利用黏膜免疫开发保护性疫苗

引言

黏膜表面，包括呼吸道、胃肠道和女性生殖道，是许多病原体感染的主要入侵门户。然而，传统的非肠道（如肌肉注射）疫苗接种常常无法引发有效的黏膜免疫。黏膜递送的疫苗通过增强前线防御和诱导局部、病原体特异性的免疫反应，提供了一种有前景的策略。最近的研究表明，黏膜疫苗能够诱导组织驻留记忆T细胞和B细胞，以及强大的局部抗体分泌，从而预防感染和传播。然而，由于黏膜部位复杂的免疫环境（包括上皮屏障、黏液成分差异、pH差异和激素影响），在这些部位实现灭菌免疫极具挑战性。因此，开发能够安全、有效地诱导持久保护的黏膜疫苗，需要深入理解并利用多层级的黏膜免疫机制。

一、黏膜免疫的诱导与效应机制

黏膜免疫的诱导和效应部位之间的相互作用塑造了其独特的免疫应答。虽然每个组织具有独特的解剖和免疫学特征，但它们也共享核心的保护机制。诱导部位启动抗原取样、T细胞和B细胞的活化以及组织归巢程序的生成。效应部位则富含分泌型IgA的浆细胞，它们通过多聚免疫球蛋白受体转运的多聚体IgA提供一线防御。此外，所有黏膜部位都依赖于组织驻留记忆细胞群——包括组织驻留记忆T细胞和组织驻留记忆B细胞——这些细胞在病原体再次暴露时介导快速的回忆反应。

呼吸道的免疫特征与疫苗策略

呼吸道作为抵御空气传播病原体的主要入口，其免疫必须平衡病原体清除与对吸入颗粒的免疫耐受。上呼吸道含有鼻相关淋巴组织，这是一个黏膜免疫反应的专门诱导部位。上皮层覆盖的NALT和扁桃体含有微皱褶细胞，可将吸入的抗原转运至下方的抗原呈递细胞。此外，呼吸树突状细胞将其树突延伸至鼻上皮，捕获管腔抗原并运输至引流淋巴结进行活化。在诱导部位内，CD4⁺ T细胞与B细胞相互作用，驱动IgA类别转换和浆细胞分化。

抗原在NALT、扁桃体和引流淋巴结中的呈递产生抗原特异性记忆T细胞和B细胞，其中一些迁移回呼吸道黏膜并分化为组织驻留记忆T细胞和组织驻留记忆B细胞，而另一些则再循环并根据局部趋化因子信号被募集到其他黏膜效应部位。例如，CCR10–CCL28信号引导IgA⁺ B细胞到达鼻甲。效应部位的IgA产生浆细胞将二聚体或多聚体IgA分泌到管腔中，形成分泌型IgA。研究表明，针对SARS-CoV-2刺突蛋白的鼻腔SIgA比IgG具有更优越的病毒中和活性和更广泛的变异株覆盖能力。高黏膜IgA水平与降低的Omicron突破性感染风险相关。

重要的是，通过鼻内给予减毒流感疫苗FluMist，可以在上呼吸道诱导持久的抗原特异性IgG⁺和IgA⁺记忆B细胞，而肌肉注射灭活流感疫苗则不能。这表明诱导上呼吸道强大的分泌型IgA反应对于实现有效保护至关重要，而这通常无法通过非肠道疫苗接种单独实现。呼吸道黏膜中还含有记忆淋巴细胞，包括CD4⁺和CD8⁺ T细胞以及B细胞，这些对于抵抗呼吸道病原体的持久保护至关重要。

一些绕过鼻腔防御的病原体可以扩散到下呼吸道。在肺部，感染可引起严重的炎症和组织损伤。病毒感染时，肺上皮细胞作为启动先天免疫反应的前线传感器。树突状细胞识别病原体相关分子模式后，迁移至肺引流淋巴结，处理和呈递病毒抗原给初始T细胞和B细胞，从而启动适应性免疫反应。细胞和体液免疫共同促进肺部病毒清除。例如，在流感病毒感染模型中，肺组织驻留记忆B细胞可以分化为浆细胞，形成可诱导的支气管相关淋巴组织，这是一种能够在二次攻击后支持局部生发中心形成的异位淋巴结构。因此，在肺部建立记忆淋巴细胞群是疫苗策略的一个关键目标。

