利用黏膜免疫開發保護性疫苗

引言

黏膜表面，包括呼吸道、胃腸道和女性生殖道，是許多病原體感染的主要入侵門戶。然而，傳統的非腸道（如肌肉注射）疫苗接種常常無法引發有效的黏膜免疫。黏膜遞送的疫苗通過增強前線防御和誘導局部、病原體特異性的免疫反應，提供了一種有前景的策略。最近的研究表明，黏膜疫苗能夠誘導組織駐留記憶T細胞和B細胞，以及強大的局部抗體分泌，從而預防感染和傳播。然而，由于黏膜部位復雜的免疫環境（包括上皮屏障、黏液成分差異、pH差異和激素影響），在這些部位實現滅菌免疫極具挑戰性。因此，開發能夠安全、有效地誘導持久保護的黏膜疫苗，需要深入理解并利用多層級的黏膜免疫機制。

一、黏膜免疫的誘導與效應機制

黏膜免疫的誘導和效應部位之間的相互作用塑造了其獨特的免疫應答。雖然每個組織具有獨特的解剖和免疫學特征，但它們也共享核心的保護機制。誘導部位啟動抗原取樣、T細胞和B細胞的活化以及組織歸巢程序的生成。效應部位則富含分泌型IgA的漿細胞，它們通過多聚免疫球蛋白受體轉運的多聚體IgA提供一線防御。此外，所有黏膜部位都依賴于組織駐留記憶細胞群——包括組織駐留記憶T細胞和組織駐留記憶B細胞——這些細胞在病原體再次暴露時介導快速的回憶反應。

呼吸道的免疫特征與疫苗策略

呼吸道作為抵御空氣傳播病原體的主要入口，其免疫必須平衡病原體清除與對吸入顆粒的免疫耐受。上呼吸道含有鼻相關淋巴組織，這是一個黏膜免疫反應的專門誘導部位。上皮層覆蓋的NALT和扁桃體含有微皺褶細胞，可將吸入的抗原轉運至下方的抗原呈遞細胞。此外，呼吸樹突狀細胞將其樹突延伸至鼻上皮，捕獲管腔抗原并運輸至引流淋巴結進行活化。在誘導部位內，CD4? T細胞與B細胞相互作用，驅動IgA類別轉換和漿細胞分化。

抗原在NALT、扁桃體和引流淋巴結中的呈遞產生抗原特異性記憶T細胞和B細胞，其中一些遷移回呼吸道黏膜并分化為組織駐留記憶T細胞和組織駐留記憶B細胞，而另一些則再循環并根據局部趨化因子信號被募集到其他黏膜效應部位。例如，CCR10–CCL28信號引導IgA? B細胞到達鼻甲。效應部位的IgA產生漿細胞將二聚體或多聚體IgA分泌到管腔中，形成分泌型IgA。研究表明，針對SARS-CoV-2刺突蛋白的鼻腔SIgA比IgG具有更優越的病毒中和活性和更廣泛的變異株覆蓋能力。高黏膜IgA水平與降低的Omicron突破性感染風險相關。

重要的是，通過鼻內給予減毒流感疫苗FluMist，可以在上呼吸道誘導持久的抗原特異性IgG?和IgA?記憶B細胞，而肌肉注射滅活流感疫苗則不能。這表明誘導上呼吸道強大的分泌型IgA反應對于實現有效保護至關重要，而這通常無法通過非腸道疫苗接種單獨實現。呼吸道黏膜中還含有記憶淋巴細胞，包括CD4?和CD8? T細胞以及B細胞，這些對于抵抗呼吸道病原體的持久保護至關重要。

一些繞過鼻腔防御的病原體可以擴散到下呼吸道。在肺部，感染可引起嚴重的炎癥和組織損傷。病毒感染時，肺上皮細胞作為啟動先天免疫反應的前線傳感器。樹突狀細胞識別病原體相關分子模式后，遷移至肺引流淋巴結，處理和呈遞病毒抗原給初始T細胞和B細胞，從而啟動適應性免疫反應。細胞和體液免疫共同促進肺部病毒清除。例如，在流感病毒感染模型中，肺組織駐留記憶B細胞可以分化為漿細胞，形成可誘導的支氣管相關淋巴組織，這是一種能夠在二次攻擊后支持局部生發中心形成的異位淋巴結構。因此，在肺部建立記憶淋巴細胞群是疫苗策略的一個關鍵目標。

