[科普中国]-基因食物疫苗

概述

基因食物疫苗，又称疫苗食品，是基因工程界针对传统疫苗的种种局限性，通过细胞工程、基因改良等生物工程技术开发出来的食品，对增进人类健康和延长寿命具有积极的意义。疫苗食品生产技术是将微生物的有关蛋白质(抗原)基因，通过转基因技术导人某些植物或动物受体细胞中，并使其在受体细胞中得以表达，从而使受体直接成为能抵抗相关疾病的疫苗。

这一概念来源于人们对于婴儿生长的研究。婴儿在母体无菌的状态下出生后，难免会遇到各种致病微生物的侵袭，但是大多数婴儿能够在6个月左右的时间里保持健康的状态。这是因为母乳(尤其是产后7 d内的初乳)中含有丰富的免疫球蛋白等抗体成分，以及乳铁蛋白和溶菌酶等生物活性物质。绝大多数的哺乳动物都具有这样的特征。将特异性免疫与非特异性免疫的研究成果向食品中延伸，期望只需咀嚼食物而不是打预防针就可以得到免疫，从而可用疫苗食品挽救无数因缺乏传统接种而死亡的生命。

从20世纪90年代初到目前为止，很多国家都在致力于疫苗食品的开发。1990年，Curtiss和Cardineau第一次报道了植物中抗原的表达，他们使变异链球菌(Streptococcu Mutans)表面蛋白抗原A(surface protein antigen，Spa A)在烟草中表达，再把这种烟草喂绐老鼠吃后，黏膜免疫反应(mucosal immune response)导致了老鼠体内Spa A的出现。之后，又有肝炎抗原(hepatitis antigen)在烟草和莴苣中表达，狂犬病抗原(rabies antigen)在番茄中表达，霍乱相关抗原(cholera antigen)在烟草和马铃薯中表达，人类巨细胞病毒抗原(human cytomegalovirus antigen)在烟草中表达的报道。表达病原菌抗原的转基因植物作为食物被吃后，可产生黏膜免疫反应。国外已经有将乙型肝炎病毒表面抗原、大肠杆菌热敏肠毒素B亚单位、霍乱毒素B亚单位、Norwalk病毒衣壳蛋白和传染性胃肠炎病毒、口蹄疫病毒(FMDV)、兔出血病病毒相关蛋白在植物中表达的报道。1

发展历程美国的疫苗食品开发技术居于世界领先水平，现已成功地将外源疫苗基因植入大麦、玉米植物内。Yasmin Thanavala将表达乙型肝炎表面抗原的转基因马铃薯喂食老鼠，发现在老鼠体内产生了相应的抗体反应。英国遗传学家培育出一种可以预防霍乱的苜蓿苗，通过对小白鼠的喂养实验证实，其免疫功能令人满意。我国研究人员通过花粉管道使外源疫苗导入植物细胞的方法，已初步应用于洋葱、黄瓜、大豆等作物上，开始疫苗食品的试生产。

1989年，一株改变了遗传性状的番茄正确合成了功能性老鼠抗体的重链和轻链，使植物产生治疗性抗体成为可能。在近十几年的研究过程中，证明了在生产重组蛋白(抗体)方面，植物是一种既容易操作，又经济实惠的生物反应器。但是，也有潜在的不利因素，如环境问题和植物产生的抗体的副作用等问题。而近期的研究表明，应用植物产生的抗体是非常安全的。近年来。植物生产的治疗性产品大多数都是在玉米和烟草中产生的，而生产食品疫苗，马铃薯和番茄是最常见的宿主。

利用植物生产疫苗的简要步骤是先将编码保护性反应蛋白的结构基因克隆入Ti质粒．然后用这种重组质粒转化的杆菌或利用病毒载体作暂时表达．再用携有这种重组质粒的杆菌或病毒感染植物细胞，就可能把导入的外源基因整合到植物细胞染色体上，建立起稳定装达的植株．通过无性或有性繁殖生产大量的转基因植物，也可通过杂交获得产生多种抗原醮多价复合疫苗。也可建立瞬时表达的植株，如用烟草花叶病毒作表达载体，转染植物细胞瞬时表达产量较高。

