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《维罗尔杂志》。2005年11月;79(21): 13275–13284.
预防性维修识别码:PMC1262603项目
PMID:16227250

表达外源病毒抗原的重组新城疫病毒在灵长类中被减弱并具有高度免疫原性

摘要

副粘病毒,如带有编码异源病毒保护性抗原的插入物的人类副流感病毒,可以在实验动物中诱导对异源病毒的有效免疫。然而,由于血清流行率高,基于常见人类病原体的载体在成年人群中的复制预计会受到限制,这种影响会降低载体的免疫原性。为了解决这个问题,我们评估了新城疫病毒(NDV)作为疫苗载体,NDV是一种血清型不同于普通人类病原体的禽副粘病毒。对两株毒株进行了评估:主要在鸡呼吸道复制的减毒疫苗株LaSota(NDV-LS)和中等毒力的Beaudette C(NDV-BC)毒株,它们在鸡体内产生轻度全身感染。通过在P和M基因之间插入编码人类副流感病毒3型(HPIV3)血凝素-神经氨酸酶(HN)蛋白的基因盒,对每种病毒的重组版本进行修改,HN是一种具有大量历史数据的测试抗原。通过鼻内和气管内联合途径,将重组病毒以10倍的剂量注入非洲绿猴(NDV-BC和NDV-LS)和恒河猴(仅NDV-BC)6.5每个部位的PFU,28天后给予第二当量剂量。接种这两种毒株后,在鼻腔拭子或气管灌洗液中检测到很少或没有病毒脱落。在另一项实验中,对肺组织的直接检查证实了父母NDV-BC的高度衰减、限制复制模式。首次用任一NDV载体免疫诱导的对外源HN蛋白的血清抗体反应略低于野生型HPIV3感染后观察到的抗体反应;然而,第二次给药后的滴度超过了HPIV3感染时观察到的滴度,尽管HPIV3在这些动物中的复制效率远高于NDV。NDV似乎是开发人类疫苗的一种有希望的载体;一个应用是控制新出现病原体的局部爆发。

副粘病毒有望作为疫苗载体,特别是用于鼻内免疫。例如,用表达麻疹病毒血凝素蛋白的重组人副流感病毒3型(HPIV3)对仓鼠进行鼻内免疫,可诱导高滴度的麻疹病毒中和血清抗体(5). 用表达HPIV1和HPIV2的血凝素-神经氨酸酶(HN)蛋白的重组HPIV3免疫仓鼠,可诱导高滴度的HPIV1与HPIV2血清抗体,并诱导对这些病毒的攻击产生耐药性(42). 用表达人呼吸道合胞病毒(RSV)粘附(G)和/或融合(F)糖蛋白的重组减毒牛-人嵌合PIV3免疫恒河猴呼吸道,诱导高滴度RSV中和血清抗体(35). 事实上,表达RSV F蛋白的BHPIV3构建物计划作为RSV/HPIV3联合儿童疫苗进行临床评估(41). 用表达严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)尖峰(S)蛋白的减毒BHPIV3载体免疫非洲绿猴,可诱导针对SARS-CoV的血清中和抗体反应,并保护动物免受随后高剂量SARS-CoV-的攻击(1). 最后,用表达埃博拉病毒糖蛋白的HPIV3对豚鼠进行鼻内免疫,可产生杀菌免疫反应,以对抗随后的高剂量埃博拉感染(a.Bukreyev等人,未发表的数据)。HPIV3能够容纳和表达至少三个总大小至少为7.5kb的插入物,并且能够在体外多次传代中保持稳定(1,5,38). 然而,使用一个或两个插件可能是最佳的,因为增加插件数量和尺寸可能会导致过度衰减(39).

虽然减毒人副粘病毒作为鼻内疫苗载体似乎具有良好的特性,但它们可能仅对以前未接触过该载体的个人有效。这是因为现有的宿主对载体的免疫会限制其复制并降低其免疫原性。例如,野生型RSV只感染了50%的血清阳性成人志愿者,而减毒RSV变异株只感染了10%至33%(取决于毒株)的志愿者(14). 在另一项研究中,只有8%至20%的血清阳性成年志愿者感染了wt HPIV3或其减毒突变体(). 甚至抗原分化的BPIV3在成人和儿童的呼吸道中的复制也受到高度限制(,15). 因此,尽管人类副粘病毒是免疫学上缺乏经验的儿科人群用作载体的理想候选病毒,但它们可能对成年人无效,因为几乎所有人以前都感染过这些常见病原体,疫苗载体的复制将受到高度限制,导致免疫原性降低或缺失。这个问题可能适用于任何基于常见人类病原体的病毒载体,如麻疹病毒和常见腺病毒株。为了克服这一限制,我们检测了新城疫病毒(NDV)的传染性、安全性和免疫原性,这是一种禽副粘病毒,与常见的人类副粘病毒具有不同的血清型(即,不会经历显著的交叉中和)。

