Semi-synthetic terpenoids with differential adjuvant properties as sustainable replacements for shark squalene in vaccine emulsions
- 作者
- Karl J. Fisher, Robert Kinsey, Raodoh Mohamath, Tony Phan, Hong Liang, Mark T. Orr, William R. Lykins, Jeffrey A. Guderian, Julie Bakken, David Argilla, Gabi Ramer-Denisoff, Elise Larson, Yizhi Qi, Sandra Sivananthan, Karina Smolyar, Darrick Carter, Christopher J. Paddon, Christopher B. Fox
- 杂志
- npj Vaccines（2023）
- DOI
- 10.1038/s41541-023-00608-y
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
鲨鱼角鲨烯作为疫苗佐剂乳液的关键原料，但过度捕捞导致鲨鱼种群锐减（自1970年下降71%），来源不可持续且供应受限；需要找到可持续、与鲨鱼角鲨烯等效或更优的替代品。
研究策略
利用工业合成生物学产生的发酵来源、异构纯的β-法尼烯作为起始原料，化学合成了超过20种角鲨烯类似物；将类似物配制成水包油纳米乳液，评估理化稳定性、体外先天免疫刺激和体内小鼠流感疫苗免疫原性；并采用期望函数（desirability function）整合多个免疫学读数进行综合排名和结构-活性关系分析。
核心内容
该研究针对鲨鱼角鲨烯来源不可持续的问题，利用工业合成生物学产生的异构纯β-法尼烯为原料，化学合成了超过20种角鲨烯类似物，并配制成水包油纳米乳液，系统评估其理化稳定性、体外免疫刺激能力及小鼠体内流感疫苗免疫原性。通过加权期望函数整合多个免疫学指标进行综合排名与结构-活性关系分析。结果显示，多数类似物纯度达90%以上，乳液粒径与鲨鱼角鲨烯制剂相当；体内评价中，acids A乳液综合评分提高37%，法尼烯热二聚体提高23%，solanesol提高21%，而角鲨烷降低45%。结构-活性分析揭示线性不饱和萜类佐剂活性与链长正相关，双键饱和显著降低活性，负电荷可增强活性，C11-C12折叠构象并非必需。该研究获得多种与鲨鱼角鲨烯等效或更优的可持续萜类候选物，建立了结构-活性关系，为疫苗佐剂提供了非动物来源替代方案，具有重要应用前景。
创新点
首次系统构建角鲨烯类似物文库并评估其佐剂活性；采用加权期望函数对不同免疫学指标进行多维度综合评分；揭示了链长、饱和度、电荷、构象和连接基团等结构特征与佐剂活性的关系；发现了多种可持续、非动物来源的萜类化合物可作为鲨鱼角鲨烯的替代候选物。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae (酿酒酵母) | 萜类生物合成途径（甲羟戊酸途径） | — | — | 催化 | 工程化酵母通过发酵生产β-法尼烯，作为半合成角鲨烯类似物的可持续前体 |
关键发现
- 合成了超过20种角鲨烯类似物，除两种（纯度82-85%）外均达到≥90%纯度。成功制得的SE乳液粒径71-126 nm（鲨鱼角鲨烯SE为90.9 nm），MF59类乳液粒径151-199 nm（鲨鱼角鲨烯MF59类为143.9 nm）。稳定性方面，许多萜类油乳液在5°C和25°C下与鲨鱼角鲨烯乳液相当，其中角鲨烷和MF59类制剂在40°C下最稳定。体内免疫原性评价（C57BL/6小鼠，H5N1抗原0.01 μg HA剂量）中，采用加权期望函数综合评分，与鲨鱼角鲨烯乳液相比：acids A SE提高37%，法尼烯热二聚体SE提高23%，solanesol SE提高21%，alcohols A SE提高18%和12%，而鲨鱼角鲨烷SE降低45%，角鲨烷SE降低51%，C20二聚体SE降低29%，抗原单独组降低24%-52%。结构-活性关系表明：线性不饱和萜类佐剂活性与链长（cLogP）正相关（C20<C25<C30<C45）
- 双键饱和（角鲨烷）显著降低活性
- C11-C12折叠构象不是活性必需
- 负电荷（acids A）可显著增强活性
- 环己烯连接侧链分子量与活性反相关。体外全血细胞因子刺激与体内活性相关性有限，但线性不饱和萜类中体内复合评分与体外MCP-1产生相关，且所有SE制剂中体外细胞因子产生与乳液粒径负相关。
研究结论
通过结合工业合成生物学、化学和免疫学，成功获得了多种与鲨鱼角鲨烯佐剂活性相当或更优的可持续萜类化合物（如acids A、法尼烯热二聚体、solanesol、alcohols A等），可作为疫苗佐剂乳液中的鲨鱼角鲨烯替代品，并建立了角鲨烯类似物的结构-活性关系，为未来优化药物研发提供了路径。