Development and immunogenicity evaluation of a ferritin-based nanoparticle vaccine displaying porcine epidemic diarrhea virus spike receptor-binding domain in mice

病毒是伪装大师，不断重塑其外壳以躲避感染动物的免疫系统。对于全球养猪业而言，其中一种入侵者——猪流行性腹泻病毒（PEDV）已造成了巨大的损失。这种病毒攻击猪的肠道内壁，导致严重的腹泻和脱水，这对于新生仔猪来说往往是致命的。尽管目前已有疫苗，但由于病毒不断变化的能力以及现有疫苗的局限性，养殖户仍面临着重大威胁。科学家们早已知晓，阻止这种病毒的关键在于其表面的一个特定部分，该区域就像一把开启猪细胞之门的钥匙。然而，如何以一种能触发强大且持久防御的方式，将这把“钥匙”呈献给免疫系统，一直是一个难题。挑战不仅在于展示这把钥匙，还在于以一种让身体识别为值得进行全面反应的、严肃且有组织的威胁的形式来展示它。

在最近的一项研究中，研究人员致力于解决这一问题，构建了一种旨在引起免疫系统注意的微观递送系统。他们专注于病毒的一个特定部分，即受体结合域（RBD），这是病毒表面首先接触并附着在猪细胞上的部分。该部分单独存在时极不稳定，且在作为疫苗使用时往往无法引发强烈的反应。为了解决这个问题，团队将这一病毒片段连接到了一种名为铁蛋白（ferritin）的天然蛋白质支架上。铁蛋白是许多生物体中发现的一种蛋白质，它能自然地自组装成一个由二十四个相同部分组成的空心球形笼状结构。通过将病毒片段与这个笼状结构融合，研究人员创造出了一种全新的结构，使病毒“钥匙”以重复的形式展示在整齐、均匀的球体表面。这种方法模拟了真实病毒中存在的重复模式，而免疫系统在进化过程中已被设定为能够敏锐检测并积极攻击此类模式。

团队首先设计了构建这种新型融合蛋白的遗传指令。他们将病毒“钥匙”的基因与铁蛋白笼的基因相结合，并将这一组合插入到一个可以将指令传递到细胞中的载体中。他们首先在实验室培养皿中的人类细胞中测试了该设计，以确保指令有效且蛋白质被正确制造。确认无误后，他们转向了一个更强大的系统，即使用仓鼠细胞，这类细胞常用于生产大量的生物药物。这些细胞被一种携带新遗传指令的改良病毒感染，从而使其大量产生这种融合蛋白。随后，研究人员纯化了该蛋白质，洗去了所有的细胞碎屑，从而分离出这些新型纳米颗粒。

当他们在强力电子显微镜下观察这些纯化后的颗粒时，结果正如预期。这些颗粒已自组装成完美的圆形球体。团队测量了这些新结构的尺寸，发现含有病毒“钥匙”的颗粒比纯铁蛋白笼略大，平均直径为 27.37 纳米。尺寸的增加证实了病毒片段已成功附着在笼子的外部，且未破坏其结构。这些颗粒均匀且稳定，已准备好作为疫苗进行测试。

为了观察这种新疫苗是否有效，研究人员将其注射到小鼠体内，这是测试新医疗手段的标准第一步。他们将小鼠分为几组：一组接受新型铁蛋白疫苗，另一组仅接受不含病毒“钥匙”的纯铁蛋白笼，第三组则接受无害的盐溶液。他们在一个月内进行了三次分别的注射，以模拟完整的疫苗接种程序。在最后一次注射后，他们采集了血样以测量免疫反应。结果显示，接受新疫苗的小鼠产生了大量专门针对病毒“钥匙”设计的抗体。这些抗体的水平之高，使得血清在稀释超过四万倍后仍能显示出反应，这表明其具有极强的免疫记忆。

除了产生抗体之外，研究人员还想知道这些抗体是否真的能阻止病毒。他们在实验室环境下，利用活病毒对来自疫苗接种小鼠的血液进行了测试。接种了疫苗的小鼠血液成功阻断了病毒感染细胞，防止了病毒通常会造成的损伤。这证明该疫苗不仅触发了普遍的警报，还创造了能够中和威胁的功能性武器。研究还观察了产生的免疫反应类型。接种疫苗的小鼠显示出高水平的特定化学信号，这表明免疫系统在多个层面被激活，包括产生抗体的侧面和细胞防御侧面。这种平衡的反应对于对抗潜伏在细胞内部的病毒至关重要。

虽然在小鼠身上的结果令人鼓舞，但研究人员谨慎地指出，这仅仅是旅程的开始。该研究是在小鼠身上进行的，而小鼠并非这种病毒的天然宿主，且在培养皿中观察到的保护作用并不保证在活体猪身上也能取得同样的结果。团队承认，未来的工作必须在真实的仔猪身上测试该疫苗，以观察其是否能在现实世界中预防疾病。他们还指出，由于病毒感染肠道，理想的疫苗可能需要触发肠道内的特定类型免疫，而这一点在初步研究中并未进行测量。尽管存在这些必要的后续步骤，该研究仍证明，利用自组装铁蛋白笼来展示病毒“钥匙”是一种可行且有效的策略。它提供了一种向免疫系统展示病毒的新方法，将一个微弱的信号转化为一个身体可以理解并据此采取行动的强大且有组织的指令。