[转移贴]计算机辅助疫苗设计技术

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原贴由Rojjer发表于 2008-3-30 11:30

计算机辅助疫苗设计技术诞生的时代背景 　　疫苗的发明极大地促进了人类健康事业的发展。但是，人类的生命与财产仍面临巨大的威胁。 正因为如此，人类社会才迫切需要更快地拥有更多、更安全、更可靠的新的疫苗产品。 　　当前的疫苗研发工作，一方面已经从传统减毒的或灭活的病原微生物发展到基因重组疫苗、亚单位　疫苗、甚至表位疫苗；从细胞、分子乃至表位水平对疫苗进行设计与优化的研究和技术，已发展成为一门称之为抗原工程的新兴学科。另一方面，目前的疫苗研发已从传统的预防性疫苗发展到治疗性疫苗，适用范围从原来单纯的传染病预防发展到对过敏性疾病、自身免疫性疾病、器官移植性疾病、不孕不育症、老年痴呆、肿瘤等各种疾病的预防和治疗。随着人类基因组计划的完成与多种病原微生物基因组的阐明，人类已进入以阐明基因功能为主的后基因组或蛋白组时代；确定病原蛋白的“表位组”，绘制相应表位图谱是其中一项重要研究内容。正是在这样的背景下，2000年，Hagmann在《Science》上的一篇评论中率先提出了“计算机辅助疫苗设计”(Computers Aid Vaccine Design, CAVD)的新概念用以概括这一生物信息技术新领域，并引起了业界的广泛关注(见图1)。 计算机辅助疫苗设计技术的原理与方法 　　事实上，在计算机辅助疫苗设计这一新名词提出前，运用计算机进行表位预测的研究已经进行了20多年。而表位的理论预测与评估正是当前计算机辅助疫苗设计的核心研究内容。 所谓表位(epitope)就是抗原中能被免疫细胞特异性识别的线性片段或空间构象性结构，是引起免疫应答和免疫反应的基本单位。如果我们将抗原比作一篇文章，那么表位就好比文章的关键词；而表位簇集区域就好比是摘要。根据表位特异性免疫应答的程度，可将抗原中的表位分为免疫优势表位、亚优势表位和隐性表位；根据表位对机体的影响，可分为保护性表位(免疫位)、致病性表位(变应位)、耐受性表位(耐受位)；根据识别的免疫细胞，可分为B细胞表位、辅助性T细胞(Th)表位、细胞毒性T细胞(Tc)表位等(见图2~4)。 　　目前，计算机辅助疫苗设计的主要研究内容是B细胞表位、Th表位、Tc表位的预测与评估。 　　大部分B细胞表位预测的方法以唯象理论(Phenomenological theory)为基础，通过计算蛋白亚序列的理化性质或二级结构，利用B细胞表位与上述理化特性或二级结构的相关性进行预测。对蛋白序列局部理化性质或二级结构倾向的理论计算大多依据相应的属性量表，这些量表可通过实验或统计分析得到。常用的量表如Janin可及性量表、Hopp和Woods亲水性量表、Thornton突出指数量表、Welling抗原性量表等，(示例见图5)。20多年来，经典量表时有优化，经典算法常综合运用，新量表与新算法不断涌现。但是，这类方法只能预测由连续的氨基酸残基构成的线性B细胞表位，且不够准确。 　　T细胞表位的预测研究启始于对Th表位的预测。早期的Th表位预测明显受B细胞表位预测思路的影响，不少研究试图从实验证实的Th表位中找出它们在理化特性或二级结构上的共同特征并在一定程度上获得了成功，第一个Th表位预测程序AMPHI就是早期研究的代表作品。二十世纪80年代末90年代初， MHC-I类分子晶体结构的阐明和多种Tc表位基序的发现使Tc表位预测研究率先取得突破。这带动了MHC- II类分子晶体结构与各种Th表位基序的揭示，使Th表位预测摆脱了B细胞表位预测思路的影响。 　　目前，对Th表位和Tc表位的预测大都基于IBS(independent binding of side chain)假说，即假定肽段中每个残基都相互独立地以一定结合能影响肽段与MHC分子的亲和力，肽段与MHC分子的结合是其每个位置上残基结合能的综合。