NDV是腮腺炎病毒属亚科属副粘病毒亚科家庭的副粘病毒科,一个不包括任何已知人类自然病原体的属。NDV分离株可根据其在鸟类中的毒力程度分为三类:(i)致长株,其引起轻度或非明显感染,主要局限于呼吸道,包括目前用作活疫苗的株;(ii)引起中度全身感染的中胚层感染;以及(iii)快速菌株,导致高死亡率的系统性感染。NDV的基因组是15162至15192个核苷酸(nt)的单负义RNA链(19)(有关示例,请参阅GenBank条目AF077761型,AY935499年、和AY562989年)编码七种主要结构蛋白:核蛋白(N)、磷酸蛋白(P)、基质蛋白(M)、融合蛋白(F)、血凝素-神经氨酸酶(HN)和大聚合酶蛋白(L)。毒力的一个主要决定因素是F蛋白裂解位点的结构,在那里必须发生细胞蛋白酶的裂解才能产生由F蛋白组成的活性形式的蛋白质1和F2亚单位。含有细胞内蛋白酶furin(R-X-K/R-R)识别序列的裂解位点与毒性增加有关,而含有较少精氨酸/赖氨酸残基的位点必须被细胞外分泌蛋白酶裂解,与毒性降低有关(6,34). HN蛋白在向性和致病性中也起着重要作用(11),其他致病性决定因素尚待确定。本研究涉及两种致病性不同的NDV毒株:慢生疫苗株LaSota(NDV-LS)和中生毒株Beaudette C(NDV-BC)。NDV-LS的F蛋白切割位点为SGGGRQGR↓LIG,因此缺乏furin基序,而NDV-BC的F蛋白裂解位点为SGGRRQKR公司图和包含此主题(下划线)。

最近,重组NDV被用于表达猴免疫缺陷病毒和流感病毒的保护性抗原,并被证明在小鼠中诱导免疫反应(24,25). 然而,啮齿动物模型并不是人类的可靠替代品,也不是候选人类疫苗衰减、免疫原性和保护效力的可靠预测因子。原则上,任何可以通过重组DNA技术操纵并经工程表达外源表位或抗原的病毒都有潜力用作疫苗载体。在实践中,必须在体内实验环境中证明令人满意的复制、衰减、安全性和免疫原性水平,在宿主的系统发育和解剖特征以及剂量、给药途径和载体复制的许可性方面,该环境密切模拟预期用途。在本研究中,我们评估了NDV-LS和NDV-BC作为载体,以表达HPIV3的HN蛋白作为测试抗原。在对两种非人灵长类动物进行鼻内免疫后,对这些载体的复制、衰减和免疫原性进行了评估,这两种灵长类与人类有着密切的系统发育和解剖相似性,应该是人类在载体复制方面的良好替代品。

材料和方法

表达HPIV3 HN蛋白的重组NDV的构建。

NDV-LS和NDV-BC是高度相关的病毒(97%核苷酸序列一致性),通过共同的策略进行了修改。每种病毒的基因组都经过修饰,在P基因的下游非编码区产生了一个XbaI位点(图。(图1)。1). 这涉及完整抗原序列中3185和3187位的两个C-to-A(阳性)核苷酸替换,以创建XbaI位点TCTA类G公司A类这些替换分两个PCR步骤进行。首先,扩增与NDV抗原cDNA 2354至3187位相对应的cDNA片段,并通过PCR进行诱变,以创建XbaI位点。正向PCR引物为GATC插科打诨C类CGCGG公司AAACAGTCC AGGAAAGACC,SacI网站下划线,SacII网站斜体。反向引物为ACT型C类T型AGA公司GAGGATTGCCGCTTGGAG,XbaI位点斜体化,两个突变核苷酸下划线。PCR产物用SacI和XbaI消化,并插入质粒pGem-7Zf(+)的SacI-XbaI窗口(Promega Corporation,Madison,WI)。其次,用正向引物AG PCR扩增NDV抗原组3182~3760位的cDNA片段T型C类T型AGA公司TTCCTCA GCCCCACTGAATG,XbaI位点为粗体,两个突变核苷酸下划线,反向引物CATGGACGT公司C类交流发电机CTT GACTGCATTCACTGATGAG,AatII网站下划线,PmlI网站斜体。用XbaI和AatII消化PCR产物,并将其插入上一步构建的质粒的XbaI-AatII窗口。这导致包含新创建的XbaI位点的NDV抗原基因组的SacII-PmlI片段(NDV基因组位置2354至3760)的亚克隆。接下来,通过PCR扩增HPIV3 HN开放阅读框(ORF)的cDNA,以连接NDV基因连接(基因终-间基因启动基序)(图。(图1)1)和一个XbaI站点到其上游端,一个XbaI站点到下游端(图。(图1)。1). 正向引物为CTTGAATCTAGA公司塔加AAAAAC类ACGGGTAGAA公司中国葛洲坝集团公司ATGGAATACTGGAAGCATAC,XbaI位点斜体,NDV基因末端转录信号下划线,C基因间核苷酸黑体,NDV-基因起始转录信号下线,以及一个7-nt长的间隔区,用于高效翻译(17)黑体字。NDV-LS和NDV-BC的大多数基因的基因起始和基因终止信号与自然发现的相同,基因间序列与M和F基因之间的序列相同。反向引物为TACTTGTCTAGA公司TATGA公司TTAAGACGTCGAAAAAGGAA,XbaI站点斜体化,一个5吨长的间隔棒保持6的规则(16)黑体字。PCR产物用XbaI消化,并使用新创建的XbaI位点插入SacII-PmlI亚克隆。最后,携带HN插入物的SacII-PmlI片段被替换到全长NDV抗原基因cDNA中。所有体外聚合酶反应区域的DNA序列均通过核苷酸测序进行确认。

