A組鏈球菌疫苗研究進展

吳永祥 王嘉睿 劉金來

【摘要】A組鏈球菌是（GAS）一種常見的革蘭陽性病原菌，人是其唯一自然宿主。GAS感染人體后可導致一系列感染性疾病，還可引起一些自身免疫性疾病，嚴重危害人體健康，同時也給社會帶來巨大的經濟負擔。目前，GAS對青霉素仍然敏感，但對其他抗生素的耐藥率不斷增加。預防GAS感染最好的方法是研制安全、有效的疫苗。GAS疫苗的研究已經持續了近百年，但迄今還沒有商品化的疫苗研制出來。現在有多種疫苗正處于不同的研發階段之中，該文就GAS疫苗的研究進展進行概述。

【關鍵詞】A組鏈球菌；疫苗；M蛋白；非M蛋白

Research progress on group A streptococcus vaccineWu Yongxiang， Wang Jiarui， Liu Jinlai Department of Cardiology， the Third Affiliated Hospital of Sun Yatsen University， Guangzhou 510630， China

Corresponding author， Liu Jinlai， Email： ljlai@medmailcomcn

【Abstract】Group A streptococcus（GAS） is a common grampositive pathogenic bacterium Human is the only natural host of GAS GAS infection can lead to a wide spectrum of infectious diseases and several autoimmune diseases， which seriously damages human health and brings significant economic burden to the society Currently， GAS is still sensitive to penicillin， but it yields increasing resistance to other antibiotics The best strategy to prevent GAS infection is to develop a safe and effective vaccine Even though investigated for almost 100 years， no commercial vaccine for GAS has been developed worldwide Multiple types of vaccine candidates are being investigated in different stages In this paper， recent research progress on GAS vaccine was reviewed

【Key words】Group A streptococcus； Vaccine； M protein； NonM protein

A組鏈球菌（GAS）又稱釀膿鏈球菌，是一種致病性很強的革蘭陽性球菌，通過呼吸道和皮膚接觸感染。GAS有多個亞型，在全球不同地區的分布情況各異，在發達國家，GAS主要以emm1型、emm12型、emm28型為主，而在非洲和太平洋地區，則沒有某個特定分型的GAS明顯占優勢[1]。GAS感染人后可導致一系列疾病，包括常見的鏈球菌咽炎、猩紅熱、膿皮病及致命的敗血癥、壞死性筋膜炎、鏈球菌毒性休克綜合征，還可引起自身免疫性疾病如風濕熱、風濕性心臟病、急性鏈球菌感染后腎小球腎炎。

GAS給全世界帶來沉重的負擔。WHO的一項研究估計，全球至少有1 800萬GAS相關疾病患者，每年有517萬患者死于嚴重的GAS感染所致的疾病，其中又以風濕性心臟病最為嚴重，全球至少1 560萬患者，每年導致233萬人死亡[2]。另一種較為嚴重的疾病是侵入性感染，每年有663萬新發病例，導致163萬人死亡[2]。鏈球菌咽炎、猩紅熱、膿皮病等疾病通常情況下雖不致命，但由于其反復流行，波及范圍更廣。據估計，每年有6億人患鏈球菌咽炎，162億人患膿皮病[3]。美國一項研究顯示，在美國單是鏈球菌咽炎每年造成的社會經濟學損失就高達（224～539）億美元[4]。雖然GAS對青霉素類抗生素仍然敏感，但對抗GAS的最好方法是研究GAS疫苗。

GAS疫苗的研究已經進行了近百年，迄今仍未有可行的疫苗被制造出來，主要原因有兩個：一是GAS最主要的候選抗原M蛋白與人心肌肌球蛋白、原肌球蛋白結構類似，M蛋白源性疫苗可能會導致自身免疫性疾病；二是GAS亞型很多，不同地區流行的亞型各異，而不同亞型GAS之間又缺乏交叉免疫，使得GAS疫苗難于推廣[5]。上世紀70年代，在美國一項M蛋白疫苗臨床試驗中，3名受試者接種了疫苗后出現風濕熱，FDA因而禁止了GAS疫苗的臨床研究，直至2006年才解禁。目前主要的疫苗可分為兩類：M蛋白疫苗和非M蛋白疫苗。

一、M蛋白疫苗

1M蛋白

GAS疫苗有多個候選疫苗表位，包括M蛋白、多糖抗原、C5a肽酶等，其中M蛋白是研究最多的候選表位。M蛋白由兩條多肽鏈聚合而成，呈α螺旋卷曲結構，其羧基端（C端）錨定于細菌表面，氨基端（N端）游離。從N端到C端可分為A、B、C、D 4個重復區。A區為高變區，能誘導機體產生特異性抗體，但這種抗體對異型GAS無作用。A區氨基酸序列可用于鑒定GAS的M分型，近來M分型被更實用的編碼M蛋白基因（emm）分型法取代，現已鑒定出200多個emm亞型[6]。B區為半可變區，C區和D區為保守區。能誘導人體產生自身免疫病的抗原表位位于B區，而A區和C區則存在著與人體組織無交叉免疫且能誘導人體產生調理型抗體的抗原表位。據此，形成了兩種研究思路，一是將多個GAS的N端片段組合起來構建多價疫苗，二是構建以C端保守區序列為基礎的疫苗。

