結(jié)核病（Tuberculosis, TB）是全球致死率最高的傳染病之一，每年導(dǎo)致超百萬(wàn)人死亡。結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis, Mtb）通過(guò)空氣傳播引發(fā)慢性肺部感染，耐藥性問(wèn)題加劇了治療難度。卡介苗（BCG）作為唯一獲批的結(jié)核疫苗，對(duì)兒童播散性結(jié)核有效，但對(duì)成人肺結(jié)核保護(hù)力有限（僅 50%）。

卡介苗作為唯一獲批的結(jié)核疫苗，通過(guò)減毒牛分枝桿菌（Mycobacterium bovis）預(yù)防兒童重癥結(jié)核病，但其對(duì)成人肺結(jié)核保護(hù)率不足 50% 的缺陷持續(xù)百年未解。

近日，來(lái)自康奈爾大學(xué)、哈佛大學(xué)、匹茲堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了多項(xiàng)創(chuàng)新研究，致力于基因工程化結(jié)核分枝分支菌株的設(shè)計(jì)。Nature Microbiology 同期發(fā)表兩篇文章，研究人員對(duì)分枝桿菌進(jìn)行改造，使其內(nèi)置有終止開(kāi)關(guān)，以增強(qiáng)結(jié)核病疫苗的安全性。

第一篇文章題為“A BCG kill switch strain protects against Mycobacterium tuberculosis in mice and non-human primates with improved safety and immunogenicity”，由威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院的 Dirk Schnappinger 教授、Sabine Ehrt 教授與匹茲堡大學(xué)的 JoAnne Flynn 教授共同領(lǐng)銜，開(kāi)發(fā)了一種更安全的工程化 BCG，可強(qiáng)力預(yù)防 Mtb 感染；第二篇文章題為Engineered Mycobacterium tuberculosis triple-kill-switch strain provides controlled tuberculosis infection in animal models，由 Sabine Ehrt、Dirk Schnappinger 與哈佛大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院的 Sarah Fortune 教授、Eric Rubin 教授共同領(lǐng)導(dǎo)，獲得了一種有前景的工程化結(jié)核分枝桿菌菌株，可作為人類(lèi)攻擊研究的候選菌株。

第一項(xiàng)研究致力于讓高劑量靜脈注射 BCG 疫苗更安全，同時(shí)保持其刺激免疫的能力。研究人員在 BCG 疫苗的基礎(chǔ)上，設(shè)置內(nèi)置安全機(jī)制——卡介苗“殺傷開(kāi)關(guān)”可避免意外自感染減毒分枝桿菌的可能性。

研究人員設(shè)計(jì)了兩種內(nèi)置機(jī)制，獲得兩個(gè)基因工程菌株：需要四環(huán)素 (aTc) 或強(qiáng)力霉素 (doxy) 才能生長(zhǎng)的 BCG-TetOFF-DL 和被這些抗生素殺死的 BCG-TetON-DL。為了構(gòu)建菌株，研究人員利用在分枝桿菌噬菌體基因組中發(fā)現(xiàn)的溶菌素操縱子，它們編碼能夠殺死細(xì)菌宿主細(xì)胞的溶菌素酶。通過(guò)在 BCG 菌株中工程化表達(dá)兩種溶菌素來(lái)控制誘導(dǎo)細(xì)胞裂解，導(dǎo)致 BCG 在體外被殺死，同時(shí)逃逸突變體的頻率降低。

小鼠實(shí)驗(yàn)表明，含有這種雙重安全開(kāi)關(guān)的 BCG 疫苗可保護(hù)動(dòng)物免受結(jié)核病的侵害，效果與標(biāo)準(zhǔn)BCG 疫苗相當(dāng)，但具有更快消除和更安全的優(yōu)勢(shì)，即使對(duì)于免疫功能低下的小鼠也是如此。研究人員寫(xiě)道：“改良 BCG 引發(fā)了與野生型 BCG 類(lèi)似的免疫反應(yīng)，并為小鼠提供了類(lèi)似的保護(hù)，以抵御結(jié)核分枝桿菌的攻擊。”