胃肠道的免疫特征与疫苗策略

胃肠道免疫系统的基本需求是维持对食物抗原的耐受、与微生物群的共生以及对病原体的防御。肠道内衬有单层柱状上皮，包含多种分泌细胞类型。黏液润滑肠道上皮的管腔面，捕获微生物并促进蠕动。其下的固有层包含有组织的淋巴聚集体（如派尔集合淋巴结和孤立淋巴滤泡）和弥散的淋巴聚集体，统称为肠相关淋巴组织。

派尔集合淋巴结和一些成熟的孤立淋巴滤泡位于专门的滤泡相关上皮之下，该上皮装饰有微皱褶细胞和上皮内树突状细胞，以将管腔抗原转运至下方的诱导部位。抗原呈递细胞迁移至肠相关淋巴组织或引流肠系膜淋巴结内的诱导部位后，局部环境塑造淋巴细胞分化。肠道抗原呈递细胞的固有特性赋予淋巴细胞独特的迁移能力。例如，派尔集合淋巴结的树突状细胞能在T细胞和B细胞上印记肠道归巢标志物。这种印记被发现依赖于肠道树突状细胞分泌的视黄酸。

活化和印记后，淋巴细胞迁移至肠上皮和固有层以建立驻留。上皮内淋巴细胞，包括常规组织驻留记忆T细胞和天然上皮内淋巴细胞，战略性地定位在上皮单层中，以在识别同源抗原或应激诱导分子时拦截病原体并动员局部防御。固有层组织驻留记忆T细胞同样发挥保护功能，并表现出与其上皮内淋巴细胞对应物不同的功能能力。TGF-β长期以来被认为是肠道CD8⁺组织驻留记忆T细胞的关键分化细胞因子。

组织驻留B细胞和浆细胞同样有助于肠道免疫，并受肠道环境影响。IgA，主要来自固有层浆细胞的分泌型IgA，是肠道中的主要抗体同种型，通过直接中和和免疫排斥发挥针对肠道感染的保护功能。在人类下消化道中，IgA2比IgA1更丰富。IgA还通过调节肠道微生物群的组成、组织和功能来维持肠道稳态。肠道IgG也针对某些肠道病原体具有保护作用。

这些免疫回路的功能潜力进一步受到局部环境输入（如肠道微生物群和膳食代谢物）的影响。例如，介导微生物和膳食代谢物识别的芳香烃受体促进CD103⁺组织驻留记忆T细胞分化。同样，微生物群衍生的短链脂肪酸通过改善树突状细胞中的维生素A代谢和增强肠道B细胞的代谢能力来增强肠道IgA反应。

女性生殖道的免疫特征与疫苗策略

女性生殖道包含解剖和免疫学上不同的上部和下部，每个部分都具有特殊的上皮屏障和免疫微环境。宫颈黏液主要来源于宫颈内膜腺体，并在体积和粘度上经历激素依赖性周期性变化。酸性阴道pH由以乳酸杆菌为主的微生物群维持，它们代谢从雌激素条件化上皮脱落的糖原并将其转化为乳酸。乳酸杆菌占主导的阴道微生物群还与减少的炎症和降低的HIV-1感染易感性相关。

整个女性生殖道的上皮细胞表达广泛的模式识别受体，性激素动态调节其表达和下游信号传导。专门的抗原呈递细胞提供持续的免疫监视，取样管腔抗原并迁移至区域引流淋巴结以启动适应性免疫反应。女性生殖道维持着强大的组织驻留记忆T细胞群，可在病原体暴露或疫苗接种后提供快速、局部化的保护。阴道组织驻留记忆T细胞的生成通常需要炎症信号，以促进循环T细胞的募集和滞留。

与其他黏膜表面以分泌型IgA为主不同，宫颈阴道分泌物在人类中表现出更高浓度的IgG。循环IgG通过被动渗出到达管腔，并通过FcRn主动转运进入女性生殖道上皮。相反，二聚体IgA主要通过pIgR介导的跨细胞作用穿过腺体上皮到达女性生殖道分泌物。IgG和IgA的水平在月经周期中波动显著。值得注意的是，下女性生殖道缺乏与胃肠道丰富的肠相关淋巴组织相当的结构化淋巴组织，因此需要从引流淋巴结或位于上女性生殖道的诱导部位募集局部抗体分泌细胞。

