NPJ Vaccines | 黃忠/叢堯/王曉黎/劉慶偉團(tuán)隊(duì)在新一代脊髓灰質(zhì)炎病毒基因工程疫苗研發(fā)中取得重要進(jìn)展

脊髓灰質(zhì)炎是由脊髓灰質(zhì)炎病毒（Poliovirus, PV）引起的急性傳染病，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致不可逆的弛緩性癱瘓甚至死亡。自1988年世界衛(wèi)生組織發(fā)起“全球小兒麻痹癥根除計(jì)劃”以來，滅活疫苗（IPV）和口服減毒疫苗（OPV）的廣泛接種使全球發(fā)病率顯著下降，但至今尚未實(shí)現(xiàn)徹底根除。現(xiàn)有疫苗存在明顯局限性：IPV與OPV在生產(chǎn)過程中均依賴大規(guī)模培養(yǎng)高感染性的活病毒，存在潛在生物安全風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，OPV在個(gè)別接種者體內(nèi)可能發(fā)生回復(fù)突變?yōu)閺?qiáng)毒株并釋放到環(huán)境中，成為新的傳染源。因此，研發(fā)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)完全不涉及活病毒的新一代脊灰疫苗，已成為加快實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)消除脊灰病毒的戰(zhàn)略重點(diǎn)。

2026年2月24日，上海市重大傳染病和生物安全研究院黃忠研究員團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心叢堯研究員團(tuán)隊(duì)和華淞（上海）生物科技有限公司王曉黎、劉慶偉團(tuán)隊(duì)合作，在國際學(xué)術(shù)期刊NPJ Vaccines發(fā)表題為“Structural insight into the assembly and D antigenicity of polio type 1 stabilized virus-like particles”的研究論文。該研究系統(tǒng)報(bào)道了利用酵母重組表達(dá)系統(tǒng)高效制備PV1的熱穩(wěn)定型病毒樣顆粒（Virus-Like Particle，VLP）作為候選疫苗，并通過冷凍電鏡系統(tǒng)解析了其組裝機(jī)制及D-抗原性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)采用VP0/VP3/VP1三種衣殼蛋白表達(dá)盒串聯(lián)策略，在畢赤酵母中重組表達(dá)并純化獲得PV1 野生型VLP（wtVLP）以及基于熱穩(wěn)定突變毒株SC7構(gòu)建的穩(wěn)定型VLP（sVLP）（圖1）。抗原性分析顯示，sVLP中D-抗原含量顯著提升，達(dá)到187 D-抗原單位（D-antigen units，DU）每微克蛋白，遠(yuǎn)高于wtVLP。sVLP具有較好的熱穩(wěn)定性，在40℃處理10分鐘后仍保留超過50%的D-抗原活性。在小鼠模型中的免疫原性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，用1微克/劑的wtVLP免疫小鼠未能誘導(dǎo)產(chǎn)生針對(duì)PV1的中和抗體；而相同劑量的sVLP疫苗能夠有效誘導(dǎo)中和抗體，其免疫效果優(yōu)于0.5人劑量的商業(yè)化IPV疫苗。值得注意的是，該酵母表達(dá)sVLP疫苗策略具有高產(chǎn)量的生產(chǎn)能力，每100mL酵母培養(yǎng)物可獲得673,200DU（相當(dāng)于16,830劑IPV），產(chǎn)量?jī)?yōu)于目前已報(bào)道的其它表達(dá)策略，展現(xiàn)出顯著成本優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)化前景。

