150只非人灵长类动物腹泻疫情为志贺氏菌疫苗研发提供关键数据

研究机构的150多只非人灵长类动物因一场持续两年多的腹泻疫情而病倒，听起来绝非好运。但对部分科学家而言，这却阴差阳错地带来了丰厚回报：他们获得了一大堆珍贵数据，揭示了最终战胜这一可恶病原体的可能路径。 在最新一期《科学·转化医学》上发表的研究中，科学家梳理了感染产生的免疫学数据洪流，记录了训练免疫细胞对抗引发此次疫情的志贺氏菌（Shigella）的新方法。研究团队成功筛选出免疫系统能最有效攻击的细菌特定片段，并将特异性靶分子与特定类型的杀菌免疫反应联系起来。研究人员甚至精准定位到这些粗糙靶分子上的一些微小凹陷——最强效的抗体正是结合在这些位点。 总体而言，该研究“揭示了自然感染非人灵长类动物中抗志贺氏菌抗体反应的意外特征，并为志贺氏菌疫苗候选物的理性设计迈出了重要一步”，作者写道。 志贺氏菌是一种令人闻风丧胆的胃肠道病原体，每年在全球感染超过2亿人、致死逾20万人，死者多为儿童。幸存者通常会产生一定的保护性免疫反应。然而，由于志贺氏菌存在多种物种和血清型，保护性免疫反应往往只能针对该菌家族的狭窄范围起作用。此外，志贺氏菌菌株对抗生素的耐药性还在不断增强。 因此，急需一款能应对整个志贺氏菌家族的疫苗。为此，多项疫苗研发工作正在推进。然而，科学家在设计复杂疫苗时始终缺乏必要的详细分子和结构数据，而这正是此次疫情带来的转机。

数据洪流

此次疫情始于2022年12月，地点是位于麦迪逊的威斯康星国家灵长类研究中心。与人类一样，非人灵长类动物是志贺氏菌的天然宿主，此类设施偶尔暴发疫情并不罕见。但这次疫情规模如此之大、持续时间如此之长实属罕见，甚至 facility 的部分工作人员也感染了疾病。

总之，非人灵长类动物中共检出 169 例经微生物学确认的细菌性痢疾病例。研究人员收集了 151 株志贺菌分离株进行血清分型，并对其中 95 株代表性分离株进行了全基因组测序。此次疫情由两个亲缘关系密切的弗氏志贺菌（Shigella flexneri）簇引起，该菌种常见于圈养非人灵长类动物。（人类疫情多由宋内志贺菌引发，但两种菌种均可感染两类灵长类动物。）在检测抗药性的 90 株分离株中，超过半数（63%）呈多重耐药。大多数病例仅引起轻度腹泻症状，但也有无症状病例及引发严重症状的病例。婴幼儿受累最重，这与人类疫情表现相似。

研究人员对 41 只感染动物的血清、血浆及特定类型免疫细胞进行了采集，分别在感染发生后 1 周、2 周以及 4 至 6 周时取样，随后深入剖析其免疫反应。

研究人员首先寻找针对志贺菌已知靶点——O-抗原的抗体。O-antigen 是从细菌最外层膜向外突出的大分子的最外层组分。该分子称为脂多糖（LPS）。LPS 仅存在于细菌中，特别是革兰氏阴性菌，包括大肠杆菌、沙门氏菌和志贺菌。除其他功能外，该分子还作为外层膜的结构组分发挥作用。然而，鉴于其位于细菌细胞边缘的位置，它——特别是位于最外层的 O-antigen 组分——成为免疫系统常见的攻击靶点。不过，在志贺菌中，O-antigen 具有可变性，因此针对某一血清型 O-antigen 的抗体可能无法帮助抵御其他血清型。

关键发现

研究人员发现了多种能与志贺菌 O-antigen 结合的抗体。但其中一些似乎是在反复接触细菌的过程中逐渐优化形成的。更有趣的是，它们似乎获得了攻击多种不同志贺菌血清型 O-antigen 的能力——这对疫苗的成功至关重要。此外，研究人员发现，紧密结合 O-antigen 的抗体能够触发血浆蛋白的级联反应，最终导致细菌细胞崩解——这也是一项有益的特性。

接下来，他们研究了攻击 III 型分泌系统（T3SS）的抗体。这是细菌用来攻击宿主的一种常见装置：各种组件组装到一起后，会形成一个注射器状的结构，有一根针状物从细菌细胞伸出、扎进要攻击的细胞，然后把一组名为效应蛋白的物质注入进去。这些效应蛋白功能各异，但总体作用都是压制宿主细胞的防御，为入侵的细菌营造舒适的环境。

在志贺氏菌 T3SS 的最顶端，有两种蛋白 IpaB 和 IpaD，正是这些非人灵长类动物抗体攻击的目标。科学家发现，这两种蛋白通常能激发免疫细胞（包括 T 细胞）的保护性反应。在分析抗体时，科学家发现其中一些抗体反而帮了倒忙，引发的反应会帮助志贺氏菌破坏血细胞；另一些抗体则能阻止血细胞被破坏。研究人员发现，这两类抗体结合在尖端蛋白的不同位点上，并精确定位了有益抗体的结合位置，为疫苗研发人员提供了一个明确的攻击靶点。

这些发现为研发有效的志贺氏菌疫苗提供了新思路和新方向。虽然距离真正拥有疫苗还很远，但研究人员希望这批疫情数据能帮助克服现有难题，也希望这种结合结构学和免疫学数据的策略，能帮助研究者在整体上更好地设计细菌疫苗。