仿生硅矿化提高疫苗热稳定性的研究

Exploring a simple, economic thermostable vaccine preparation strategy is of great importance for the global coverage and expansion of vaccination program. Inspired by natural biomineralization phenomenon, we have testified that calcium phosphate shell introduced by biomimetic mineralization could obviously improve the thermostability of vaccines. Biosilica is accumulated by many thermal resistant organisms, indicating that it may have better performance in improving organisms’ thermal resistance. In this study, we will introduce silica-nucleating peptides such as R5 peptide and protamine on the surface of Human enterovirus type 71 (EV71) and Japanese encephalitis virus vaccine (JEV) by chemical modifications or genetic engineering, thus obtain viruses carrying nucleating peptides on their surface. The introduced peptides around vaccines act as the nucleation sites of silica, inducing the deposition of biosilica on them under physiological conditions. We will study the interactions between silica exterior and viral surface proteins by combining the technology of electron microscopy, atom force microscopy and molecular simulation, and optimize the biomimetic silicification to realize the specific deposition of silica on the key sites of vaccines. Finally, a tailored thermal protective mineral exterior is introduced around vaccines without impairing their inherent properties. In this study, we will further elucidate the thermal protective mechanism of biosilica, by analyzing the conformational change of viral capsid, the release of nucleic acids along temperature increase, thus providing a scientific foundation for the development of novel thermostable vaccines.

探索一种简单、经济的热稳定疫苗制备策略对于全球免疫计划覆盖和普及具有重要意义。受自然界生物矿化现象的启发，我们发现在病毒疫苗表面引入磷酸钙矿物壳可以提高其耐热性。而自然界中的耐热生物体往往选择氧化硅作为其矿物相，暗示其能更好的抗热胁迫性能。本课题拟采用化学修饰和分子生物学手段将R5肽和鱼精蛋白等成核分子引入到手足口病毒71型(EV71)和乙型脑炎病毒疫苗（JEV）表面作为硅矿化成核位点，使其可以在近生理条件下诱导和控制硅矿物的沉积。结合电子显微、原子力显微及计算模拟等技术研究硅矿物相和病毒蛋白之间的相互作用，优化二氧化硅在疫苗表面关键位点的特异性矿化。最终，在不影响EV71和JEV固有性质的前提下构建出增强疫苗热稳定性的矿物层结构。本研究还将通过研究病毒蛋白在升温过程中的结构变化与核酸释放，阐述生物硅增强疫苗热稳定性的机制，从而为新型热稳定疫苗的研制提供科学基础。

受温泉噬菌体和植物体利用二氧化硅来提高其高温耐受性这一现象的启发，研究如何在疫苗表面引入一层二氧化硅层来提高其热稳定性。我们发现通过控制溶液pH和硅酸浓度可实现二氧化硅在疫苗表面的原位聚合，引入一层不损害减毒活疫苗的生物活性和免疫原性，却能显著提高其热稳定性的无定形态的二氧化硅水化矿物层。进一步将层层自组装技术和二氧化硅原位矿化处理结合起来，成功地在包膜类疫苗表面引入类三明治结构的PEI-SiO2复合层，在提高疫苗稳定性的同时增强了其免疫原性。二氧化硅保护疫苗机理研究发现，二氧化硅水化矿物层可以通过氢键禁锢周围水分子，在疫苗周围形成一种保护性结构水层，为内部疫苗创造了相对稳定的微环境。对比无定形磷酸钙对酶的热保护作用，我们发现无定形态水合态具有为内部生物活性分子提供热保护的共性，其中水合矿物层通过氢键禁锢周围水分子的热运动提供稳定的微环境是基础。此外，我们研究了可提高酶类稳定性和重复应用性的含硅复合材料。利用化学修饰和原位矿化合成 Fe3O4@C-葡萄糖氧化酶-SiO2 纳米复合物，提高了蛋白的热稳定性和可回收利用性。本研究为制备液态形式的热稳定疫苗提供了一种新思路。此外，这种基于化学修饰和仿生矿化提高生物分子稳定性的策略可以应用于其他生物活性分子，特别是细胞因子和蛋白药物的保存和递送。