基于壳聚糖纳米粒子的ΔgE IBRV疫苗:一种新型的、兼容DIVA系统的策略,可增强豚鼠的免疫力

时间:2026年2月1日
来源:International Journal of Pharmaceutics

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牛传染性鼻气管炎(IBR)由牛疱疹病毒1型(BoHV-1)引起,传统佐剂存在Th2偏向、免疫持久性差等问题。本研究采用离子凝胶法制备壳聚糖纳米颗粒(CNPs),成功封装gE基因缺失的IBR灭活疫苗(ΔgE IBRV),实现>95%包封效率及可持续抗原释放。免疫评估显示,肌内注射组30天病毒中和抗体滴度1:64,60天达1:256,IL-2、IL-4等细胞因子显著升高,且未检测到gE抗体,证实DIVA兼容性。该纳米平台兼具高抗原负载、生物相容性及长效免疫特性,为克服传统佐剂局限提供了新方案。

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尼尔贾·K·帕瓦斯卡尔(Neeraj K Pawaskar)| 阿基莱什·库马尔(Akhilesh Kumar)| 莫希尼·萨伊尼(Mohini Saini)| 普拉文·K·古普塔(Praveen K Gupta)
印度北方邦巴雷利(Bareilly)伊扎特纳加尔(Izatnagar)的ICAR-印度兽医研究所(ICAR-Indian Veterinary Research Institute),兽医生物技术部门,邮编243122

摘要

传染性牛鼻气管炎(Infectious Bovine Rhinotracheitis,简称IBR)是由牛疱疹病毒1型(Bovine Herpesvirus-1)引起的疾病,对全球养牛业造成了巨大的经济损失。疫苗接种是主要的控制策略,灭活疫苗相比减毒活疫苗更为安全。然而,由于灭活疫苗的免疫原性较低,需要使用佐剂来增强免疫反应。传统的佐剂如铝盐和油乳剂存在局限性,例如它们主要刺激Th2型免疫反应,难以引发强烈的细胞或黏膜免疫反应,且无法控制抗原释放,还可能引发局部和全身性的不良反应。在某些情况下,这些佐剂甚至与罕见的不良事件有关,这进一步凸显了开发更安全、更通用佐剂平台的必要性。本研究评估了壳聚糖纳米颗粒(Chitosan nanoparticles,简称CNPs)作为佐剂-递送系统的效果,用于携带缺失糖蛋白E的灭活IBR病毒(ΔgE IBR virus),以实现持续抗原释放、强烈的免疫激活以及区分感染动物与接种疫苗动物(Differentiating Infected from Vaccinated Animals,简称DIVA)的能力。通过离子凝胶化法制备的CNPs(壳聚糖:三聚磷酸钠比例2:1)具有平均粒径410纳米、ζ电位+15 mV、粒径分布指数(PDI)< 0.5以及超过95%的包封效率。其释放动力学表现为双相释放曲线,初始阶段快速释放后进入持续释放阶段。在豚鼠实验中,肌肉注射CNP-ΔgE IBRV疫苗后,30天时病毒中和滴度达到1:64,60天时达到1:256,并伴随IL-2、IL-4、IL-10和IFN-γ的显著升高,以及PBMC细胞的增殖和gB抗体的产生,而未检测到gE抗体,证实了该疫苗的DIVA效果。鼻内给药也产生了中等程度的免疫反应。研究还成功证明了该递送系统能够包裹活的ΔgE IBR病毒,验证了其适用于活疫苗和灭活疫苗。