胃腸道的免疫特征與疫苗策略

胃腸道免疫系統的基本需求是維持對食物抗原的耐受、與微生物群的共生以及對病原體的防御。腸道內襯有單層柱狀上皮，包含多種分泌細胞類型。黏液潤滑腸道上皮的管腔面，捕獲微生物并促進蠕動。其下的固有層包含有組織的淋巴聚集體（如派爾集合淋巴結和孤立淋巴濾泡）和彌散的淋巴聚集體，統稱為腸相關淋巴組織。

派爾集合淋巴結和一些成熟的孤立淋巴濾泡位于專門的濾泡相關上皮之下，該上皮裝飾有微皺褶細胞和上皮內樹突狀細胞，以將管腔抗原轉運至下方的誘導部位。抗原呈遞細胞遷移至腸相關淋巴組織或引流腸系膜淋巴結內的誘導部位后，局部環境塑造淋巴細胞分化。腸道抗原呈遞細胞的固有特性賦予淋巴細胞獨特的遷移能力。例如，派爾集合淋巴結的樹突狀細胞能在T細胞和B細胞上印記腸道歸巢標志物。這種印記被發現依賴于腸道樹突狀細胞分泌的視黃酸。

活化和印記后，淋巴細胞遷移至腸上皮和固有層以建立駐留。上皮內淋巴細胞，包括常規組織駐留記憶T細胞和天然上皮內淋巴細胞，戰略性地定位在上皮單層中，以在識別同源抗原或應激誘導分子時攔截病原體并動員局部防御。固有層組織駐留記憶T細胞同樣發揮保護功能，并表現出與其上皮內淋巴細胞對應物不同的功能能力。TGF-β長期以來被認為是腸道CD8?組織駐留記憶T細胞的關鍵分化細胞因子。

組織駐留B細胞和漿細胞同樣有助于腸道免疫，并受腸道環境影響。IgA，主要來自固有層漿細胞的分泌型IgA，是腸道中的主要抗體同種型，通過直接中和和免疫排斥發揮針對腸道感染的保護功能。在人類下消化道中，IgA2比IgA1更豐富。IgA還通過調節腸道微生物群的組成、組織和功能來維持腸道穩態。腸道IgG也針對某些腸道病原體具有保護作用。

這些免疫回路的功能潛力進一步受到局部環境輸入（如腸道微生物群和膳食代謝物）的影響。例如，介導微生物和膳食代謝物識別的芳香烴受體促進CD103?組織駐留記憶T細胞分化。同樣，微生物群衍生的短鏈脂肪酸通過改善樹突狀細胞中的維生素A代謝和增強腸道B細胞的代謝能力來增強腸道IgA反應。

女性生殖道的免疫特征與疫苗策略

女性生殖道包含解剖和免疫學上不同的上部和下部，每個部分都具有特殊的上皮屏障和免疫微環境。宮頸黏液主要來源于宮頸內膜腺體，并在體積和粘度上經歷激素依賴性周期性變化。酸性陰道pH由以乳酸桿菌為主的微生物群維持，它們代謝從雌激素條件化上皮脫落的糖原并將其轉化為乳酸。乳酸桿菌占主導的陰道微生物群還與減少的炎癥和降低的HIV-1感染易感性相關。

整個女性生殖道的上皮細胞表達廣泛的模式識別受體，性激素動態調節其表達和下游信號傳導。專門的抗原呈遞細胞提供持續的免疫監視，取樣管腔抗原并遷移至區域引流淋巴結以啟動適應性免疫反應。女性生殖道維持著強大的組織駐留記憶T細胞群，可在病原體暴露或疫苗接種后提供快速、局部化的保護。陰道組織駐留記憶T細胞的生成通常需要炎癥信號，以促進循環T細胞的募集和滯留。

與其他黏膜表面以分泌型IgA為主不同，宮頸陰道分泌物在人類中表現出更高濃度的IgG。循環IgG通過被動滲出到達管腔，并通過FcRn主動轉運進入女性生殖道上皮。相反，二聚體IgA主要通過pIgR介導的跨細胞作用穿過腺體上皮到達女性生殖道分泌物。IgG和IgA的水平在月經周期中波動顯著。值得注意的是，下女性生殖道缺乏與胃腸道豐富的腸相關淋巴組織相當的結構化淋巴組織，因此需要從引流淋巴結或位于上女性生殖道的誘導部位募集局部抗體分泌細胞。