使用的方法包括矩阵、人工神经网络(artificial neural network , ANN)、隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model，HMM)等；近年，也有通过比较分子力场分析(comparative molecular field analysis, CoMFA)和比较分子相似性指数分析(comparative molecular silmilarity indices analysis, CoMSIA)等三维定量构效关系研究来进行Tc表位预测的尝试。对Tc表位预测的探索虽然起步最晚，但进展最快，研究最深入，预测最成功。 　　目前，对Tc表位的预测，研究内容已经不只限于对MHC-I类分子结合及其结合能力的预测，而且还拓展到对候选Tc表位自然产生可能性及其转运效率的预测，即对蛋白酶体酶切位点及抗原处理相关转运蛋白(transporters associated with antigen processing, TAP)的转运进行预测，范围涵盖整个抗原处理与递呈过程。同时，近些年的研究越来越重视杂合性T细胞表位、超型表位及表位簇集区域的预测。 计算机辅助疫苗设计技术的应用与常用工具 　　经过20多年的发展，世界各地的研究小组已经开发构建了不少专业的程序、数据库、Web服务器等计算机辅助疫苗设计工具。现摘其常用的简述如下： 　　对于多数研究者而言，常可直接利用开放的专业Web服务器、数据库及相应在线服务。如：BIMAS、EpiPredict、FIMM、FragPredict、HIV-MID、JenPep、MHCPEP、NetChop、PAProC、PREDEP、Predict、ProPred、ProPred1、SDAP、SYFPEITHI等。 　　由于治疗性疫苗日渐成为生物技术产业的一个重要领域，出于商业需要和信息安全的考虑，单机版的或不向公众开放的计算机辅助疫苗设计工具仍有很大的意义。专门的B细胞表位预测软件有PREDITOP、ADEPT、PEOPLE等，但更为常用的是一些综合性序列分析软件(如OMIGA、UWGCG、ANTHEPROT等)中所包含的B细胞表位预测功能；常用的T细胞表位预测软件则有AMPHI、Tepitope、TSites、EpiMer、EpiMatrix等。 　　计算机辅助疫苗设计技术已经广泛用于治疗性疫苗，尤其是表位疫苗的设计与开发中。但是，对于有些疫苗的研究开发，或者相应的完整抗原不容易克隆和高效率表达以及分离纯化；或者完整病原微生物或相应抗原具有很大毒副作用；或者传统疫苗难以奏效。这时，可以考虑开发亚单位疫苗甚至表位疫苗。进行表位预测可以帮助研究者尽快找到具有相同或相似抗原特异性与免疫保护作用，但却不再具有完整蛋白毒性的抗原片段。研究表明，采用计算机辅助的方法，可以使发现新表位的效率提高10到20倍，减少95%的实验工作量，可节约大量研究经费并大大地加快新表位的发现。 　　例如，利用可动性参数进行B细胞表位预测来从天然蛋白中筛选出的肽段，其相应抗体往往能与天然蛋白本身发生交叉反应。这具有重要的实用价值，相应于预测表位的抗体既可用于亲和层析，达到分离纯化完整蛋白抗原的目的，又可用于免疫组化或其它免疫反应而有助于基础研究与临床诊断，甚至可以开发为临床诊断试剂。 　　又如，Th细胞的免疫功能对体液免疫及细胞毒性T细胞免疫功能有重要的辅助作用，因此，Th表位预测已经广泛用于各种亚单位疫苗的研究中。Consogno等在设计肿瘤多肽疫苗的研究中，首先是采用TEPITOPE这样一个Th表位预测软件对靶抗原MAGE-3序列进行扫描，预测杂合性T细胞表位。Th表位预测的一项重要研究成果是泛DR表位(pan-DR epitope, PADRE)。它是一个含13个氨基酸残基的人造通用Th表位，已经广泛应用于各种预防性与治疗性的细胞与体液免疫疫苗的研究中。 　　