引言

尽管疫苗研发不断取得进展,但牛疱疹病毒1型(BoHV-1)仍然是影响牛健康和生产力的主要因素,这暴露了传统佐剂的局限性,也凸显了开发能够诱导强烈且持久免疫保护的安全疫苗平台的必要性。传染性牛鼻气管炎(IBR)是一种由牛疱疹病毒1型引起的具有高度传染性的疾病(Nettleton和Russell,2017)。该病毒属于水痘病毒属(Varicellovirus)、α-疱疹病毒亚科(Alphaherpesvirinae)和牛α-1型水痘病毒(Varicellovirus bovinealpha-1)物种。病毒主要通过气溶胶飞沫和受污染的精液传播,导致疫情在牛群中迅速扩散(Nettleton和Russell,2017)。感染后,动物可能会出现急性呼吸道疾病、结膜炎、生殖道感染、流产和生育能力下降。BoHV-1的致病机制之一是其能够建立终生潜伏期,压力可触发病毒重新激活,导致病毒反复排出。这些特性使得IBR的控制尤为困难,对其全球养牛业造成了重大经济影响。疫苗接种是控制IBR最有效的策略。目前的疫苗包括减毒活疫苗(Modified Live Virus,简称MLV)和灭活疫苗(Walz等人,2017)。
MLV疫苗能够激发强烈的抗体产生和细胞免疫反应,但它们也有缺点。减弱的病毒可能保留部分毒性,在宿主体内保持潜伏状态或与自然循环的病毒株发生基因重组,有时会产生更具侵袭性的变种。相比之下,灭活疫苗安全性更高,但免疫反应较弱。为了获得长期保护,通常需要强效佐剂来增强其免疫原性(Petrovsky,2015)。IBR疫苗研发的一个重大进展是开发了缺失糖蛋白E(gE)的疫苗(Petrini等人,2020),这种疫苗可通过血清学检测区分感染动物与接种疫苗动物(DIVA)。gE的缺失提高了生物安全性,有助于根除计划;然而,即使是缺失gE的灭活疫苗也依赖佐剂来增强免疫效果。传统佐剂如油乳剂(例如Freund佐剂、矿物油基制剂)和铝盐在提高疫苗免疫原性方面发挥了关键作用,但它们存在注射部位反应、肉芽肿形成、过敏反应等问题(Balar等人,2025;Chavda等人,2022;Del Giudice等人,2001;Tomljenovic和Shaw,2011),并且细胞介导的免疫反应不稳定。此外,许多传统佐剂无法实现持续抗原释放,导致免疫持续时间较短,需要接种加强剂。这些缺点表明,对于像BoHV-1这样的病原体,需要创新的抗原递送平台,因为它们通过黏膜表面进入体内,需要体液免疫和细胞免疫共同作用才能有效控制。
基于纳米颗粒的递送系统已成为解决这些挑战的有希望的方法(Akagi等人,2011;Filipić等人,2023;Naletova等人,2023)。纳米颗粒可以保护抗原免受降解,增强抗原呈递细胞的摄取,实现可控释放,并可针对特定部位或黏膜进行递送(Akagi等人,2011;Filipić等人,2023;Naletova等人,2023)。它们有望提高免疫反应的强度和质量,同时保持良好的安全性。在纳米颗粒材料中,壳聚糖作为一种阳离子多糖(通过脱乙酰化壳聚糖获得),在疫苗研究中受到了广泛关注(Ghendon等人,2008;Ghendon等人,2011)。壳聚糖纳米颗粒(CNPs)具备理想的抗原递送特性,包括生物相容性、生物降解性、黏附性、高抗原包封效率以及刺激体液和细胞免疫的能力(Mikušová和Mikuš,2021;Mikušová等人,2021)。其正电荷表面有利于与带负电荷的细胞膜相互作用,促进抗原的摄取和呈递(Aibani等人,2021)。此外,壳聚糖的黏附性使其特别适合鼻内给药,可以在BoHV-1的入侵途径诱导黏膜免疫。在IBR背景下,将缺失gE的灭活病毒抗原整合到CNPs中可以解决现有疫苗的多个问题。这种方法结合了灭活疫苗的安全性和纳米颗粒的增强递送及免疫增强能力,通过CNPs的控制释放延长抗原的有效时间(Kuen和Masarudin,2022),从而持续激发免疫反应,同时其生物相容性降低了局部不良反应的风险。壳聚糖相对较低的生产成本使其在兽医疫苗应用中具有吸引力,尤其是在大规模牲畜免疫项目中。
本研究旨在开发并评估一种基于壳聚糖纳米颗粒的递送系统,用于携带缺失gE的灭活BoHV-1(ΔgE IBRV)疫苗。优化后的配方具有高包封效率、良好的理化特性和可控的抗原释放。通过肌肉和鼻内给药,在豚鼠模型中评估了疫苗的免疫原性和安全性,测量了体液反应、细胞因子表达和DIVA能力。这项工作证明了在配方优化过程中成功包裹了活的BoHV-1病毒,为结构复杂的病毒颗粒的纳米颗粒递送提供了新的见解。这些发现表明,基于CNPs的疫苗有望克服传统佐剂的局限性,开发出更安全、更有效且经济可行的IBR控制疫苗。

材料与样品

壳聚糖(分子量50–90 kDa,脱乙酰化程度≥75%)和粘度(20–300 cP)购自美国Sigma-Aldrich公司(CAS编号:9012–76-4)。研究中使用的缺失糖蛋白E(ΔgE)IBR病毒是自主研发的病毒(印度BoHV-1分离株216 II;印度专利号36285,ICAR-IVRI,伊扎特纳加尔)。三聚磷酸钠(STPP)(HiMedia,印度)、Madin Darby牛肾细胞(MDBK)(Merck,德国达姆施塔特)和Dulbecco改良Eagle培养基(DMEM)(HiMedia,印度)。

体外

壳聚糖-三聚磷酸钠(CNP)纳米颗粒通过离子凝胶化法制备,方法参考Calvo等人(1997)的描述。制备了12种不同配方的纳米颗粒,包括四种壳聚糖浓度(1.0、1.25、1.42和2.8 mg/mL)和三种STPP浓度(0.21、0.28和0.43 mg/mL)(见补充图S1和表2)。使用MTT试验评估了这些纳米颗粒在MDBK细胞上的细胞毒性,观察了12小时、24小时和48小时内的变化。

结论

本研究成功制备、表征并评估了封装在壳聚糖纳米颗粒(CNPs)中的缺失糖蛋白E(ΔgE)传染性牛鼻气管炎(IBR)疫苗。优化后的CNP配方实现了95%的高包封效率、400纳米的理想粒径、正表面电位,以及47.93%的持续抗原释放时间(长达72小时),同时保持了病毒的结构完整性。

作者贡献声明

尼尔贾·K·帕瓦斯卡尔(Neeraj K Pawaskar):撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验设计、数据分析、概念构思。 阿基莱什·库马尔(Akhilesh Kumar):撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法学设计、实验设计、数据分析。 莫希尼·萨伊尼(Mohini Saini):验证、监督、方法学设计。 普拉文·K·古普塔(Praveen K Gupta):

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢ICAR-IVRI伊扎特纳加尔分部的主任提供必要的基础设施和研究设施。

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