二、誘導黏膜免疫的疫苗策略

誘導黏膜免疫的疫苗策略旨在克服傳統非腸道（如肌肉注射）疫苗接種在激發有效黏膜保護方面的局限性。這些策略的核心在于通過黏膜途徑（如鼻腔、口腔或陰道）直接遞送疫苗，以模擬自然感染過程，從而在病原體入侵門戶建立強大的前線防御。

1. 黏膜遞送平臺與病毒載體策略

一些肌肉注射疫苗，如減毒麻疹疫苗，因其復制能力和包括呼吸道在內的全身擴散，能夠提供強大而持久的呼吸道保護，誘導了全身和黏膜免疫。然而，大多數黏膜傳播的病毒不需要全身感染即可傳播，因此并非所有注射疫苗都能對呼吸道病原體提供強有力的保護。為了克服這一局限，黏膜遞送平臺因其能夠直接靶向呼吸道而受到關注。

復制缺陷型或減毒病毒載體提供了獨特的免疫學優勢，它們能直接感染呼吸道上皮細胞并表達抗原，從而實現抗原呈遞細胞的內在激活，并誘導強大的B細胞和T細胞反應，而無需額外佐劑。因此，病毒載體已成為鼻內疫苗遞送的領先候選者。例如，鼻內加強接種表達刺突蛋白的MVA，能在SARS-CoV-2感染的嚙齒動物和非人靈長類動物中誘導強大的中和抗體并減少肺部的病毒負荷。此外，將肌肉注射啟動與鼻內加強相結合的方案，已在非人靈長類動物中證明了強大的全身中和抗體、局部IgG和IgA反應以及CD4?和CD8?組織駐留記憶T細胞反應。然而，在人類中，ChAdOx1 nCoV-19的鼻內噴霧制劑引發了不一致的黏膜反應和較弱的全身免疫力。盡管如此，基于腺病毒載體的幾種鼻內COVID-19疫苗已在一些國家獲得許可，凸顯了該方法的臨床可行性。

2. 無佐劑鼻內加強策略與免疫回路

盡管鼻內疫苗潛力巨大，但由于鼻黏膜與中樞神經系統的解剖學鄰近性，其安全性需嚴格評估。為此，人們探索了無佐劑的鼻內加強策略。在嚙齒動物中，用編碼刺突或HA的mRNA-LNP疫苗進行肌肉注射啟動，隨后鼻內遞送無佐劑的重組刺突或HA蛋白，已顯示出強大的免疫原性，且在上呼吸道和下呼吸道均未引起不良炎癥。這些策略能誘導強大的組織駐留記憶T細胞和組織駐留記憶B細胞反應，以及全身和黏膜IgG和IgA抗體產生，從而對流感和SARS-CoV-2提供近乎滅菌的免疫力。

其機制在于，啟動后形成的記憶CD4? T細胞充當了天然佐劑。它們通過參與單核細胞來源的樹突狀細胞，并利用CXCR3–CXCL9/CXCL10軸募集記憶T細胞和B細胞，從而促進IgA類別轉換重組和局部回憶反應。重復的鼻內加強能進一步增強回憶反應，建立保護性免疫。異源加強還能促進交叉反應免疫。這些發現揭示了有效黏膜疫苗設計的幾個關鍵原則：首先，在啟動期間產生外周記憶T細胞和B細胞庫；其次，將抗原直接靶向遞送至呼吸道黏膜；第三，記憶CD4? T細胞介導的記憶淋巴細胞從外周淋巴結的募集；最后，組織駐留記憶B細胞分化為局部IgA分泌漿細胞。這表明存在一種利用預先存在免疫力的免疫回路，以在肺部誘導多層級的保護性回憶反應。

3. 靶向引流淋巴結與緩慢遞送策略

對于有效的黏膜IgA產生，引流淋巴結中啟動的IgG? B細胞是黏膜組織中IgA分泌細胞的主要來源。在同一淋巴結中進行加強可促進生發中心再進入和快速的二次抗體反應。mRNA-LNP注射疫苗已被證明能在引流淋巴結中引發強大而持久的生發中心反應。因此，通過持續有效的非腸道疫苗接種靶向相同的引流淋巴結，是通過有效募集外周記憶T細胞和B細胞庫來增強保護性黏膜免疫的關鍵策略之一。

此外，緩慢遞送免疫策略已被證明可以增強引流淋巴結中生發中心的持久性，并在小鼠和非人靈長類動物中產生持久的中和抗體反應，這為優化長期保護提供了另一種潛在工具。

4. 胃腸道黏膜免疫的誘導策略（口服疫苗）?