Weber等将一个MAGE-3的CTL表位、PANDRE、不完全弗氏佐剂混合，用于治疗黑色素瘤的Ⅰ期临床试验中，结果病人能产生针对CTL表位与PANDRE的免疫应答；BenMohamed等将一个含巨细胞病毒表位的脂肽与PADRE共价连接后鼻内使用，结果引起相应转基因小鼠的全身细胞免疫应答；Decroix等将HIV gp41的一个B细胞表位ELDKWA与PANDRE线性连接后肌肉注射，引起了针对ELDKWA的IgA抗体，达到了粘膜免疫的效果。 　 计算机辅助疫苗设计的产业前景 　　随着人类基因组计划的完成与多种病原微生物基因组的阐明，众多跨国企业集团和数万家生物制药企业或生物技术公司，都希望利用基因组学的大量信息来开发包括疫苗在内的新产品。因为发现一个新的免疫优势表位和发现一个新的基因一样，都蕴藏着巨大的财富。据统计，近年FDA批准上市的生物技术药物中抗体药物位居第一，而在FDA批准进入临床试验的生物技术药物中则是治疗性疫苗位居第一。近两年来，全世界有15个新疫苗上市，25个产品处于临床试验的最后阶段，400多种疫苗处于研发早期的不同阶段，其中大部分是治疗性疫苗。它们中大多数都采用了计算机辅助疫苗设计技术。 　　尤其值得一提的是，世界首富比尔.盖茨对这一领域的大力赞助。拥有上百亿美元的比尔.盖茨基金会将主要资金投向了生物技术产业，尤其是疫苗领域。而比尔.盖茨直接对计算机辅助疫苗设计技术的赞助也在百万美元以上(见图6)。 　　计算机辅助疫苗设计技术正带动着生物技术产业的一个新兴领域飞速发展。Roche等国际制药巨头的涉足，Epivax、Biomira、Epimmune、Medimmune、Pharmexa等一批本领域高科技公司的兴起，使本领域的商业活动与相关交易异常活跃。其中不少公司已在Nasdaq上市，如Epimmune(Nasdaq：EPMN)、Medimmune(Nasdaq:MEDI)。其中，Epimmune公司(Nasdaq：EPMN)发现鉴定的一个可能用于乳癌、肺癌、结肠癌治疗的候选"先导表位"，在1999年以200万美元卖给了美国Searle公司(Monsato公司制药部)。而靠着它们的另一项专利成果PADRE，Epimmune公司从Elan公司、Pharmexa公司获得了不菲的非独占授权费，而后，Genencor公司更为此付出了6000万美元的独占性授权费，此外，Epimmune公司今后还将享有上述3家公司所有PADRE相关产品的销售提成。 　　在国内，第三军医大学免疫学研究所采用多项计算机辅助疫苗设计技术，设计、合成、筛选了200多种多肽表位结构，得到了较为理想的一种先导结构，经进一步优化后作为国家I类新生物制品药物来开发。1998年，上市公司重庆啤酒集团(重庆啤酒 600132)以2000万元人民币购买了该技术成果，并与第三军医大学共同组建了重庆佳辰生物工程有限公司。该公司在重庆市大渡口区圈地90余亩，用于(合成肽)乙肝疫苗等项目的开发和生产。2003年3月一期工程全面完成，并通过GMP认证。2003年6月25日，重庆啤酒公告称，其控股子公司重庆佳辰生物工程有限公司开发研制的国家一类新药───“治疗用合成肽乙型肝炎疫苗”，已获得国家食品药品监督管理局正式行文批准(批件号为：2003L02192)进入一期临床试验，这标志该药的研发已进入人体试验阶段。2003年11月27日，国家重点科技攻关项目治疗用(合成肽)乙肝疫苗临床试验项目启动会在北京召开，媒体的报道使重庆啤酒的股票一度涨停。5年来，重啤股份共向该项目投入研制费用1.5亿元人民币。 　　总之，虽然计算机辅助疫苗设计的技术仍有待完善，疫苗设计相关产业刚刚兴起，但是，应用计算机辅助疫苗设计技术进行疫苗研究与开发，正在成为疫苗研发的一个必经环节。计算机辅助疫苗设计技术不仅将可能发展成为未来新型疫苗工业的一种标准，而且相关技术的应用空间将得到进一步的拓展。除了用于新型疫苗的设计研发外，也将大大有助于新基因的发现、新药新诊断试剂的开发及新老基因工程药物的免疫优化