二、诱导黏膜免疫的疫苗策略

诱导黏膜免疫的疫苗策略旨在克服传统非肠道（如肌肉注射）疫苗接种在激发有效黏膜保护方面的局限性。这些策略的核心在于通过黏膜途径（如鼻腔、口腔或阴道）直接递送疫苗，以模拟自然感染过程，从而在病原体入侵门户建立强大的前线防御。

1. 黏膜递送平台与病毒载体策略

一些肌肉注射疫苗，如减毒麻疹疫苗，因其复制能力和包括呼吸道在内的全身扩散，能够提供强大而持久的呼吸道保护，诱导了全身和黏膜免疫。然而，大多数黏膜传播的病毒不需要全身感染即可传播，因此并非所有注射疫苗都能对呼吸道病原体提供强有力的保护。为了克服这一局限，黏膜递送平台因其能够直接靶向呼吸道而受到关注。

复制缺陷型或减毒病毒载体提供了独特的免疫学优势，它们能直接感染呼吸道上皮细胞并表达抗原，从而实现抗原呈递细胞的内在激活，并诱导强大的B细胞和T细胞反应，而无需额外佐剂。因此，病毒载体已成为鼻内疫苗递送的领先候选者。例如，鼻内加强接种表达刺突蛋白的MVA，能在SARS-CoV-2感染的啮齿动物和非人灵长类动物中诱导强大的中和抗体并减少肺部的病毒负荷。此外，将肌肉注射启动与鼻内加强相结合的方案，已在非人灵长类动物中证明了强大的全身中和抗体、局部IgG和IgA反应以及CD4⁺和CD8⁺组织驻留记忆T细胞反应。然而，在人类中，ChAdOx1 nCoV-19的鼻内喷雾制剂引发了不一致的黏膜反应和较弱的全身免疫力。尽管如此，基于腺病毒载体的几种鼻内COVID-19疫苗已在一些国家获得许可，凸显了该方法的临床可行性。

2. 无佐剂鼻内加强策略与免疫回路

尽管鼻内疫苗潜力巨大，但由于鼻黏膜与中枢神经系统的解剖学邻近性，其安全性需严格评估。为此，人们探索了无佐剂的鼻内加强策略。在啮齿动物中，用编码刺突或HA的mRNA-LNP疫苗进行肌肉注射启动，随后鼻内递送无佐剂的重组刺突或HA蛋白，已显示出强大的免疫原性，且在上呼吸道和下呼吸道均未引起不良炎症。这些策略能诱导强大的组织驻留记忆T细胞和组织驻留记忆B细胞反应，以及全身和黏膜IgG和IgA抗体产生，从而对流感和SARS-CoV-2提供近乎灭菌的免疫力。

其机制在于，启动后形成的记忆CD4⁺ T细胞充当了天然佐剂。它们通过参与单核细胞来源的树突状细胞，并利用CXCR3–CXCL9/CXCL10轴募集记忆T细胞和B细胞，从而促进IgA类别转换重组和局部回忆反应。重复的鼻内加强能进一步增强回忆反应，建立保护性免疫。异源加强还能促进交叉反应免疫。这些发现揭示了有效黏膜疫苗设计的几个关键原则：首先，在启动期间产生外周记忆T细胞和B细胞库；其次，将抗原直接靶向递送至呼吸道黏膜；第三，记忆CD4⁺ T细胞介导的记忆淋巴细胞从外周淋巴结的募集；最后，组织驻留记忆B细胞分化为局部IgA分泌浆细胞。这表明存在一种利用预先存在免疫力的免疫回路，以在肺部诱导多层级的保护性回忆反应。

3. 靶向引流淋巴结与缓慢递送策略

对于有效的黏膜IgA产生，引流淋巴结中启动的IgG⁺ B细胞是黏膜组织中IgA分泌细胞的主要来源。在同一淋巴结中进行加强可促进生发中心再进入和快速的二次抗体反应。mRNA-LNP注射疫苗已被证明能在引流淋巴结中引发强大而持久的生发中心反应。因此，通过持续有效的非肠道疫苗接种靶向相同的引流淋巴结，是通过有效募集外周记忆T细胞和B细胞库来增强保护性黏膜免疫的关键策略之一。