在恒河猴中，與標(biāo)準(zhǔn)靜脈注射 BCG 相比，升級(jí)版自毀式 BCG 疫苗可引起更強(qiáng)的免疫反應(yīng)，對(duì)結(jié)核病的保護(hù)效果也更好。在感染活結(jié)核分枝桿菌 8 周后，接種升級(jí)版 BCG 疫苗的恒河猴中均無(wú)可檢測(cè)到的肺部炎癥。此外，8 只恒河猴中有 6 只未發(fā)現(xiàn)可恢復(fù)的活結(jié)核分枝桿菌痕跡，而 8 只靜脈注射標(biāo)準(zhǔn) BCG 的恒河猴中則有 2 只。

“我們的數(shù)據(jù)表明，這種‘終止開(kāi)關(guān)’ BCG 菌株可在肺部誘導(dǎo)更強(qiáng)烈的 CD4+ T 細(xì)胞反應(yīng)，對(duì)恒河猴的保護(hù)作用可能比 WT BCG 更強(qiáng)。8 只恒河猴中有 6 只產(chǎn)生了殺菌免疫，而 8 只接種野生型 BCG 的恒河猴中只有 2 只產(chǎn)生了殺菌免疫。因此，‘終止開(kāi)關(guān)’ BCG 菌株可提供額外的安全性和對(duì)結(jié)核分枝桿菌感染的強(qiáng)大保護(hù)。”

在另一項(xiàng)研究中，研究人員設(shè)計(jì)了一種具有三個(gè)“殺傷開(kāi)關(guān)”的結(jié)核分枝桿菌菌株：兩個(gè)由 aTc 或多西環(huán)素負(fù)向調(diào)控的噬菌體溶菌素操縱子和一個(gè)降解域-NadE 融合。這種三重殺傷開(kāi)關(guān) (TKS) 結(jié)核分枝桿菌菌株在存在 aTc 和 TMP 的情況下生長(zhǎng)，而在不存在 aTc 和 TMP 的情況下則不會(huì)生長(zhǎng)。

在體內(nèi)，TKS 結(jié)核分枝桿菌在接受 aTc 和 TMP 抗生素的小鼠中可產(chǎn)生與野生型相當(dāng)?shù)母腥荆⑶以诓淮嬖?aTc 和 TMP 的情況下迅速被根除，未觀察到復(fù)發(fā)。TKS Mtb 表現(xiàn)出較低的逃逸率（每代每個(gè)基因組不到 10 –10）和快速的消除動(dòng)力學(xué)，這兩者對(duì)于用于結(jié)核病人體挑戰(zhàn)研究的 Mtb 菌株來(lái)說(shuō)都是關(guān)鍵的安全因素。

盡管這些結(jié)果在動(dòng)物模型中表現(xiàn)優(yōu)異，要將這一技術(shù)成功轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量的后續(xù)研究。人體挑戰(zhàn)試驗(yàn)是必不可少的步驟，科學(xué)家們必須確認(rèn)這種基因工程菌株在人體中的安全性和有效性。雖然現(xiàn)有的動(dòng)物數(shù)據(jù)非常有希望，但只有在受控的臨床試驗(yàn)中，才能真正評(píng)估這種疫苗在人體中的表現(xiàn)。因此，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)，利用目前的技術(shù)平臺(tái)，進(jìn)一步擴(kuò)展人體實(shí)驗(yàn)，確保每一步都符合最嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

1.Alexander A. Smith et al, A BCG kill switch strain protects against Mycobacterium tuberculosis in mice and non-human primates with improved safety and immunogenicity, Nature Microbiology (2025). DOI: 10.1038/s41564-024-01895-4

2.Xin Wang et al, Engineered Mycobacterium tuberculosis triple-kill-switch strain provides controlled tuberculosis infection in animal models, Nature Microbiology (2025). DOI: 10.1038/s41564-024-01913-5

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