新型卡介苗有望增強結核病保護力達15年以上

結核病是一種由結核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis)所造成的疾病,菌株可分為北京株與非北京株。北京株流傳於全球,致病力較強、較易突變,具有抗藥性;非北京株則反之。肺結核是全球十大死因之一,自2007年超越HIV/AIDS成為單一傳染病導致的主要死亡原因。預防結核病的方法為注射卡介苗(Bacillus Calmette-Guerin, BCG),BCG是由減毒的牛結核分枝桿菌(Mycobacterium bovis)製備而成。在兒童時期接種可提供10至15年的保護期,免疫力在成年後會減弱。且BCG的保護功效差異很大,從0至88%。基於這些流行病學證據,BCG似乎隨著時間的流逝失去了保護作用。廣泛應用BCG數十年的國家,如印度和中國,結核病的盛行率並沒有因此而下降。因此目前迫切須要開發新型疫苗預防結核病。

本院感染症與疫苗研究所杜鴻運副研究員研究團隊,以重組蛋白技術改良BCG疫苗,加入可誘發T細胞反應的結核桿菌蛋白Ag85b與CFP-10,製成rBCG1與包含前二者並加上人類介白素-12(hIL-12)作為加強免疫反應製成rBCG2。同與BCG疫苗於第0週與第2週皮下接種到6~8週齡的小鼠,於第4週感染結核菌,再評估三種疫苗的個別功效。研究發現,感染初期(8至12週)以疫苗治療的三組(BCG、rBCG1、rBCG2)中,結核菌生長的菌落均顯著降低(圖1),但在第20週BCG組與無施打疫苗PBS控制組的結核菌落數相差無異,而rBCG1和rBCG2組別則明顯抑制結核菌生長(圖1A)。另外,在12和20週肺臟病理結果顯示,接種rBCG1和rBCG2的小鼠與BCG組別相比,肺臟肉芽腫顯著減少(圖1B-C)。


圖1

此外,研究團隊測試rBCG1與rBCG2疫苗的安全性,於免疫缺陷(SCID)與C57BL/6野生小鼠注射了相同劑量的BCG與rBCG疫苗並記錄體重。接種疫苗後,免疫缺陷與正常小鼠均未顯示任何不利的體徵。體重和死亡率在各組之間的差異並不顯著(圖2)。顯示即使在免疫缺陷的個體中,rBCG1和rBCG2疫苗也是安全的。


圖2

研究團隊發現,在rBCG1與rBCG2接種後能促進肺臟輔助型T細胞Th1誘導的細胞激素TNF-a、IFN-g(2週)與MCP-1(8週)的表現(圖3A)(Th1的細胞激素主要作用細胞為巨噬細胞);此外,分離肺臟組織以流式細胞儀分析免疫細胞族群發現,在8週時肺部中巨噬細胞的數量明顯增加(圖3B)。在2至8週,rBCG1與rBCG2免疫的小鼠血清中MCP-1升高(圖3C)(MCP-1會使血液中單核球分化為巨噬細胞)。此結果顯示,rBCG1與rBCG2能在感染初期增加巨噬細胞數量(圖3B)並減少肺部結核菌數(圖1A),也反應出清除肺部結核菌數量後,進而在病程後期快速清除肺臟肉芽腫的病理現象(圖1B-C)。因此,與接種BCG相比,rBCG1和rBCG2誘導的細胞免疫更高。

圖3

根據這些結果顯示,巨噬細胞功能顯然對結核菌感染的免疫反應非常重要,為了評估巨噬細胞在感染早期的作用,杜博士研究團隊在疫苗接種與結核菌感染前後,每週以氣管給予方式,使用脂質體載運氯膦酸鹽(clodronate)剔除肺部巨噬細胞(圖4A)。8週後,計算各組之間的細菌量。每個疫苗接種組的細菌量與PBS組相比均無顯著差異(圖4B)。顯示巨噬細胞是早期參與免疫反應針對結核菌感染的主要保護細胞。巨噬細胞被剔除後,疫苗接種小鼠的保護明顯降低。


圖4

因巨噬細胞能適應疾病微環境,並分化成不同的功能的表現型,例如:M1巨噬細胞可表現較高的發炎激素,並有強大的殺菌能力;相反,M2巨噬細胞參與寄生蟲的清除,組織重塑與免疫調節。所以推測rBCG1和rBCG2增強了M1巨噬細胞清除病菌的能力。研究團隊以免疫組織染色,分別染肺臟中的誘導型一氧化氮合成酶(iNOS,M1巨噬細胞標誌物)與甘露糖受體(MR,M2巨噬細胞標誌物),比較各組M1與M2巨噬細胞的數量。結果顯示在rBCG1和rBCG2組中,iNOS的表現升高(圖5A-B);MR在所有組別的表達均相似(圖5A-B)。這些結果顯示rBCG1和rBCG2可誘導輔助型T細胞激素和MCP-1分泌,使巨噬細胞數量增加,並分化成殺菌力強的M1表現型,以清除肺部細菌,達到快速清除肺臟肉芽腫的病理現象。


圖5

本研究中所有測試疫苗在感染初期均抑制結核菌的生長。但在第20週時,BCG疫苗的細菌量反彈增加。相反地,rBCG1和rBCG2疫苗的細菌量仍然很低。如果將小鼠年齡轉換為人類年齡,本研究中發現的rBCG疫苗保護期(鼠齡20週)相當於人類15至20年。因此與BCG相比,rBCG1與rBCG2可以針對結核菌提供更有效和更長的的保護力,此成果已刊登於國際期刊《Frontiers in Immunology》。

文/圖:感染症與疫苗研究所杜鴻運副研究員

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