此外，缓慢递送免疫策略已被证明可以增强引流淋巴结中生发中心的持久性，并在小鼠和非人灵长类动物中产生持久的中和抗体反应，这为优化长期保护提供了另一种潜在工具。

4. 胃肠道黏膜免疫的诱导策略（口服疫苗）‍

口服免疫以液体溶液或固体胶囊形式，已成为预防肠道感染的临床验证模式。大多数已获许可的口服疫苗使用减毒活疫苗株，利用其天然的肠道嗜性、固有的佐剂特性和部分感染能力来诱导强大的局部免疫反应。例如，口服伤寒疫苗Vivotif使用减毒Ty21a伤寒沙门氏菌株，能在小肠中生成CD4⁺和CD8⁺组织驻留记忆T细胞。口服轮状病毒疫苗能产生粪便和唾液IgA滴度，这是针对轮状病毒感染的保护相关性指标。

非肠道免疫足以控制某些特定的肠道感染，例如脊髓灰质炎。然而，口服脊髓灰质炎疫苗能防止粪便病毒脱落，而灭活脊髓灰质炎疫苗则不能，这凸显了黏膜疫苗接种在限制肠道黏膜内感染方面的潜力。在临床前模型中，已探索了异源启动-加强策略，将全身免疫力与肠道黏膜联系起来。对于尚无疫苗的常见肠道病原体（如诺如病毒），口服加强可能是补充现有非肠道平台、驱动有效保护所需黏膜免疫的有效方式。

5. 女性生殖道黏膜免疫的诱导策略

针对性传播感染的免疫策略需要在女性生殖道建立多层免疫，结合生殖道分泌物中有效浓度的高亲和力抗体与上皮表面持久的组织驻留记忆T细胞库。目前的策略强调产生高全身IgG滴度及其向宫颈黏液的有效转移。然而，仅靠循环抗体和T细胞很少能在稳态条件下在上皮屏障处提供足够的黏膜免疫。因此，下一代疫苗策略必须设计为通过局部免疫方法或利用从外周部位来的黏膜免疫细胞归巢，来促进女性生殖道的直接黏膜免疫。

“启动-牵引”疫苗接种策略是一个两阶段方法，旨在在女性生殖道建立组织驻留记忆T细胞群。全身启动产生循环效应T细胞，随后使用趋化因子或轻度炎症线索在女性生殖道进行局部“牵引”，将这些循环效应细胞募集到生殖道黏膜组织。然而，“牵引”线索不提供局部抗原，因此无法建立局部B细胞反应，且提供牵引信号的时间窗口受启动后效应反应峰值的限制。因此，全身启动 followed by 黏膜加强的混合方法正在成为一种有前景的替代方案。

此外，利用工程共生微生物作为黏膜疫苗载体是另一个有趣的探索方向。阴道乳酸杆菌菌株经过工程改造可分泌抗病毒蛋白或表达病毒抗原，已在临床前模型中证明了持久的定植和局部黏膜抗体反应的持续诱导。

6. 利用共同黏膜免疫系统进行远端免疫

通过黏膜组织（例如鼻内和/或舌下）进行免疫，可以利用共同黏膜免疫系统，印记随后可归巢到远端黏膜部位的B细胞和T细胞。例如，鼻内疫苗接种能在阴道分泌物中诱导出高水平的抗原特异性IgA和IgG。在非人灵长类动物中，用gp41-病毒体进行鼻内加强，能使宫颈阴道分泌物具备阻断跨细胞作用的IgA和具有抗体依赖性细胞毒性能力的IgG，共同赋予了对反复高剂量阴道猿猴免疫缺陷病毒攻击的灭菌保护。舌下途径也正在成为靶向女性生殖道的无针头、热稳定策略。

总之，诱导有效黏膜免疫的疫苗策略是多样且相互关联的，关键在于通过适当的途径和制剂将抗原递送至黏膜诱导部位，并充分利用系统性与局部免疫之间的协同作用，最终在入侵门户建立起由抗体、组织驻留记忆细胞和上皮屏障构成的多层级防御体系。