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携带HPIV3 HN糖蛋白插入物的重组NDV-BC基因组图;NDV-LS的插入策略和相邻序列相同,未显示。亲本NDV-BC基因组显示在底部,工程XbaI位点显示。NDV基因显示为黑色矩形;Le和Tr是外源性先导区和先导区。NDV-BC/HN矢量显示在父级上方,HPIV3 HN插入为交叉阴影水平条。HN ORF两侧的核苷酸序列如上图所示,从积极意义上看,插入XbaI位点的DNA序列被括起来,基因开始和基因结束转录信号被装箱,基因间核苷酸被指示,HN ORF的ATG和TAA启动和终止信号下划线,HN ORF的其余部分被删除,并用三个点表示。

重组NDV的回收、繁殖和滴定。

如前所述,通过与表达N、P和L蛋白的支持质粒并行转染HEp-2细胞,从NDV-LS/HN和NDV-BC/HN抗原基因cDNA中回收重组病毒(10,18). 亲本NDV-LS和NDV-BC病毒也被重组衍生。NDV重组体用含有2.5%胎牛血清(Invitrogen,Carlsbad,CA)的Dulbecco改良Eagle培养基(Invit罗gen)在鸡胚或DF-1鸡成纤维细胞单层中繁殖。对于NDV-LS及其衍生物,培养基中添加5%的鸡尿囊液作为蛋白酶的来源,用于F蛋白的裂解。在含有2.5%胎牛血清的0.9%(wt/vol)甲基纤维素和5%鸡尿囊液的情况下,通过对DF-1细胞进行斑块试验来测定病毒滴度。将细胞在37°C下培养4至5天,用80%甲醇固定,并用结晶紫染色。在一些实验中,用NDV HN蛋白特异的小鼠单克隆抗体混合物进行免疫染色,证实了斑块的特异性(30)用辣根过氧化物酶标记羊抗鼠免疫球蛋白G(IgG)检测。

信使核糖核酸和病毒蛋白的分析。

DF-1或Vero细胞以2个PFU的多重感染率(MOI)感染重组NDV或其亲本病毒。相比之下,LLC-MK2或Vero细胞与2 50%组织培养感染剂量(TCID)同时感染50)HPIV3。20小时后,根据制造商的建议,收集细胞并使用RNeasy迷你试剂盒(加利福尼亚州巴伦西亚QIAGEN公司)分离细胞内总RNA。通过Northern杂交分析RNA(7)使用使用Megaprime DNA标签系统(Amersham Biosciences Corp.,Piscataway,NJ)从HN基因的cDNA制备的双链DNA(dsDNA)探针,以及[32P] 数字CTP。或者,根据制造商的建议,在感染后24小时采集细胞,并在变性和还原条件下进行裂解,澄清的上清液在4至12%双三元丙烯酰胺凝胶上进行凝胶电泳(NuPage蛋白电泳系统;Invitrogen,加利福尼亚州山景城)。使用WesternBreeze免疫检测试剂盒(Invitrogen)和兔超免疫抗HPIV3血清(由M.Skiadopoulos提供)通过Western blotting分析蛋白质。为了纯化病毒颗粒进行分析,在感染后约48小时从感染NDV或HPIV3的细胞中提取培养基,如上所述。通过低速离心澄清培养基,并通过25%蔗糖溶液在130000×在4°C下放置2 h,在小体积培养基中重新悬浮,然后在上述30至60%(wt/vol)不连续蔗糖梯度上通过离心进一步纯化,然后分离界面处的病毒带。使用SilverQuest试剂盒(Invitrogen)通过银染色或如上所述的Western印迹法直接分析病毒粒子制剂。

病毒中和试验。

比较重组NDV或HPIV3对HPIV3特异性抗体、NDV 50 PFU或50 TCID中和的敏感性50HPIV3,体积为75μl的Dulbecco改良Eagle培养基(Invitrogen),含有10%(vol/vol)的豚鼠补体商业制剂(新泽西州东卢瑟福Cambrex公司)与75μl不同稀释液混合在同一培养基中,该培养基是一只感染了HPIV3的非洲绿猴的恢复期血清,或是一只用蔗糖梯度纯化HPIV3病毒进行超免疫的兔子的血清,或一只HPIV3幼稚非洲绿猴或兔子的血清。混合物在37°C下孵育1小时,通过NDV病例中DF-1细胞的斑块试验或TCID对残余感染病毒进行定量50HPIV3情况下LLC-MK2细胞单层的滴定。为了评估NDV特异性抗体对NDV重组体或HPIV3的中和作用,105重组NDV或10的PFU5TCID公司50将HPIV3病毒与等体积的鸡抗NDV血清(查尔斯·里弗实验室,北富兰克林,CT)的各种稀释液混合,在37°C下孵育1小时,用TCID检测残余感染性50Vero细胞单层的滴定。

