PNAS|解决金黄色葡萄球菌耐药性难题：发现新疫苗靶点
由于抗生素的长期滥用，多重耐药细菌对人类健康的危害日益显现。鉴于当前日益严重的耐药性，世界卫生组织(WHO)列出了亟需优先攻克的条件病原菌名录ESKAPE，金黄色葡萄球菌即在此名录中。根据WHO 2022 年的数据，在全球所有感染金黄色葡萄球菌的患者中，感染耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的占比中位数水平已经达到了 35%。仅 2019 年一年，金黄色葡萄球菌感染就造成全球超过 100 万人死亡。为了应对 MRSA 感染难以治疗的困境，过去几十年，研究人员一直在试图开发针对金黄色葡萄球菌的疫苗。然而无论基于哪种策略或靶点设计的疫苗，最终都会以无法预防金黄色葡萄球菌感染、无显著疗效的结局告终。
不同于传统的毒素因子或表面抗原，该研究发现了一种保守的兼职蛋白(moonlighting protein)丙酮酸脱氢酶E2亚基(PDHC)在小鼠及新西兰兔感染模型中对预防金黄色葡萄球菌感染有效。兼职蛋白这一术语指的是单个蛋白质可以具有两种甚至多种功能。此前研究表明金黄色葡萄球菌利用丙酮酸脱氢酶E2亚基来抑制宿主体内巨噬细胞的激活，从而达到躲避宿主免疫清除的目的。
1. 丙酮酸脱氢酶E2亚基在金黄色葡萄球菌菌株中保守性极高
丙酮酸脱氢酶复合物在所有生物体的能量产生中起着核心作用。然而金黄色葡萄球菌的 PDHC 与人类 PDHC 的序列同一性仅为 20%。相反，金黄色葡萄球菌 PDHC 的蛋白质序列与芽孢杆菌属和土芽孢杆菌属中的 PDHC 具有高度相似性，同一性超过 80%。此外，金黄色葡萄球菌的 PDHC 在所有金黄色葡萄球菌菌株（包括临床分离株）中高度保守，序列同一性超过 99%。这些发现突出了 PDHC 在金黄色葡萄球菌物种内的保守性，表明其具有作为金黄色葡萄球菌感染疫苗候选物的潜力。
2. PDHC在小鼠体内诱导强烈的体液和细胞反应
免疫导致小鼠血清样本中出现强烈的 PDHC 特异性 IgG 反应。然而，当对血清进行与人类细胞的交叉反应测试时，未检测到结合信号，表明 PDHC 特异性 IgG 不与人类细胞中的 PDHC 对应物结合。此外，组织病理学分析显示，与未接种疫苗的小鼠相比，接种疫苗的小鼠各种组织中没有明显的病理变化或免疫细胞浸润。流式细胞术分析表明，与对照组相比，PDHC 免疫小鼠脾脏中 CD4+ 和CD8+ T 细胞在用 PDHC 重新刺激后产生 IFN-γ 的比例更高。IL-17A 主要由 CD4+ T 细胞在重新刺激后分泌。这些发现表明，金黄色葡萄球菌的 PDHC 可在小鼠中引发强大的体液和细胞免疫反应。
3. PDHC能够在小鼠体内激活γδ T细胞，使其具有更强的细胞杀伤及免疫调节作用。
该研究发现PDHC的免疫保护力在γδ T细胞缺失的转基因小鼠中显著降低。通过RNA测序发现免疫组小鼠体内的巨噬细胞和中性粒细胞能够被γδ T细胞激活，使其具有更强的细胞杀伤及免疫调节作用。同时，免疫组小鼠体内的γδ T细胞也处于更高的激活状态，具有显著提高的细胞杀伤及分泌细胞因子/趋化因子的能力。
4. 丙酮酸脱氢酶E2亚基能够在事先感染过金黄色葡萄球菌的小鼠中产生有效的免疫力。
最近美国研究人员提出金黄色葡萄球菌疫苗之所以失败，是因为它们只能激活人体内早已存在的、对金黄色葡萄球菌的体液免疫。该团队提出了一种规避此前已经存在的免疫印迹、使疫苗发挥效用的思路：疫苗失效是因为其选用的成分免疫原性很强，激活了强大的免疫记忆；如果选用免疫原性稍弱的抗原，即“次显性抗原”（subdominant antigen）制备疫苗，就可能解决这一问题。黄建东团队在本研究中发现免疫丙酮酸脱氢酶亚基E2符合次显性抗原的标准，动物实验结果显示无论小鼠此前是否接触过金黄色葡萄球菌，丙酮酸脱氢酶E2亚基都能够产生有效的免疫力。
鉴于抗生素耐药性威胁不断升级以及随之而来的全球医疗支出增加，金黄色葡萄球菌疫苗的开发面临重大挑战。最近，人们发现代谢酶复合物丙酮酸脱氢酶 E2 亚基（PDHC）可以通过抑制小鼠的巨噬细胞活化而发挥免疫逃避剂的作用。PDHC 是一种兼职蛋白，由于其在各种金黄色葡萄球菌菌株（包括临床分离株）中的序列保守性，是金黄色葡萄球菌的理想疫苗候选物。与许多分离株中缺失的潘顿-瓦伦丁白细胞毒素 (PVL) 等毒素不同，PDHC 在本研究分析的所有金黄色葡萄球菌菌株中表现出超过 99% 的序列同一性。此外，金黄色葡萄球菌 PDHC 的蛋白质序列与其人类对应物仅有大约 20% 的同一性。蛋白质印迹分析表明，针对金黄色葡萄球菌 PDHC 产生的抗体不会与人类细胞发生交叉反应。组织病理学分析也表明，PDHC疫苗接种不会引起小鼠主要组织的任何病理变化。此外，免疫后未观察到腹泻，这表明PDHC诱导的免疫反应不太可能破坏小鼠共生菌的生态。该研究不仅更进一步佐证了金黄色葡萄球菌疫苗开发失败的原因，也提供了一个全新的疫苗靶点，为后续临床试验提供了坚实的临床前数据。此研究由香港大学李嘉诚医学院汪晓雷博士，博士研究生窦颖、硕士研究生胡景初、研究助理陈恺晴共同完成。