综述：从树皮到实验室：QS-21佐剂特性分析及制造技术的创新

《Frontiers in Immunology》：From bark to bench: innovations in QS-21 adjuvant characterization and manufacturing

本文系统综述了皂苷类佐剂QS-21的免疫机制、制剂优化及生产挑战，提出通过合成生物学改造微生物代谢途径、人工智能加速分子设计及系统免疫学评估等新技术解决QS-21的稳定性、毒性和规模化生产问题，构建从植物细胞培养到纳米制剂的可持续生产体系，为疫苗开发提供新范式。

　　
佐剂作为疫苗开发中的关键组成部分，在增强免疫应答和延长免疫记忆方面发挥着不可替代的作用。QS-21作为源自南美皂树（*Quillaja saponaria*）的天然三萜皂苷，因其独特的免疫调节特性，已成为疫苗佐剂研究的热点。本文将从作用机制、制剂优化、生产创新三个维度系统解析QS-21的技术突破与现存挑战。

### 一、免疫学机制：多维度激活与协同效应
QS-21通过激活固有免疫和适应性免疫双重通路产生协同效应。其分子结构包含核心三萜酸（quillaic acid）、分支三糖链（C-3位）、线性四糖链（C-28位）及乙酰化假二聚体脂肪酸链（C-28端），这种多结构域设计使其能够通过多种机制发挥作用。

**固有免疫激活**：
1. **溶酶体 destabilization**：QS-21通过胆固醇依赖性内吞作用进入细胞，在溶酶体酸性环境中诱导膜穿孔，释放抗原至胞质。该过程需要猫hepsin B（CathB）和Syk激酶的参与，最终激活NF-κB信号通路（如IL-6、TNF-α分泌）。
2. **NLRP3炎症小体激活**：在动物模型中，QS-21可诱导半胱氨酸蛋白酶-1（Caspase-1）依赖的炎症小体活化，释放IL-1β和IL-18。值得注意的是，这种炎症反应具有双刃剑效应——过量活化可能引发组织损伤，但适度刺激能有效激活树突状细胞（DCs）。
3. **??膜信号转导**：C-23醛基与T细胞CD2受体形成 Schiff base，模拟CD80/86-CD28共刺激信号，促进Th1细胞分化。结构改造实验表明，C-23位点的化学修饰直接影响佐剂活性，例如将其还原为羟基会导致免疫刺激能力下降。

**适应性免疫调控**：
- **Th1/Th2平衡调控**：QS-21通过调节DC亚群比例实现免疫偏向。例如，在HIV疫苗研究中，QS-21/MPLA组合使CD4+ T细胞分泌IFN-γ增加3.5倍，同时维持IgG2c（Th1型）和IgG1（Th2型）的平衡（ RTS,S疟疾疫苗研究显示，采用延迟分剂接种策略可增强记忆B细胞存活率达159倍）。
- **记忆免疫形成**：QS-21通过诱导生发中心T辅助细胞（Tfh）和记忆B细胞分化，实现长效免疫。在非人灵长类模型中，400μg QS-21剂量组记忆T细胞丰度较对照组提升11倍，且抗体亲和力成熟速度加快2-3倍。

### 二、制剂创新：从简单混合到精准递送
当前QS-21佐剂系统主要采用两种递送平台：
1. **脂质体系统（AS01系列）**：
- 采用胆固醇/DOPE脂质双层包裹，将QS-21与MPLA（Toll样受体4激动剂）复合。脂质体可物理隔离皂苷结构，降低血红蛋白溶血毒性（实验显示纯QS-21溶液在7-9μg/mL浓度下即产生50%溶血率，而AS01B配方通过脂质封装使剂量可降至50μg级别）。
- AS01B在HIV疫苗中实现CD8+ T细胞特异性杀伤活性提升47%，且抗体半衰期延长至4年（临床数据显示）。

2. **ISCOM纳米颗粒系统**：
- 由皂苷、胆固醇和磷脂组成的40nm开放笼状结构，在流感和呼吸道合胞病毒疫苗中展现增强抗原呈递能力。最新研究显示，ISCOMATrix?平台通过优化脂质比例（如增加胆固醇至55%），可使IgG2c亚型抗体产量提升4倍。

**新型递送系统突破**：
- **离子液体纳米颗粒（LNPs）**：在COVID-19疫苗开发中，LNP封装的QS-21/CpG复合物使VZV gE疫苗的Th1细胞激活效率提升3.5倍。
- **聚离子液体载体**：通过静电吸附技术，可将QS-21与MPLA、TLR7/8激动剂（如 ПолиИК）复合，在肺结核疫苗中实现100%血清转化率。

### 三、生产革命：从植物提取到合成生物学
**传统生产瓶颈**：
- 植物来源：南美皂树需30年成熟，年产量仅能提取15-20吨粗品，且含剧毒QS-18成分（毒性比QS-21高3倍）。
- 化学合成：全合成需76步反应，总产率低于1%，成本高达$2000/克。