1997年，美国食品与药品管理局同意从转基因的植物中获得的食品疫苗第一次在人类临床实验中应用。转基因马铃薯表达了痢疾杆菌抗原，在第一阶段由志愿者进行口服实验。开发动物“食品疫苗”是一个迅速发展起来的新领域。其主要技术是将制造疫苗、医袭品和激素等抗原的目的基因转移到动物体内，当动物生长发育后。获得的母乳食品、肉类食品中也就带有疫苗成分了。而将抗原注射到动物体内是产生抗体的最简单的方法。研究人员通过注射或口服把某种抗原输入乳牛体内，刺激其免疫系统，使其分泌的乳汁特异性抗体含量提高。为保持牛奶中这些特异性抗体和活性物质的生理活性，需采用低温喷雾干燥拱术。最终产生各种免疫奶粉，如抗感染免疫奶粉、抗炎免疫奶粉和防龋齿免疫奶粉。美国利学家还培育出乳汁中富含人体蛋白的母山羊。其乳汁中含有的抗蛋白酶可以防治肺气肿。

作用原理大多数病原菌的传播都是通过污染食物、水或性接触，都是从皮肤或黏膜表面(消化管道、呼吸道和泌尿生殖道)开始感染。在那里病原菌遇到人体的第一个、也是最有效的抵抗。胃肠道、呼吸道、泌尿生殖道及其他外分泌腺的黏膜中存在大量的淋巴组织和散在的淋巴细胞，由于受黏膜部位复杂且特殊的抗原环境影响，形成了一些独特的免疫机制，使得黏膜潲巴系统成为一个相对独立的免疫体系，即黏膜免疫系统(mucosal immune system，MIS)。因此食品疫苗的成功作用需要黏膜免疫系统的感应。黏膜淋巴系统由大小不等的淋巴小绐和散在的淋巴细胞构成，其中的B细胞多属Ig A型；散在细胞中有丰富的CD4+T细胞，而且大约50%带有γ/δ型TCR。膜免疫系统接受抗原不通过血液和淋巴，而是经由一种具有吞噬功能的扁平上皮细胞(称膜细胞或M细胞)从黏膜表面获取。而这些细胞在淋巴组织的黏膜内。M细胞使抗原移到下面的组织，在那些组织中出现抗原的细胞使抗原在内部产生。某一克隆淋巴细胞在某部位黏膜滤泡中受抗原诱导而分化增殖后，很快就会在全身其他黏膜淋巴组织发现同样抗原反应性和相似分布的致敏淋巴细胞。黏膜的这种免疫共享机制称为共同膜免疫机制(common mucosal immune mechanism)。结果抗原决定簇在APC表面出现，在T细胞的帮助下激活B细胞，B细胞移到肠系膜淋巴腺节点，在那里成为血浆细胞并移到黏膜，产生免疫球蛋白A，IgA通过黏膜上皮移到内腔，与膜被的分泌成分结合形成分泌性免疫球蛋白A(SIgA)。在黏膜应答的高峰期，SIgA的分泌量相当惊人。它们在局部与各种性质的抗原结合。阻止了抗原对机体的损害，增加了抗原降解及排泄的机会，从而抑制病理效应，这种功能称为免疫清除作用。免疫清除作用在无害地清除病原微生物、变应原、致癌物等方面起着非常重要的作用。选择性SIgA缺乏者，易患消化道和呼吸道感染，过敏症和恶性肿瘤的发病率也明显增高。SIgA是黏膜免疫系统中最主要的抗体，与特殊的抗原决定簇相互作用来抑制入侵病原菌。除IgA外，其他类型Ig在膜系统免疫中也起作用。黏膜存在产生IgM的B细胞，所分泌的IgM也可通过分泌成分(secretory component，SC)介导的转运机制释放入黏膜腔。在选择性IgA缺陷的个体．这种分泌性IgM在某种程度上可替代SIgA产生的黏膜免疫效应；黏膜组织还可合成IgG和IgE。但这些非IgA类抗体在清除抗原时容易激活补体产生病理效应。在接种初期，免疫系统发现疫苗中带入的外来物质后会立即采取行动，动员所有力量消灭外来入侵者。这种响应会很快平息下来，结果留下了所谓“记忆细胞”。这些细胞会保持警觉。如果发现病原体侵人人体，会及时释放出整个“防御部队”。