口服免疫以液體溶液或固體膠囊形式，已成為預防腸道感染的臨床驗證模式。大多數已獲許可的口服疫苗使用減毒活疫苗株，利用其天然的腸道嗜性、固有的佐劑特性和部分感染能力來誘導強大的局部免疫反應。例如，口服傷寒疫苗Vivotif使用減毒Ty21a傷寒沙門氏菌株，能在小腸中生成CD4?和CD8?組織駐留記憶T細胞。口服輪狀病毒疫苗能產生糞便和唾液IgA滴度，這是針對輪狀病毒感染的保護相關性指標。

非腸道免疫足以控制某些特定的腸道感染，例如脊髓灰質炎。然而，口服脊髓灰質炎疫苗能防止糞便病毒脫落，而滅活脊髓灰質炎疫苗則不能，這凸顯了黏膜疫苗接種在限制腸道黏膜內感染方面的潛力。在臨床前模型中，已探索了異源啟動-加強策略，將全身免疫力與腸道黏膜聯系起來。對于尚無疫苗的常見腸道病原體（如諾如病毒），口服加強可能是補充現有非腸道平臺、驅動有效保護所需黏膜免疫的有效方式。

5. 女性生殖道黏膜免疫的誘導策略

針對性傳播感染的免疫策略需要在女性生殖道建立多層免疫，結合生殖道分泌物中有效濃度的高親和力抗體與上皮表面持久的組織駐留記憶T細胞庫。目前的策略強調產生高全身IgG滴度及其向宮頸黏液的有效轉移。然而，僅靠循環抗體和T細胞很少能在穩態條件下在上皮屏障處提供足夠的黏膜免疫。因此，下一代疫苗策略必須設計為通過局部免疫方法或利用從外周部位來的黏膜免疫細胞歸巢，來促進女性生殖道的直接黏膜免疫。

“啟動-牽引”疫苗接種策略是一個兩階段方法，旨在在女性生殖道建立組織駐留記憶T細胞群。全身啟動產生循環效應T細胞，隨后使用趨化因子或輕度炎癥線索在女性生殖道進行局部“牽引”，將這些循環效應細胞募集到生殖道黏膜組織。然而，“牽引”線索不提供局部抗原，因此無法建立局部B細胞反應，且提供牽引信號的時間窗口受啟動后效應反應峰值的限制。因此，全身啟動 followed by 黏膜加強的混合方法正在成為一種有前景的替代方案。

此外，利用工程共生微生物作為黏膜疫苗載體是另一個有趣的探索方向。陰道乳酸桿菌菌株經過工程改造可分泌抗病毒蛋白或表達病毒抗原，已在臨床前模型中證明了持久的定植和局部黏膜抗體反應的持續誘導。

6. 利用共同黏膜免疫系統進行遠端免疫

通過黏膜組織（例如鼻內和/或舌下）進行免疫，可以利用共同黏膜免疫系統，印記隨后可歸巢到遠端黏膜部位的B細胞和T細胞。例如，鼻內疫苗接種能在陰道分泌物中誘導出高水平的抗原特異性IgA和IgG。在非人靈長類動物中，用gp41-病毒體進行鼻內加強，能使宮頸陰道分泌物具備阻斷跨細胞作用的IgA和具有抗體依賴性細胞毒性能力的IgG，共同賦予了對反復高劑量陰道猿猴免疫缺陷病毒攻擊的滅菌保護。舌下途徑也正在成為靶向女性生殖道的無針頭、熱穩定策略。

總之，誘導有效黏膜免疫的疫苗策略是多樣且相互關聯的，關鍵在于通過適當的途徑和制劑將抗原遞送至黏膜誘導部位，并充分利用系統性與局部免疫之間的協同作用，最終在入侵門戶建立起由抗體、組織駐留記憶細胞和上皮屏障構成的多層級防御體系。