灵长类动物的复制和免疫原性。

恒河猴(2至4岁,体重3.0至3.9 kg)取自弗吉尼亚州的LABS(摩根岛,南卡罗来纳州);非洲绿猴(幼猴,每只4.4至7.7公斤)是从圣基茨岛上的一个自由活动的群体中获得的。通过血凝抑制试验(HAI)证实这些动物的HPIV3和NDV血清呈阴性。在针对HPIV3抗体的HAI检测中,我们使用豚鼠红细胞和HPIV3株JS作为指示病毒;对于新冠病毒抗体,我们使用火鸡红细胞和亲代新冠病毒BC作为指示病毒。猴子被感染的情况如前所述(1)通过鼻内和气管内联合途径6.5在第1天和第28天,每个部位的PFU为1 ml。在第一次给药后的第0至10天和第12天以及第二次给药之后的第0、2、4、6和8天每天进行鼻喉拭子。在第一次给药后的第2、4、6、8、10和12天以及第二次给药之后的第2天、4天、6天和8天进行气管灌洗。这些样品被snap冷冻,随后通过上述DF-1细胞的斑块试验测定病毒滴度。在第一次给药后的第0-10天和第12天,以及第二次给药之后的第0、2、4、6和8天,每天对动物进行临床观察。在另一项实验中,猴子在感染后第4天被安乐死。尸检时,1cm的组织块将来自肺各叶的病毒冷冻,然后在Leibovitz的L-15培养基(Invitrogen)中均质化,并通过菌斑试验分析病毒。灵长类动物实验在国际实验动物护理评估和认证协会批准的地点进行,实验方案由国家过敏和传染病研究所动物护理和使用委员会批准。

结果

表达HPIV3 HN蛋白的重组NDV-LS和NDV-BC的构建。

疫苗株NDV-LS和中基因株NDV-BC的全长抗原基因cDNA均通过将XbaI位点引入P基因的下游非翻译区(P基因-end转录信号的上游)进行修饰(图。(图1)。1). 然后使用该位点插入包含编码HPIV3 HN糖蛋白的ORF的转录盒。之所以选择HPIV3 HN蛋白作为外来插入物,是因为我们有大量的历史数据,涉及非人类灵长类动物和人类对野生型和减毒HPIV3表达的该蛋白的免疫反应。这种外源ORF被设计成在NDV基因连接之前,由一个基因末端信号、一个基因间核苷酸和一个基因启动信号组成(从上游到下游顺序)。(图1)。1). 将该盒插入XbaI位点,将HN ORF置于其自身的NDV转录信号集的控制之下,作为P和M基因之间的一个单独的附加基因。该结构的设计符合六的规则,即基因组的核苷酸长度必须是六的偶数倍,才能进行有效的RNA复制(16,31). 该插入物将NDV基因组的长度增加了1758 nt(12%),从15186 nt增加到16944 nt。

如前所述,通过在HEp-2细胞中共同转染编码每个全长抗原基因RNA的质粒以及NDV N、P和L支持蛋白来回收重组病毒(10,18). 通过对整个插入物的逆转录-PCR扩增和序列分析,确认了每个回收病毒中HPIV3 HN插入物的正确结构。病毒在鸡胚中繁殖并滴定;病毒产量为8.6×107(NDV-BC/HN)和4.0×107(NDV-LS/HN)尿囊液PFU/ml,略低于鸡胚中无插入物的亲本病毒的典型浓度,与之前公布的数据一致,该数据表明由于插入外源基因导致复制中度减弱(10,18).

重组病毒的体外特性。

为了证实HPIV3 HN插入物的表达,用NDV-LS/HN、NDV-BC/HN及其缺乏插入物的亲代病毒以每个细胞2 PFU的MOI感染DF1鸡细胞。同时,LLC-MK2恒河猴细胞被野生型HPIV3感染,感染倍数为2 TCID50每个单元格。感染后24小时,收集细胞,分离细胞内总RNA。RNA在甲醛琼脂糖凝胶中进行电泳,并使用从HPIV3 HN基因的cDNA制备的双链DNA(dsDNA)探针进行Northern杂交分析(图。(图2A)。2年). 这表明NDV-BC/HN和NDV-LS/HN(图。(图2A,2安培(分别为第2和第4条通道),每个通道都表达一个大小合适的主RNA,作为HN基因盒的单顺反子mRNA,以及一个较大的mRNA,大小合适,可以通过上游NDV P基因或下游NDV M基因读取插入的HPIV3 HN基因;该RNA未作进一步分析。HPIV3表达类似大小的单顺反子HN mRNA(图。(图2A,2安培,车道5);它的表观大小略大于任一NDV结构所表达的大小,这与由于较长的非编码序列而使其计算长度大74 nt相一致。有趣的是,NDV-BC/HN载体在感染后24小时表达的HN mRNA水平显著高于NDV-LC/HN或HPIV3。我们还将这些病毒与上述相同接种物和相同24小时感染期的Vero非洲绿猴细胞中的病毒并排进行了比较,然后用HN特异性探针进行了Northern blot分析(图。(图2B)。2B型). 观察到上述相同的mRNA谱,并且在这些条件下也观察到NDV-BC/HN病毒的较高表达水平。

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体外NDV-BC/HN和NDV-LS/HN对HPIV3 HN mRNA转录的Northern印迹分析。(A) DF-1鸡细胞(1至4道)或LLC-MK-2恒河猴细胞(5和6道)感染NDV-BC(1道)、NDV-BC/HN(2道)、NEV-LS(3道)、NIV-LS/HN和HPIV3(5道)或模拟感染(6道)。(B) 非洲绿猴Vero细胞感染了NDV-BC(第1道)、NDV-BC/HN(第2道)、NNV-LS(第3道)、NLS/HN(第一道)和HPIV3(第5道)或模拟感染(第6道)。细胞在2个PFU(NDV重组病毒)或2个TCID的MOI中感染50(HPIV3)。感染后24小时采集细胞,采集细胞内总RNA,在甲醛琼脂糖凝胶上分离,并用dsDNA探针对HPIV3 HN基因进行Northern杂交分析。显示了HPIV3 HN mRNA和一个通读mRNA的位置。

