新型疫苗PWDVax：针对断奶后腹泻（PWD）的创新解决方案

《Infection and Immunity》：Heterologous prime-boost immunization of two-component vaccine candidate PWDVax protected pigs against F18 enterotoxigenic Escherichia coli post-weaning diarrhea

本研究开发了一种针对猪断奶后腹泻（PWD）的新型疫苗PWDVax，通过独特的两组分疫苗策略和异源初免-加强免疫方案，显著提高了疫苗的保护效果，为防治PWD提供了有力手段。

　　

研究背景

断奶后腹泻（Post-weaning diarrhea, PWD）是全球养猪业中一种常见且具有重大经济影响的疾病，主要由肠毒性大肠杆菌（Enterotoxigenic Escherichia coli, ETEC）引起。PWD导致猪生长缓慢、体重减轻甚至死亡，给养猪业带来了巨大的经济损失。目前，由于ETEC菌株的异质性以及难以诱导针对关键致病因子的保护性免疫，尚无有效的疫苗能够有效防治PWD。

研究目的

本研究旨在开发一种能够广泛保护猪免受ETEC感染的新型疫苗PWDVax。该疫苗通过靶向两种主要的ETEC菌毛（F4和F18）以及四种毒素（LT、STa、STb和Stx2e），期望能够有效预防PWD的发生，并减少养猪业的经济损失。

研究方法

1. 疫苗设计与构建：
   • 研究人员采用了一种新颖的表位和结构基础的多表位融合抗原（Multiepitope-fusion-antigen, MEFA）疫苗学平台，构建了一种单体多价菌毛-毒素蛋白（fimbria-toxin MEFA）和一种全毒素结构蛋白，作为PWD疫苗的两个组分。
   • 通过将ETEC的LT B亚单位基因片段与经过改造的LT A亚单位基因片段融合，构建了fimbria-toxin MEFA单体基因。该基因在大肠杆菌BL21（DE3）中表达，生成了重组fimbria-toxin MEFA单体蛋白，作为疫苗的非细胞组分。
   • 同时，利用ETEC的LT基因作为模板，构建了GM1结合的AB5全毒素结构的fimbria-toxin MEFA基因，并将其克隆到pBR322质粒中，由无致病性的F4菌毛大肠杆菌菌株1836-2和F18菌毛菌株8532表达，生成了两个疫苗菌株9938和9957，作为疫苗的细胞组分。
2. 免疫策略：
   • 采用异源初免-加强免疫方案，即首先通过肌肉注射fimbria-toxin MEFA单体蛋白进行初免，随后通过口服表达GM1结合的AB5全毒素结构fimbria-toxin MEFA的活大肠杆菌进行加强免疫。
3. 免疫反应检测与效力评估：
   • 在免疫后的不同时间点，通过ELISA检测猪血清和粪便样本中针对F4、F18、LT、STa、STb和Stx2e的IgG和IgA抗体反应。
   • 通过口服F18 ETEC菌株9922（F18ac, LT, STa, STb和Stx2e）对免疫猪进行挑战实验，评估疫苗对PWD的保护效力。

实验结果

1. 疫苗抗原表达与检测：
   • 通过Western blot和GM1 ELISA检测确认了fimbria-toxin MEFA单体蛋白和全毒素结构蛋白的表达与分泌。结果显示，重组蛋白能够被特异性抗体识别，并且疫苗菌株能够有效表达和分泌GM1结合的AB5全毒素结构蛋白。
2. 免疫反应：
   • 初免后，免疫猪血清中针对F4、F18、LT、STb和Stx2e的IgG抗体水平显著升高，而STa的IgG反应未被检测到。这表明初免能够有效诱导系统性免疫反应。
   • 加强免疫后，免疫猪的粪便和空肠灌洗液中针对所有目标抗原的IgA抗体水平显著升高，表明加强免疫能够有效诱导黏膜免疫反应。
3. 疫苗效力评估：
   • 在口服F18 ETEC菌株9922的挑战实验中，15只免疫猪中有10只保持健康，仅1只出现水样腹泻，4只出现轻度腹泻；而13只对照猪全部出现腹泻，其中7只水样腹泻，6只轻度腹泻。疫苗对水样腹泻的保护效力达到87.5%，对任何腹泻的保护效力达到66.7%。
   • 通过定量检测小肠组织中的F18 ETEC菌落，发现免疫猪的小肠中挑战菌的定植量比对照猪减少了99%以上，进一步证实了疫苗的保护效果。
   • 此外，免疫猪的粪便干物质含量显著高于对照猪，表明免疫猪的腹泻严重程度较低。

研究结论

本研究开发的PWDVax疫苗通过异源初免-加强免疫方案，能够有效诱导针对ETEC菌毛和毒素的系统性和黏膜免疫反应，并显著降低F18 ETEC引起的PWD发生率和严重程度。该疫苗有望成为一种有效的PWD防治手段，为养猪业带来显著的经济效益。此外，这种两组分疫苗和异源初免-加强免疫策略也为开发针对新生儿或幼龄动物的疫苗提供了有益的借鉴。

研究意义

本研究不仅为解决养猪业中PWD这一重大问题提供了一种创新的解决方案，而且其采用的疫苗设计策略和免疫方案也为其他传染病的疫苗研发提供了新的思路。通过精准靶向病原体的关键致病因子，并结合有效的免疫策略，有望开发出更多高效、安全的疫苗，为动物健康和公共卫生事业做出重要贡献。