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三、佐剂、制剂和递送载体

黏膜疫苗技术必须应对保守的生物物理和生理限制，包括粘弹性、带负电的黏液、上皮紧密连接、富含酶的管腔和快速清除以及复杂的共生生态系统，同时提供足够的佐剂信号以激活局部抗原呈递细胞而不破坏屏障稳态。制剂被设计为将抗原和先天激动剂共定位在同一抗原呈递细胞中，延长抗原可用时间，并将货物递送到预期诱导或回忆的解剖区室。

在鼻疫苗的背景下，天然聚合物（如壳聚糖）已显示出固有的黏膜粘附特性，从而促进抗原摄取，并具有良好的生物降解性和低毒性。合成聚合物具有高度可调性，能够实现受控抗原释放和靶向递送至鼻腔和肺部的免疫细胞。纳米凝胶代表另一类有前景的递送载体。这些纳米材料稳定蛋白质抗原的天然构象，并通过静电相互作用延长抗原在鼻腔的停留时间，从而促进持续的抗原暴露和免疫原性。呼吸递送装置是黏膜疫苗接种的关键组成部分，因为它们影响抗原沉积的效率和解剖部位。

阴道和宫颈黏膜施加了额外的限制：低pH、周期性激素调节、以乳酸杆菌为主的微生物群和更高的组织敏感性。传统的黏膜佐剂对于在女性生殖道中使用来说反应原性太强，但解毒衍生物已显示出前景。一种方法是设计TLR激动剂，以优先激活生殖道抗原呈递细胞而不引起过度炎症。其他改善递送的方法包括能够实现均匀上皮覆盖、更深渗透到皱襞中并改善阴道滞留的黏液穿透纳米颗粒。能够嵌入抗原和佐剂并在阴道穹窿中持续数天释放的聚合物库是能够调节疫苗动力学的黏膜粘附制剂的进一步例子。

将亚单位或非复制病毒载体疫苗递送至肠道因胃的蛋白水解内容和肠道pH的变化而面临独特的挑战。因此，疫苗成分的配方对于确保靶向递送和限制过早降解至关重要。胶囊策略（如Vivotif伤寒疫苗中使用的）通过刺激响应性肠溶包衣或组合，为靶向肠道递送提供了一个熟悉的平台。与宏观递送系统（如药丸或片剂）相比，微粒和纳米颗粒提供了更精确的疫苗货物递送和功能化。

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结语

黏膜组织持续暴露于多种空气和环境病原体。针对这些黏膜病原体的有效保护需要快速、局部化的免疫反应。然而，大多数目前批准的疫苗是通过肌肉注射给药的，主要诱导全身免疫，这通常无法在黏膜表面提供足够的保护。相比之下，黏膜疫苗代表了一种有前景的策略，可以在身体的主要黏膜部位建立局部、保护性免疫。

黏膜疫苗相对于传统注射平台具有明显优势。它们可以无需针头给药，减少疼痛并提高疫苗接受度。这些途径还提供了自我给药和增强可及性的潜力，最重要的是，它们可以诱导全身和黏膜免疫，包括强大的IgA反应和组织驻留记忆形成，这对于阻断传播和再感染至关重要。尽管有这些好处，几个关键挑战仍然存在。这些包括：（1）理解环境因素如何调节全身和局部免疫反应；（2）确定宿主因素如何影响疫苗效力；（3）开发安全有效的递送系统和佐剂，避免过度炎症和向中枢神经系统的溢出；（4）在黏膜部位建立广泛而持久的免疫记忆；（5）为黏膜免疫定义经过验证的保护相关性，这仍然是疫苗开发和监管批准的主要障碍。识别可靠的标志物，如黏膜IgA滴度、记忆淋巴细胞频率、局部细胞因子谱或整合的免疫特征，对于预测疫苗效力和指导临床试验设计至关重要。

未来对该领域研究的投资不仅将推进黏膜免疫学领域，还将为开发能够预防呼吸道、胃肠道和性传播感染的新一代疫苗奠定基础。

参考资料：

Harnessing mucosal immunity for protective vaccines. Nat Rev Immunol. 2026 Feb 16.

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