为了研究HN蛋白在细胞内的表达,DF-1细胞被NDV-BC、NDV-LS及其含HN衍生物的每个细胞2个PFU感染。同时,LLC-MK2细胞被2种TCID感染50每个HPIV3细胞或模拟感染。在感染后24小时采集细胞,并使用针对蔗糖梯度纯化HPIV3的兔抗血清进行Western blot分析:NDV-BC和NDV-BC/HN的结果如图所示。图3A。3A级HPIV3感染细胞的裂解液含有对应于P、N和M蛋白的强条带(图。(图3A,3A级,车道4)。此外,HN蛋白被检测为一个小条带,这可能反映了由于HN表位的高度构象和变性敏感性,抗血清的反应性较差(4,23). 虽然在HPIV3感染细胞的裂解液中仅能微弱地识别出HPIV3 HN蛋白,但在感染NDV-BC/HN的DF-1细胞的裂解物中明显存在适当大小的条带(图。(图3A,3A级和NDV-LS/HN(未显示),并且在感染亲本NDV-BC(通道2)和NDV-LS(未显示。

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用Western blot分析NDV-BC/HN体外表达HPIV3 HN蛋白,并将HPIV3-HN蛋白并入NDV病毒颗粒。(A) 细胞内表达。DF-1细胞(通道2和3)或LLC-MK2细胞(通道4和5)在每细胞2个PFU的MOI下感染NDV-BC(通道2)或NDV-BC/HN(通道3)或2个TCID50每个HPIV3细胞(第4道)或模拟感染(第5道)。在感染后24小时采集细胞,在变性和还原条件下用4%至12%的凝胶电泳分离,并用梯度纯化的HPIV3兔抗血清进行Western blot分析。通道1包含分子量标记,分子量显示在左侧。右侧显示了一些主要的HPIV3蛋白。(B) 将HPIV3 HN蛋白掺入NDV颗粒中。NDV-BC(第2道)、NDV-BC/HN(第3道)和HPIV3(第4道)的制剂通过蔗糖梯度沉淀进行部分纯化,并使用HPIV3特异性抗血清进行凝胶电泳和Western blot分析,如A组图例所述。通道1包含分子量显示在左侧的标记。右侧显示了一些主要的HPIV3蛋白。

将编码异源病毒跨膜蛋白的基因插入负链病毒基因组有时会导致这些蛋白并入病毒颗粒(33). 我们通过在不连续的蔗糖梯度上纯化NDV-LS/HN、NDV-BC/HN及其亲代病毒,并通过银染色(未显示)和蛋白质印迹分析分析部分纯化的制剂来研究这种可能性(HPIV3和基于NDV-BC的病毒的结果如图所示。图3B)。3B公司). 在这种情况下,通过Western blot分析检测到HPIV3 HN蛋白是HPIV3病毒制剂中的一条次要带(图。(图3B,3B公司,通道4)以及NDV-BC/HN(通道3)和NDV-LS/HN,但不包括NDV-BC(通道2)或NDV-LS(未显示)。与HPIV3相比,估计NDV-BC/HN制备中HPIV3 HN带的相对丰度很有意义。然而,NDV制剂银染凝胶中的HN带被背景带掩盖,无法直接比较银染材料(未显示)。因此,我们使用间接方法估算了该丰度。具体来说,我们测量了图所示的Western blot中NDV-BC/HN和HPIV3通道中HN带的强度。图3B。3B公司然后将每个值相对于银染凝胶(未示出)的相应泳道中的N蛋白的强度进行归一化。该值进一步标准化,以说明HPIV3和NDV的N蛋白之间的大小差异,从而将该值转换为相对摩尔量。这些计算表明,与HPIV3相比,NDV-BC/HN制剂中HN的相对摩尔量为15%。

观察到将HPIV3 HN蛋白并入NDV载体的病毒中,这就提出了一个问题,即这是否可以通过HPIV3特异性抗体产生中和敏感性。为了测试这种可能性,我们孵育了小份样品,每个样品含有50个携带HN的NDV载体的PFU,它们的亲本病毒没有插入物,或50个TCID50HPIV3与1:20至1:1280稀释的HPIV3阳性非洲绿猴血清、用梯度纯化HPIV3病毒超免疫兔子的血清或猴子或兔子的非免疫对照血清在37°C下与豚鼠补体共存1小时。通过DF-1细胞单层(NDV)或TCID的斑块试验量化每等分中残留的感染病毒50LLC-MK2细胞上的滴定(HPIV3)。尽管HPIV3特异性抗体制剂在1:1280的稀释度下完全中和了HPIV3,但即使在1:20的稀释度(未显示)下,也未观察到含有HPIV3 HN蛋白的重组NDV的中和作用。因此,即使在存在补体的情况下,HPIV3 HN蛋白并入NDV载体的病毒颗粒的水平显然不足以赋予对HPIV3中和抗体的显著敏感性。

将少量HPIV3 HN掺入重组NDV的病毒粒子中有可能引发感染。为了测试这种可能性,我们孵育了每一份含有10个5每孔携带HN的NDV载体或缺乏插入物的亲本病毒的PFU,或105TCID公司50HPIV3,与1:10至1:160稀释的鸡抗NDV血清在37°C下与豚鼠补体共存1小时。孵育后,用TCID对残余感染病毒进行定量50有效支持NDV和HPIV3复制的Vero细胞滴定。我们观察到NDV-BC和NDV-BC/HN完全中和,而(如预期的那样)NDV特异性血清没有中和HPIV3。这表明,加入NDV病毒的少量HPIV3并未赋予NDV非依赖性感染敏感细胞的能力。