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三、佐劑、制劑和遞送載體

黏膜疫苗技術必須應對保守的生物物理和生理限制，包括粘彈性、帶負電的黏液、上皮緊密連接、富含酶的管腔和快速清除以及復雜的共生生態系統，同時提供足夠的佐劑信號以激活局部抗原呈遞細胞而不破壞屏障穩態。制劑被設計為將抗原和先天激動劑共定位在同一抗原呈遞細胞中，延長抗原可用時間，并將貨物遞送到預期誘導或回憶的解剖區室。

在鼻疫苗的背景下，天然聚合物（如殼聚糖）已顯示出固有的黏膜粘附特性，從而促進抗原攝取，并具有良好的生物降解性和低毒性。合成聚合物具有高度可調性，能夠實現受控抗原釋放和靶向遞送至鼻腔和肺部的免疫細胞。納米凝膠代表另一類有前景的遞送載體。這些納米材料穩定蛋白質抗原的天然構象，并通過靜電相互作用延長抗原在鼻腔的停留時間，從而促進持續的抗原暴露和免疫原性。呼吸遞送裝置是黏膜疫苗接種的關鍵組成部分，因為它們影響抗原沉積的效率和解剖部位。

陰道和宮頸黏膜施加了額外的限制：低pH、周期性激素調節、以乳酸桿菌為主的微生物群和更高的組織敏感性。傳統的黏膜佐劑對于在女性生殖道中使用來說反應原性太強，但解毒衍生物已顯示出前景。一種方法是設計TLR激動劑，以優先激活生殖道抗原呈遞細胞而不引起過度炎癥。其他改善遞送的方法包括能夠實現均勻上皮覆蓋、更深滲透到皺襞中并改善陰道滯留的黏液穿透納米顆粒。能夠嵌入抗原和佐劑并在陰道穹窿中持續數天釋放的聚合物庫是能夠調節疫苗動力學的黏膜粘附制劑的進一步例子。

將亞單位或非復制病毒載體疫苗遞送至腸道因胃的蛋白水解內容和腸道pH的變化而面臨獨特的挑戰。因此，疫苗成分的配方對于確保靶向遞送和限制過早降解至關重要。膠囊策略（如Vivotif傷寒疫苗中使用的）通過刺激響應性腸溶包衣或組合，為靶向腸道遞送提供了一個熟悉的平臺。與宏觀遞送系統（如藥丸或片劑）相比，微粒和納米顆粒提供了更精確的疫苗貨物遞送和功能化。

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結語

黏膜組織持續暴露于多種空氣和環境病原體。針對這些黏膜病原體的有效保護需要快速、局部化的免疫反應。然而，大多數目前批準的疫苗是通過肌肉注射給藥的，主要誘導全身免疫，這通常無法在黏膜表面提供足夠的保護。相比之下，黏膜疫苗代表了一種有前景的策略，可以在身體的主要黏膜部位建立局部、保護性免疫。

黏膜疫苗相對于傳統注射平臺具有明顯優勢。它們可以無需針頭給藥，減少疼痛并提高疫苗接受度。這些途徑還提供了自我給藥和增強可及性的潛力，最重要的是，它們可以誘導全身和黏膜免疫，包括強大的IgA反應和組織駐留記憶形成，這對于阻斷傳播和再感染至關重要。盡管有這些好處，幾個關鍵挑戰仍然存在。這些包括：（1）理解環境因素如何調節全身和局部免疫反應；（2）確定宿主因素如何影響疫苗效力；（3）開發安全有效的遞送系統和佐劑，避免過度炎癥和向中樞神經系統的溢出；（4）在黏膜部位建立廣泛而持久的免疫記憶；（5）為黏膜免疫定義經過驗證的保護相關性，這仍然是疫苗開發和監管批準的主要障礙。識別可靠的標志物，如黏膜IgA滴度、記憶淋巴細胞頻率、局部細胞因子譜或整合的免疫特征，對于預測疫苗效力和指導臨床試驗設計至關重要。

未來對該領域研究的投資不僅將推進黏膜免疫學領域，還將為開發能夠預防呼吸道、胃腸道和性傳播感染的新一代疫苗奠定基礎。

參考資料：

Harnessing mucosal immunity for protective vaccines. Nat Rev Immunol. 2026 Feb 16.

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