糖蛋白结构域III （GDIII）非共价偶联到铁蛋白纳米颗粒上，构建了一种自组装狂犬病病毒（RABV）候选疫苗，保持了优异的均匀性、稳定性和免疫原性。该候选疫苗可诱导强效、快速和持久的免疫反应，并在单次给药后保护雌性小鼠免受RABV的侵袭。此外，这种普遍的、基于铁蛋白的抗原偶联策略为开发针对多种病原体和疾病的疫苗提供了巨大的潜力。

聚合铁蛋白形成24个蛋白质复合体，普遍存在于动物、植物、细菌、真菌等多种生物中。在脊椎动物中，铁蛋白含有铁蛋白重链（FTH）和铁蛋白轻链（FTL）的24个亚基，其比例在不同的细胞类型中存在差异。它的主要生理功能是在保持铁在细胞内的生物利用度的同时，将铁隔离在不溶性、无毒的状态。这个过程对维持铁的体内平衡至关重要。在过去的十年中，由于纳米颗粒疫苗能够呈现类似于病毒表面的抗原重复阵列，人们对纳米颗粒疫苗的兴趣有所增加。纳米颗粒疫苗具有高安全性和生物相容性、快速生产、广泛适用性、优异的稳定性以及即使在相对较低的剂量下也能引起持久和强大的免疫反应的能力。其特殊的抗原呈递特性使铁蛋白在亚基纳米颗粒疫苗的开发中用途广泛。这种多功能性通过其通过化学偶联、融合蛋白设计或Tag/Catcher相互作用等机制呈现多种疾病相关抗原的能力得到证明。然而，在制备基于铁蛋白的纳米颗粒疫苗的过程中，仍存在一些关键挑战。例如，表面抗原通过化学偶联交联导致颗粒异质性和B细胞激活效率低。此外，对于抗原-铁蛋白基因融合方法，不适当的抗原折叠和抗原-抗原相互作用的干扰可能导致支架组装的抑制或抗原活性的丧失。此外，使用Tag/Catcher技术的抗原标记可以引发针对编码Tag/Catcher的蛋白质的冗余免疫应答。因此，解决这些挑战对于继续开发有效的基于铁蛋白的纳米颗粒疫苗至关重要。

为了开发一个通用的基于铁蛋白的纳米颗粒疫苗平台，从生理过程中获得灵感，设计了一种新的FTH1适配器标签，通过其与受体的自然相互作用提供指导。一种众所周知的FTH1受体是人转铁蛋白受体1 (hTfR1，也称为CD71)，它是一种广泛表达的多功能载体，负责在细胞内铁元素变化时输入铁。复杂的结构揭示了FTH1与CD71受体通过顶端结构域的四个特定接触区域结合，覆盖总面积约1900 Å2。这种广泛的相互作用使得CD71不适合用于FTH1适配器设计。有趣的是，先前的研究表明，核受体共激活因子4 （NCOA4）作为选择性受体，促进铁蛋白通过自噬体传递到溶酶体。直接相互作用发生在FTH1中一个关键的表面精氨酸和NCOA4中的C端元件（残基383-522）之间。然而，这种相互作用的结构基础尚未阐明。研究利用低温电子显微镜在原子分辨率上解析了FTH1和NCOA4 C端区域的复杂结构，为铁蛋白自噬通量的调控机制和细胞内铁生物利用度的调节提供了结构视角。此外，基于NCOA4/FTH1蛋白复合物结构，计算设计了一个16个氨基酸的肽适配器，其与FTH1的结合亲和力为34 nM。改造后的Fagy标签与FTH1上的相同位点结合，显示出对FTH1的结合亲和力的显著提高。随后，选择狂犬病纳米颗粒疫苗作为起点，评估这种多功能传递平台的免疫反应和体内保护效果。

GDIII-铁蛋白纳米颗粒疫苗抗原提呈效率及表现模式（图源自Nature Communications ）

狂犬病是一种具有重要历史意义的疾病，可追溯到近4万年前人类与犬的相互作用开始时，是一种明显被忽视的疾病，每年造成约6万人死亡，主要发生在非洲和亚洲的发展中地区。人类狂犬病最常见的病原体是狂犬病毒（RABV），它属于狂犬病毒科的狂犬病毒属。这种病毒很容易通过被感染动物（通常是狗）的咬伤传播，并且能够在中枢神经系统内感染和复制，最终导致严重的神经系统疾病。RABV感染的临床特征通常包括多种神经元功能障碍，死亡率高达100%。目前还没有治疗出现神经临床症状的患者的方法。已证明，用于暴露前免疫或暴露后预防的狂犬病疫苗是预防这种致命病毒性人畜共患病感染的最有效手段。2018年推出的《全球战略计划》力求到2030年在世界范围内消除犬类造成的人类狂犬病死亡，并特别强调通过每年开展大规模疫苗接种运动预防犬类狂犬病，至少针对70%的犬类。对安全性、稳定性、成本效益和免疫原性更高的疫苗的需求导致了新一代疫苗的开发，例如新型重组疫苗。RABV糖蛋白（RABV-G）属于病毒膜融合蛋白的III类，与水疱性口炎病毒、Chandipura病毒以及线状病毒和疱疹病毒的融合蛋白具有相同的结构域拓扑结构。RABV-G是RABV表面唯一暴露的刺突蛋白，是引发中和抗体的关键抗原。先前的研究已经证明RABV-G的结构域III (GDIII)，也被称为pleckstrin同源结构域（PHD）。已经发现许多具有良好特征的中和抗体可以识别这一特定区域，该区域有效地阻断了由膜融合所需的酸性环境诱导的G蛋白构象变化。

研究利用创新的Fagy标签传递平台，设计并合成了重组RABV疫苗，以优化GDIII抗原在铁蛋白纳米颗粒上的呈递。令人鼓舞的是，GDIII-铁蛋白纳米颗粒疫苗显示出更高的抗原稳定性，并在体内引发持续和广谱的体液免疫反应，同时增强Th1偏向的CD4+T细胞免疫反应。重要的是，在给药两剂或一剂后，GDIII-铁蛋白纳米颗粒疫苗对小鼠脑内RABV攻击具有充分的保护作用，显示出显著的免疫学优势和发育潜力。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52908-z