NDV在非人灵长类动物的呼吸道复制中高度衰减。

我们评估了NDV-BC/HN在非洲绿猴和恒河猴中的复制和免疫原性,以及NDV-LS/HN(表(表1)。1). 四组动物通过鼻内和气管内联合途径接种106.5第0天每个站点的病毒PFU。在第28天进行第二次相同的免疫接种,以研究第一剂量的免疫反应是否会干扰第二剂量的复制和免疫原性,以及第二剂量是否会对插入特异性免疫反应产生增强作用。通过在第一次给药后的第1天到第10天、第12天和第二次给药之后的第0、2、4、6和8天用鼻吸(鼻咽)拭子收集呼吸道分泌物,以及在第一次剂量之后的第2、4,6,8,10和12天以及第2,4天用气管灌洗来监测病毒复制,第二次给药后的第6和第8次给药。通过菌斑试验分析鼻咽拭子和气管灌洗液中是否存在脱落病毒;在第一次注射NDV-BC/HPIV3-HN后的第2天,一只非洲绿猴的鼻拭子中的病毒滴度非常低(5 PFU/ml),除此之外,在两个位置均未发现任何病毒的可检测病毒(表(表11).

表1。

用表达HPIV3 HN蛋白的重组NDV感染非洲绿猴或恒河猴的呼吸道,导致病毒很少或没有脱落

病毒动物数量猴子物种病毒脱落的频率如下:
首次感染(第0天)b条签署人:
第二次感染(第28天)c(c)签署人:
鼻咽拭子气管灌洗鼻咽拭子气管灌洗
NDV-LS/HN型4年度股东大会0/40/40/40/4
NDV-BC/HN病毒4年度股东大会1/4d日0/40/40/4
NDV-BC/HN型4恒河猴0/40/40/40/4
在第0天对非洲绿猴或恒河猴进行鼻内和气管内联合接种,接种量为106.5所示病毒的PFU,每站点1 ml。
b条在第0-10天(每天)和第12天取鼻咽拭子,在第2、4、6、8、10和12天进行气管灌洗。通过斑块试验检测病毒。
c(c)在第0天、第2天、第4天、第6天和第8天取鼻咽拭子,在第2天,第4天,第6天,第8天进行气管灌洗。通过斑块试验检测病毒。
d日第2天,在一只猴子的鼻咽拭子中检测到总共5个PFU/ml。

在第二个实验中,我们通过鼻内和气管内联合途径感染了4只非洲绿猴,其中10只6.5每个站点的亲本NDV-BC病毒PFU(表(表2)。2). 第4天,对动物实施安乐死,共10 1-cm(每个)组织样本取自多个肺叶。将其均质,并通过斑块试验测定病毒滴度。每组10个样本代表一只动物,其中2或3个样本为感染性NDV阳性,滴度高达103.4每克PFU(表(表2)。2). 这表明NDV重组体在肺部的分散位置以低水平复制。接种任何重组NDV后,未观察到鼻漏、咳嗽、打喷嚏或其他疾病症状。

表2。

感染后第4天非洲绿猴肺部样本中NDV-BC的滴度

猴子没有。阳性样品数量b条平均病毒滴度(log10PFU/g)基于:
阳性样本全部10个样本c(c)
第487周231.1
W432号机组2.61.3
983323.41.2
第066周2.71.3
平均值±SE2.9 ± 0.21.2 ± 0.0
第0天,每只动物通过鼻内和气管内联合接种106.5每个站点1ml接种物中NDV-BC的PFU。第4天,对动物实施安乐死,共10 1-cm从肺部多个区域采集肺组织样本,并通过斑块分析进行分析。平均对数10给出了滴度。
b条每只猴子NDV-BC阳性样本数(共10个)。
c(c)阴性样本的数值为0.7 log10PFU用于确定方法。

用任何一株表达HPIV3 HN蛋白的NDV进行免疫,都能诱导产生高水平的针对外源抗原的血清抗体。

从感染NDV-BC/HN或NDV-LS/HN的非洲绿猴和感染NDV-BC/HN的恒河猴在第0天(首次感染前)、28天(第二次感染前)和56天(第2次感染后28天)收集血清(表(表3)。). 通过抗NDV的HAI试验评估NDV载体的血清抗体反应。NDV-LS/HN诱导血清NDV-HAI抗体滴度极低(1.8 log2,或1:3.5),而NDV-BC/HN诱导了中等水平的血清NDV-HAI抗体(4.5 log2或1:23)。第二次免疫后,到第56天,两组NDV特异性血清抗体水平均显著升高(5.8至6.8 log2,或1:56至1:111),NDV-LS/HN保持略低。