圖1. 酵母體系中表達(dá)PV1 wtVLP和sVLP

研究團(tuán)隊(duì)分別解析了PV1 wtVLP和SC7 sVLP的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。兩種VLP均呈二十面體對(duì)稱性的球形顆粒，具有典型腸道病毒表面特征（圖2a），但構(gòu)象狀態(tài)存在顯著差異：wtVLP呈擴(kuò)張構(gòu)象，半徑較大，二重軸通道開放，結(jié)構(gòu)類似此前報(bào)道的酵母體系表達(dá)的SC6b C-顆粒構(gòu)象，均為擴(kuò)張狀態(tài)且缺乏D-抗原性；而SC7 sVLP攜帶7個(gè)熱穩(wěn)定性突變（如VP1 V196L、VP1 H248P、VP2 D57E、VP2 T25A等）（圖2b），這些突變通過改變局部構(gòu)象與表面電荷，增強(qiáng)亞基間的緊密排列，使顆粒呈緊密構(gòu)象，二重軸通道封閉，VP1 N端及環(huán)區(qū)結(jié)構(gòu)有序且穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)比對(duì)顯示，SC7 sVLP與已報(bào)道的SC6b D-顆粒整體高度一致，VP1、VP2和VP3衣殼蛋白的構(gòu)象幾乎完全重疊，僅在VP1的BC和DE環(huán)區(qū)存在輕微差異（圖2c-e），而與SC6b C-顆粒則差異顯著。值得注意的是，SC7 sVLP的VP1疏水口袋較SC6b D-顆粒更為狹窄（圖2f），推測(cè)源于SC7中V196L突變引入更大疏水側(cè)鏈，加強(qiáng)與鄰近殘基的相互作用，使整體結(jié)構(gòu)更加緊湊穩(wěn)定。這些結(jié)果從結(jié)構(gòu)層面闡明了熱穩(wěn)定突變?nèi)绾捂i定D-抗原構(gòu)象，為理性設(shè)計(jì)高穩(wěn)定性脊灰VLP疫苗提供了關(guān)鍵依據(jù)。

圖2. PV1 VLPs的結(jié)構(gòu)比較分析

為進(jìn)一步解析sVLP抗原位點(diǎn)，研究人員從SC7 sVLP免疫小鼠中篩選獲得中和性單克隆抗體3G10。生化實(shí)驗(yàn)表明，3G10僅特異性識(shí)別D-抗原顆粒，不結(jié)合C-抗原顆粒，且與D-抗原特異性抗體標(biāo)準(zhǔn)品mAb234存在結(jié)合競(jìng)爭(zhēng)。通過解析sVLP-3G10 Fab 復(fù)合體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖3），發(fā)現(xiàn)3G10 Fab結(jié)合于sVLP“canyon”頂端，圍繞五重軸呈星形排列；其互補(bǔ)決定區(qū)與VP1的BC/GH環(huán)及VP2 EF環(huán)形成廣泛的氫鍵和鹽橋網(wǎng)絡(luò)。在D-抗原向C-抗原構(gòu)象轉(zhuǎn)變過程中，該表位發(fā)生結(jié)構(gòu)松散化，破壞抗體結(jié)合界面，從而解釋了3G10對(duì)D-抗原的高度特異性。此外，3G10結(jié)合表位與病毒受體PVR結(jié)合位點(diǎn)高度重疊（圖3f），揭示其通過空間位阻效應(yīng)阻斷病毒-受體結(jié)合，實(shí)現(xiàn)中和作用。序列比對(duì)顯示，3G10表位在PV1野生毒株（Mahoney）和減毒疫苗株（Sabin1）中完全保守。基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)建立了以3G10為檢測(cè)抗體的雙抗體夾心ELISA方法，可特異、穩(wěn)定地定量檢測(cè)PV1 D-抗原，為候選疫苗的定量和質(zhì)控提供了有效工具。

圖3. 3G10 Fab和sVLP復(fù)合物的結(jié)構(gòu)

綜上，該研究確定了高產(chǎn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的酵母表達(dá)PV1-SC7 sVLP作為新一代脊灰疫苗的可行性和有效性，建立了基于單抗3G10的PV1 D-抗原定量方法，并應(yīng)用冷凍電鏡從結(jié)構(gòu)層面揭示了sVLP組裝及維持D-抗原性的分子機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)將有助于加快新一代脊灰疫苗的開發(fā)，有望為“全球小兒麻痹癥根除計(jì)劃”提供更加安全、高效、可規(guī)模化的解決方案。

上海市重大傳染病和生物安全研究院黃忠研究員、中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心叢堯研究員、華淞（上海）生物科技有限公司王曉黎博士和劉慶偉博士為該論文的共同通訊作者。中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后洪琴、上海市重大傳染病和生物安全研究院博士生陳天和華淞（上海）生物科技有限公司韓文玉博士為該論文的共同第一作者。該研究獲得國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、上海市市級(jí)科技重大專項(xiàng)、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、中國博士后科學(xué)基金會(huì)的經(jīng)費(fèi)支持；同時(shí)得到國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施的冷凍電鏡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫與計(jì)算分析系統(tǒng)的大力支持。

文章來源： 上海市重大傳染病和生物安全研究院

文章鏈接： https://doi.org/10.1038/s41541-026-01404-0