转基因植物疫苗的研究进展

转基因植物疫苗的研究进展

缪丹云

广州医科大学附属第五医院 广东省 广州市 510000

【摘要】转基因植物疫苗利用植物表达抗原蛋白具有许多优势，包括更高的安全性、低成本、易推广以及快速的生产速度，这是控制潜在流行病爆发所需的关键因素。目前正在进行临床试验的转基因植物疫苗包括乙型肝炎病毒、流感病毒和 SARS-CoV-2 疫苗等。

一、植物表达抗原蛋白

转基因植物疫苗是利用分子生物学与基因工程技术将所需表达的抗原基因整合到受体植物内，利用植物的全能性使其在体内表达出具有免疫活性的蛋白质，继而得到能使机体具有免疫原性的基因重组疫苗[1]。

植物表达抗原蛋白的早期有几个缺点，包括低产量和生产过程缓慢[2]。

在植物中生产 VLP 的早期尝试有几个缺点，包括低产量和非常缓慢的生产过程，涉及生产稳定的转基因植物（戴维斯 2010）。

Early attempts to produce VLP in plants had several disadvantages, including low yields and very slow production processes, involving the production of stable transgenic plants (Davis 2010).

在植物中生产 VLP 的早期尝试有几个缺点，包括产量低和生产过程非常缓慢，涉及生产稳定的转基因植物（戴维斯 2010）。

Early attempts to produce VLP in plants had several disadvantages, including low yields and very slow production processes, involving the production of stable transgenic plants (Davis 2010).

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最近研发的瞬时性表达系统大大提高了的生产速度和产量[3]。以最常用的病毒

感染法为例[4]，将目标抗原与作为载体的植物病毒进行融合表达，病毒感染植株或植物细胞后，使蛋白瞬时表达。常规需对表达的目标蛋白进行分离及纯化以确定其表达准确性，最后进行生物检测，获取转基因植物疫苗。 TMV RNA 复制子系统 (Magnicon)[5]、CPMV RNA 复制子系统(the pEAQ)[6]是流行的瞬时表达系统，可用于针对表面抗原迅速突变的病毒（如冠状病毒）的抗原的快速表达和组装。

. 2008) 是流行的瞬时表达系统，可用于针对表面抗原迅速突变的病毒（如冠状病毒）的 VLP 疫苗的快速表达和组装。

. 2008) is a popular transient expression system that can be used for rapid expression and assembly of VLP vaccines against viruses with rapidly mutating surface antigens (such as coronaviruses).

. 2008) 是流行的瞬时表达系统，可用于针对表面抗原迅速变异的病毒（如冠状病毒）的 VLP 疫苗的快速表达和装配。

. 2008) is a popular transient expression system that can be used for rapid expression and assembly of VLP vaccines against viruses with rapidly mutating surface antigens (such as coronaviruses).

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与其他表达系统不同，基于植物的抗原表达系统不需要昂贵的设备来启动和运行，所以其生产成本已降至哺乳动物细胞培养系统的0.1%和微生物细胞培养系统的2-10%[7]。植物是光合自养生物，易于生长，不需要先进的设备，易于栽培和大量生产。同时植物不含内毒素、致癌基因和哺乳动物病原体，因此安全且节省了产品筛选的成本。

二、转基因植物疫苗的应用

目前，数十种转基因植物疫苗已进入动物试验，并检测出良好的免疫原性。一些转化编码基因的植物疫苗，如乙型肝炎病毒、流感病毒、SARS-CoV-2等，也已进入临床试验，用于预防和治疗乙型肝炎及呼吸道疾病，并在人体中产生免疫应答，显示出良好的免疫效果。 1.乙型病毒疫苗 乙肝病毒表面抗原(Hepatitis B Surface Antigen,HBsAg)是乙肝病毒的主要表面抗原蛋白，Mason等[8]最早将HBsAg导入烟草中，获得转基因植株，通过免疫亲和层析从转基因植物中纯化重组HBsAg，并通过电子显微镜观察。在负染色制剂中观察到平均直径为22nm的球形颗粒，在抗原性和物理上类似于来自人血清的重组酵母的HBsAg颗粒。在Kong等[9]的试验中，喂食 HBsAg 转基因马铃薯的小鼠产生了超过保护水平的 HBsAg 特异性血清抗体，证实了口服给药的有效性。事实上，通过本氏烟草植物瞬时表达HBsAg发展迅速[10-12]，这些抗原蛋白在形态学和免疫原性上与酵母或大肠杆菌表达的非常相似。乙肝病毒核心抗原(Hepatitis B Core Antigen,HBcAg)具有极强的免疫原性，因其在各种表达系统中的产生以及 HBcAg颗粒用于外源表位的高密度、免疫原性呈递而被广泛研究。Huang Z等[13]报告了植物叶中 HBcAg的高水平瞬时表达及其在小鼠中的免疫原性,在没有佐剂的情况下，用植物源性的HBcAg对小鼠进行黏膜（口服和鼻内）免疫也产生了HBcAg特异性血清lgG和肠道lgA。2005年Thanavala等[14]利用转基因马铃薯制成疫苗并进行人体试验，结果显示食用HBsAg马铃薯的志愿者均表现出滴度明显增强的效果，且食用次数越多滴度越高。