表3。

用表达HPIV3 HN蛋白的重组NDV免疫非洲绿猴或恒河猴呼吸道可诱导高水平的HPIV3特异性血清抗体

用于免疫的病毒猴子物种猴子编号或意思血清HAI抗体(倒数对数2)收件人:
净现值b条
HPIV3型b条
第0天第28天第56天第0天第28天第56天
NDV-LS/HN型年度股东大会W519型≤1c(c)15≤2c(c)710.7
W414号机组≤115≤27.38.7
9826≤137≤21111.3
第216周≤126≤21011.3
平均值1.85.88.8c(c)10.5c(c)
NDV-BC/HN病毒年度股东大会W521号机组≤1510≤2911.3
W480型≤155≤29.511.3
W490型≤136≤28.710.5
V917版≤156≤27.811.3
平均值4.56.88.8c(c)11.1c(c)
HPIV3型d日年度股东大会9833≤212
9853≤29
144不适用e(电子)不适用不适用≤2不适用9
9844≤211
平均值10.3
NDV-BC/HN病毒马来西亚令吉第13类≤137≤27.811
CK92型≤125≤2≤2(f)9
CK8F型≤157≤28.811.8
CK7A型≤177≤29.312.3
平均值4.36.58.6(f)11.7c(c)
HPIV3型d日马来西亚令吉54241≤210
54242≤212
54245不适用不适用不适用≤210不适用
54247≤210
平均值10.5
这是表中所示实验的一部分表1,1其中每只动物通过单一的鼻内和气管内联合接种106.5在第0天和第28天,每个站点的指示病毒PFU。
b条在第0天、第28天和第56天收集血清,并通过检测抗NDV和HPIV3的HAI抗体。数据代表个体值和平均值。
c(c)抗体检测下限。免疫前血清(第0天)缺乏任何一种病毒的可检测HAI抗体。NDV抗体的检测限为1倒对数2,对于HPIV3抗体,极限为2倒对数2.
d日来自先前实验的血清样本作为阳性对照。4只非洲绿猴的样本是在第56天进行单一鼻内和气管内联合接种10只后采集的6TCID公司50在单次鼻腔和气管内联合接种105TCID公司50重量为HPIV3。
e(电子)不适用。
(f)猴子CK93的首次免疫没有导致血清转化。未能感染这只动物可能是由于病毒管理方面的技术错误。因此,它被排除在平均抗体滴度的计算之外。

接下来,通过HAI测定HPIV3特异性抗体反应(表(表3)。). 第0天未检测到HPIV3特异性抗体,而第28天在两种猴子和两种NDV载体中检测到高滴度的抗体,范围为7.0至11 log2,或1:388至1:446。第二次免疫后,第56天的抗体滴度进一步增加到平均对数2NDV-LS/HN免疫非洲绿猴的滴度为10.5(1:1448),11.1log2NDV-BC/HN免疫非洲绿猴(1:2195),11.7 log2(1:3327)在NDV-BC/HN免疫恒河猴中。

为了进行比较,我们分析了先前实验中感染过10只非洲绿猴和恒河猴的平行血清6或105TCID公司50分别通过鼻内和气管内联合途径获得wt HPIV3。在之前的实验中,分别在感染后56天和28天获得血清。非洲绿猴和恒河猴的平均抗体滴度分别为1:1261和1:1448。因此,单剂量表达HPIV3 HN蛋白的任一NDV株诱导的HPIV3特异性HAI抗体水平约为HPIV3诱导的抗体水平的三倍,而第二剂量导致的滴度比HPIV3感染动物的滴度高出近两倍。

讨论

这项研究提供了证据,证明NDV是一种很有前途的人类鼻内疫苗载体。以前的一些研究表明,人副流感病毒在载体血清阴性的实验动物中被减弱并具有高度免疫原性(见引言)。这些人类病毒很有希望成为免疫学上幼稚的儿科人群的免疫载体。然而,成年人群对这些常见病原体具有免疫学经验,因此可能无法成功免疫(见引言)。通过鉴定与人类常见病原体血清型不同的载体,可以克服这一障碍;灵长类具有传染性、减毒性和免疫原性;并且能够在细胞基质中高效复制,例如适合疫苗制造的Vero细胞。NDV似乎具有这些可取的品质。

鼻内气管内免疫106.5NDV的PFU在两种非人灵长类动物中都有良好的耐受性,没有明显的疾病迹象,而且在呼吸道分泌物中最多检测到极低水平的病毒脱落。然而,病毒从呼吸道的脱落并不总是显示肺部复制的程度。例如,在感染SARS-CoV的非人灵长类动物中,肺部、气管或鼻甲组织匀浆中的病毒滴度始终高于鼻腔拭子或气管灌洗样本中的病毒(22). 因此,进行了第二次实验,直接检查非洲绿猴的肺组织,证明病毒复制率低且分散。这种高度的衰减表明NDV将是一种非常安全的鼻内载体。

以前有证据表明,NDV可导致接触该病毒的鸟类管理员发生结膜炎,导致血清转化(20,27). 虽然将NDV的致晶状体株、中胚层株或促卵泡株滴注到受伤的结膜上时,猴子可能会发生结膜炎,但在完整的结膜上方多次滴注大剂量病毒并没有做到这一点(2). 这表明人类可能感染NDV,但可能不易感染严重疾病。此外,在过去几十年的研究中,NDV的各种毒株已作为溶瘤剂非肠道给药给人,有时使用高剂量,有时涉及免疫抑制患者(26). 这些研究只涉及少数患者,没有监测病毒的复制或向性,因此没有为新冠病毒在人类中的复制提供完整的指导。尽管如此,这一经验提供了一些历史证据,表明即使在对免疫抑制个体进行大剂量肠外给药的某些极端条件下,人类对NDV也有良好的耐受性。

一次鼻内免疫106.5表达HPIV3 HN蛋白的NDV的PFU诱导了针对外源性HN蛋白血清HAI抗体的滴度,该滴度仅略低于感染野生型HPIV3所诱导的抗体滴度,并且等于或超过先前针对携带一个或两个外源性插入物的减毒BHPIV3载体的HN蛋白所诱导的滴度(36). 这种高水平的免疫原性是显著的,因为HPIV3和BHPIV3似乎比NDV复制效率更高。具体而言,携带HPIV3和BHPIV3的shed病毒的滴度比NDV的滴度高100到10000倍。我们对这些非人灵长类动物的野生型HPIV3和减毒衍生物进行免疫和挑战性研究的经验表明,这种水平的HPIV3特异性免疫将对HPIV3挑战具有高度保护作用。在用NDV载体免疫的动物中,28天后第二次给药提供了适度的提高,并导致HPIV3特异性血清抗体的滴度超过HPIV3感染后观察到的滴度。我们没有用HPIV3挑战这些双重免疫的动物,因为免疫水平很高,根据以往的经验,挑战病毒复制预计会受到高度限制(9,37).