**技术创新路径**：
1. **植物细胞培养**：
- 采用巴西皂树（*Quillaja lancifolia*）叶肉悬浮培养，经水提法纯化后获得15mg/L QS-21，生物活性与天然来源一致。诱导培养（SA处理）可使产量提升至3mg/g干重。
- 工程菌代谢途径：通过酵母合成生物学重构完整生物合成途径，从葡萄糖到QS-21-Xyl仅需72小时发酵周期，但当前产量仅30μg/L（需提升100倍）。

2. **化学修饰策略**：
- 乙酰链改造：将C-28位酯键改为酰胺键，使热稳定性提升（耐高温至85℃），溶血率降低90%（QS-21-L12变体）。
- 三糖链简化：去除C-3位分支三糖链后（如VSA-1衍生物），佐剂活性保持率超过80%，且动物实验显示局部炎症反应降低70%。

3. **合成生物学平台**：
- 构建模块化QS-21合成通路：将38个关键酶（包括6种植物CYP450酶）整合到毕赤酵母中，通过代谢工程实现：
- QA三萜酸产量提升至500mg/L
- 糖基化模块可替换为阿拉伯糖、木糖等不同受体配体
- 动态优化案例：针对疟疾疫苗，通过CRISPR筛选出携带CYP450修饰基因的工程菌株，使四糖链修饰效率从45%提升至82%。

### 四、未来发展方向
1. **多模态佐剂系统**：
- 开发QS-21/纳米佐剂-多臂PRR激动剂（如MPLA+PolyI:C+TLR8）组合，在肺结核疫苗中实现Th1细胞因子（IFN-γ）产量提升12倍。
- 引入自噬调控剂（如雷帕霉素衍生物），可增强QS-21诱导的抗原交叉呈递能力，使CD8+ T细胞效应功能提升40%。

2. **人工智能驱动设计**：
- 建立QS-21分子结构-佐剂活性数据库：包含200+结构变体和3000+免疫应答数据点，通过深度学习预测C-23位点不同取代基的免疫原性（准确率91%）。
- 生成对抗网络（GAN）优化：在虚拟空间中筛选出低毒性（溶血率<5%）、高Th1偏向（IFN-γ/IgG比值>3.0）的QS-21衍生物，缩短实体筛选周期80%。

3. **制造流程整合**：
- 构建“合成生物学+AI”闭环系统：
1. 基因编辑菌种生产QA三萜酸（500mg/L）
2. 糖基化模块自动化组装（误差率<0.1%）
3. 佐剂配方生成器（输入抗原类型自动推荐QS-21变体+MPLA比例）
- 实现成本控制：通过连续发酵（CF）技术使QS-21生产成本从$1200/克降至$2.5/克（预计2028年量产）。

### 五、挑战与对策
1. **安全性瓶颈**：
- QS-21的溶血风险与剂量呈正相关（剂量-反应曲线R2=0.93），需通过纳米封装将有效浓度提升至安全阈值（如<20μg/mL）。
- 开发肝靶向递送系统：利用甘草酸修饰的脂质体，在动物模型中实现QS-21在肝脏的富集（生物利用度达78%），降低全身毒性。

2. **生产标准化**：
- 建立全球统一的QS-21质量标准（WHO建议方案）：
- 结构完整性（HPLC纯度>99%）
- 溶血活性（<5% at 100μg/mL）
- 佐剂效力（Th1细胞因子分泌量>500pg/mL）
- 区块链溯源系统：从巴西皂树种植园到疫苗灌装全程追踪，确保每批次佐剂生物活性一致性>95%。

3. **临床转化障碍**：
- 开发加速审批方案（如FDA的突破性疗法认定路径）：
- 建立多中心免疫原性加速研究网络（覆盖欧美5大洲的15个临床中心）
- 采用单细胞测序技术评估QS-21对树突状细胞表观遗传的影响（如DNA甲基化变化与IL-12分泌相关性）

### 六、战略建议
1. **建立全球佐剂研发联盟**：
- 整合学术界（如哈佛医学院佐剂研究中心）和产业界（GSK、Novavax）资源，制定统一的免疫评估标准（如ISO 10993-17类生物相容性测试）。

2. **投资前沿制造技术**：
- 生物合成：资助CRISPR筛选工程菌株（如构建CYP450过表达菌株）
- 连续流反应器：将QA合成步骤从72小时缩短至4小时
- AI辅助配方设计：开发数字孪生平台，模拟QS-21在500+种疫苗中的表现

3. **政策法规创新**：
- 推动WHO将QS-21纳入《新佐剂技术指导文件》
- 建立快速审评通道（如EMA的PRIME计划），对佐剂创新给予优先审批

当前QS-21佐剂系统已成功应用于12种疫苗（包括默沙东Shingrix、GSK的RTS,S疟疾疫苗），但面对未来大流行病需求，亟需通过合成生物学改造（如将QA合成路径转移至酵母）和AI辅助设计（预测500+种皂苷变体活性），将年产量从当前15吨提升至2000吨。同时，开发标准化评估工具包（包含10种细胞系、3种动物模型、5种多组学分析平台），可使新佐剂研发周期从5年缩短至18个月。这种“精准佐剂设计”模式不仅适用于QS-21，更为疫苗开发提供了通用技术框架。