2. 流感病毒疫苗 血凝素蛋白(Hemagglutinin,HA)是流感病毒粒子表面的一种主要结构蛋白质。Medicago公司为了应对H7N9和H5N1流感大流行，研发了一价植物转基因疫苗，随后又研发了基于HA的四价植物转基因疫苗以对抗季节性流感，该疫苗已顺利完成Ⅰ、Ⅱ期临床试验[15]。最近的两项Ⅲ期临床试验表明，基于这种疫苗具有良好的耐受性，并且可以为成人预防由流感病毒引起的呼吸道疾病提供实质性保护。尽管HA蛋白疫苗已经取得了很大的成功，但其他更保守的流感病毒蛋白，如M1基质蛋白、NA神经氨酸酶和NP核蛋白，作为候选疫苗仍有待探索。

3. 严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2(Several severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2)疫苗 SARS-CoV-2疫苗已投入生产，但全球需求远远超过供应量，特定人群可能需要不同的剂量。Medicago公司利用其平台迅速研发了SARS-CoV-2的转基因植物疫苗，目前处于SARS-CoV-2疫苗的前沿发展。Ward等通过农杆菌介导的转化，将 SARS-CoV-2 刺突基因序列导入本氏烟草植物中并表达，基于此技术的疫苗已在I期人体临床试验中取得成功，目前正在进行Ⅱ期和Ⅲ期临床试验，将来或许会以每月1000万剂的速度生产。

不足与展望

相较于传统疫苗转基因疫苗有极大优势，但还存在一些问题：如抗原表达效率低、大量转基因植物可能会对周围环境造成危害、外源蛋白可能会被消化系统降解等。目前也有大量的科研人员在不断改进、优化研究方案。利用叶绿体的母系遗传使外源蛋白靶向于叶绿体可以解决基因渗入的不良影响等。

相信随着各个学科领域的迅速发展，转基因植物疫苗能够不断优化，在未来的应用中发挥优势，造福人类。

参考文献

[1]Mason H S，Warzecha H，Mor T，Arntzen C J． Edible plant vaccines: Applications for prophylactic and therapeutic molecular medicine［J］． Trends Molecular Med，2002，8( 7) : 324－329

[2] Davies HM. Commercialization of whole-plant systems for biomanufacturing of protein products: evolution and prospects［J］. Plant Biotechnol J. 2010;8(8):845–861.

[3] Rosales-Mendoza S. Will plant-made biopharmaceuticals play a role in the fight against COVID-19? ［J］Expert Opin Biol Ther. 2020;20(6):545–548.

[4] M*ason H S，Arntzen C J． Transgenic plants as vaccine production systems［J］． Trends in Biotechnology，1995，13( 9) : 388－392

[5]Huang Z, Chen Q, Hjelm B, et al. A DNA replicon system for rapid high-level production of virus-like particles in plants. Biotechnol Bioeng. 2009;103(4):706–714.

[6]Sainsbury F, Lomonossoff GP. Extremely high-level and rapid transient protein production in plants without the use of viral replication［J］. Plant Physiol. 2008;148(3):1212–1218.

[7]Yao J, Weng Y, Dickey A, Wang KY. Plants as factories for human pharmaceuticals: applications and challenges［J］. Int J Mol Sci. 2015;16(12):28549–28565.

[8]Mason HS, Lam D, Arntzen CJ. Expression of hepatitis B surface antigen in transgenic plants［J］. Proc Natl Acad Sci. 1992;89(24):11745–11749.

[9]Kong Q，Ｒichter L，Yang Y F，Arntzen C J，Mason H S，Thanavala Y． Oral immunization with hepatitis B surface antigen ex- pressed in transgenic plants［J］． Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2001，98 ( 20) : 11539-11544．

[10]Mechtcheriakova I, Eldarov M, Nicholson L, et al. The use of viral vectors to produce hepatitis B virus core particles in plants. J Virol Methods［J］. 2006;131(1):10–15.

[11]Ward BJ, Gobeil P, Séguin A, et al. Phase 1 randomized trial of a plant-derived virus-like particle vaccine for COVID-19［J］. Nat Med. 2021;27(6):1071–1078.

[12]Pillet S, Couillard J, Trépanier S, et al. Immunogenicity and safety of a quadrivalent plant-derived virus like particle influenza vaccine candidate—two randomized phase II clinical trials in 18 to 49 and≥ 50 years old adults［J］. PLoS ONE. 2019;14(6):e0216533.

[13]Huang Z, Santi L, LePore K, et al. Rapid, high-level production of hepatitis B core antigen in plant leaf and its immunogenicity in mice［J］. Vaccine. 2006;24(14):2506–2513.

[14]Thanavala Y，Mahoney M，Pal S，Scott A，Ｒichter L，Natarajan N， Goodwin P，Arntzen C J，Mason H S． Immunogenicity in humans of an edible vaccine for Hepatitis B［J］． Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2005，102( 9) :3378－3382

[15]Ward BJ, Makarkov A, Séguin A, et al. Efficacy, immunogenicity, and safety of a plant-derived, quadrivalent, virus-like particle influenza vaccine in adults (18–64 years) and older adults (≥ 65 years): two multicentre, randomised phase 3 trials［J］. The Lancet. 2020;396(10261):1491–1503.