在本研究中,NDV-BC/HN和NDV-LC/HN这两种新冠病毒株在体内的大多数方面都具有可比性。主要的差异是,新冠病毒BC/HN在第一次感染后诱导了显著更高(几乎高出八倍)的新冠病毒特异性抗体水平,尽管在第二次感染后差异要小得多。NDV-BC/HN载体也诱导了对HPIV3 HN蛋白的血清HAI抗体水平稍高,尽管这种差异只有两倍或更少。一种可能性是,NDV-LS/HN病毒在灵长类动物中的限制性略强,因此免疫原性低于NDV-BC/HN。总的来说,这表明与鸟类相比,这两种NDV菌株在灵长类动物中的感染性差异不大。可能鸟类毒力的决定因素对灵长类动物的影响不同。两株NDV株之间的另一个差异在体外很明显,即NDV-BC/HN在24小时内表达的细胞内HN mRNA水平显著高于NDV-LS/HN或意外的野生型HPIV3。以前已经注意到NDV慢生株,包括NDV-LS,在体外转录水平降低(21). 这是否影响载体的免疫原性尚不清楚,尽管本研究中NDV-LS/HN和NDV-BC/HN的比较没有提供证据表明后者的免疫原性大幅度增加,同时其体外基因表达增加。

基于NDV的疫苗有可能针对已知的高致病性病原体,如SARS-CoV、禽流感和埃博拉病毒,以及未来可能出现的任何新病原体开发。这种疫苗可以通过单次鼻内注射局部使用,以控制区域疫情,因为在这种情况下,单次免疫诱导高水平免疫的能力将是有利的。例如,疫苗也可以用于预防,以保护在此类病毒流行地区工作的医务人员。为了优化这些医务人员的免疫反应,疫苗可以单独使用,也可以与DNA疫苗等其他疫苗一起使用。由于用新城疫病毒载体疫苗进行免疫可诱导针对该载体的免疫反应,并且由于新城疫病毒株具有高度抗原相关性,因此在本研究中使用的两种剂量之外重复使用基于新城疫病毒的疫苗可能是不可行的。然而,这一问题可以通过开发基于非新城疫病毒血清型禽副粘病毒的疫苗载体来解决。已知9种禽副粘病毒血清型;NDV属于血清型1。血清型2至9的代表在鸟类中引起不同严重程度的疾病(32)我们计划对其在鸟类、啮齿动物和非人类灵长类动物中的传染性、安全性和免疫原性进行评估。

基于NDV或其他类似副粘病毒的鼻内疫苗在控制高致病性毒剂方面具有许多优势。首先,鼻内免疫可诱导局部和全身免疫,从而防止感染或降低其严重程度。一些高致病性毒剂将呼吸道作为主要入口;在某些情况下,它们广泛复制并在该部位引起疾病。限制病毒病原体在呼吸道中的复制应大大减少其向易感接触者的传播。正因为如此,呼吸道免疫的直接刺激应该会提高疫苗的效力和对局部疫情控制的有用性。第二,在呼吸道注射人副粘病毒的人体临床试验方面有丰富的经验(12-14). 人类副流感病毒尤其如此,它们是NDV和其他禽副粘病毒的近亲。这一经验将有助于指导疫苗开发。第三,如果基于NDV或类似病毒的预测试疫苗载体可用,针对任何未来可能意外出现的病原体的疫苗开发可能会很快,因为它只需要克隆保护性抗原的基因并插入载体主干。这种疫苗的临床评估、生产和交付将因先前对载体进行测试的经验而加快。第四,这种疫苗的制造和使用是安全的,因为不会涉及高致病性病毒的传播。最近在SARS-CoV工作期间发生的实验室暴发说明了这一安全特性的价值(28,29). 最后,非片段化病毒如NDV不会发生基因重组,而非片段化负链RNA病毒的RNA重组可以忽略不计(40). 这与某些现有活疫苗(如脊髓灰质炎病毒)的情况形成了对比,对于这些活疫苗,已描述了与循环菌株的重组(8)或潜在的活疫苗,如禽流感病毒或SARS-CoV,其可能分别与流通菌株重组或重组。NDV载体疫苗基本上不会与流通病毒进行基因交换,这一观察结果表明,对于单个疫苗接种者和整个人群来说,这是一个关键的安全特征。

致谢

我们感谢Brad Fineyfrock进行NDV感染并从动物身上采集生物样本,感谢Ernest Williams和Fatemeh Davoodi进行HAI分析,感谢Mario Skiadopoulos提供兔抗HPIV3血清。

该项目是NIAID校内项目的一部分。

我们对NDV载体没有商业利益。

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文章来自病毒学杂志由以下人员提供美国微生物学会(ASM)