2N端疫苗

美國學者Dale等將26種GAS的M蛋白N端片段及串聯到4條多肽鏈上，研制了26價多肽疫苗。動物實驗顯示，動物接受免疫后對26種GAS中的25種產生了較高滴度的抗體。目前該疫苗已完成了臨床Ⅱ期實驗，顯示了較好的免疫原性和安全性[7]。在此基礎上，Dale等[8]又研制了30價的多肽疫苗，以求覆蓋北美和歐洲主要的GAS血清型，免疫動物產生了針對這30種GAS的高滴度抗體，讓人意外的是，免疫血清竟對26種不包含在疫苗中的GAS也有調理作用。雖然機制未明，但這有可能擴展了多價M蛋白疫苗的覆蓋范圍。隨后有學者提出了一種新的GAS分類方法，emm簇（emmcluster）分類法。根據M蛋白結構的不同和與宿主蛋白結合能力的差異，將200多種emm分型歸入到48個emm簇，同簇的GAS的M蛋白性質相似，因而其所誘導產生的抗體對簇內其他emm型的GAS也有作用，用于解釋30價疫苗的“額外”調理作用[9]。目前30價疫苗正在進行臨床Ⅰ期試驗[10]。N端疫苗的缺陷在于，GAS的血清型太多，針對某一地區優勢血清型研制的疫苗在其他地區的覆蓋率可能大大降低，如26價疫苗能覆蓋發達國家72%的血清型，但只能覆蓋非洲地區39%的血清型，而在太平洋地區覆蓋率只有24%，限制了其推廣[11]。為擴大多價疫苗的覆蓋率，Dale等[12]研制了Mrp蛋白疫苗。Mrp與M蛋白屬同一家族，其N端氨基酸序列變異程度較M蛋白低，據此可將Mrp分為3型，每型包含若干個不同emm分型的GAS。Mrp疫苗誘導產生的抗體對同一Mrp分型下多種不同emm分型的GAS都有作用[12]。三價Mrp疫苗的覆蓋范圍比30價M蛋白疫苗的范圍還要廣，被稱為新一代GAS疫苗[13]。

3C端疫苗

澳大利亞學者Good等從M5型GAS的M蛋白C端提取了一段12個氨基酸的序列，在這段短肽前后加上一段無關多肽以保持α螺旋卷曲結構，命名為J8。為增強其免疫原性，將J8與白喉類毒素（DT）連接起來組成J8DT疫苗，J8DT疫苗免疫小鼠后，能誘導產生調理型抗體，在GAS攻擊實驗中，免疫組小鼠生存率比對照組更高[14]。其后的研究顯示J8DT疫苗還可誘導產生特異性記憶B細胞，在GAS感染時只需初始T細胞的協助即可啟動記憶性免疫應答，對抗感染[15]。J8DT的臨床前期試驗顯示了良好的安全性[16]。該疫苗在2013年進入臨床Ⅰ期試驗[10]。另一個保守區疫苗是巴西學者Guilherme研制的StreptInCor。Guilherme團隊從M5型GAS的M蛋白保守區篩選出一個B細胞表位和一個T細胞表位，將其串聯起來形成一條長為55個氨基酸的序列，命名為StreptInCor[17]。StreptInCor免疫不同遺傳背景的動物，都能誘導長效的抗體，且不引起自身免疫反應[18]。在鏈球菌攻擊試驗中，StreptInCor免疫后的近交系小鼠30天生存率達100%，優于對照組[17]。目前StreptInCor疫苗將要開始臨床Ⅰ期試驗[10]。C端序列雖然保守，但J8DT疫苗和StreptInCor疫苗也不能覆蓋所有亞型的GAS。

二、非M蛋白疫苗

除了M蛋白外，GAS還表達其他毒力因子。出于對M蛋白疫苗會導致自身免疫病的擔心及其誘導的抗體不能對異型GAS起作用的顧慮，一些學者研發了非M蛋白疫苗，主要有以下幾種。

1C5a肽酶疫苗

C5a肽酶是GAS細菌表面的一種蛋白分子，在B組、C組和G組鏈球菌表面也表達。C5a肽酶能特異性地剪切補體C5a，使其滅活，從而干預補體介導的吞噬細胞募集，阻止GAS被清除。流行病學研究顯示兒童感染GAS后體內產生C5a肽酶抗體[19]。用GAS或者B組鏈球菌的C5a肽酶作用疫苗免疫小鼠，都能加速GAS的清除[20]。由于不同組鏈球菌的C5a肽酶有很高的同源性，C5a肽酶疫苗可能對在B組、C組和G組鏈球菌也有作用。

2纖連蛋白結合蛋白疫苗

纖連蛋白結合蛋白（FBP）能與纖連蛋白結合，促進GAS與宿主細胞的黏附。GAS表面有多種FBP表達，其中研究較多的是血清渾濁因子（SOF）。SOF因能使血清變渾濁而得名。有研究表明皮下免疫SOF對GAS腹腔攻擊有保護作用[21]。而另一個研究中，鼻腔免疫SOF雖能誘發動物產生抗體，但對GAS鼻腔攻擊無保護作用[22]。我國學者也研制了一個FBP疫苗，命名為FbaA，在GAS攻擊實驗中，FbaA疫苗的保護作用與M蛋白疫苗類似[23]。

3多糖疫苗

M蛋白是GAS分型的基礎，不同血清型的GAS表達不同的M蛋白；而多糖是鏈球菌分組的基礎，即所有的GAS均表達相同的多糖抗原，因此多糖疫苗理論上對不同型的GAS都有作用。Sabharwal等[24]研制了一個多糖疫苗，免疫動物后能產生調理性抗體，有保護作用，而且抗體與人體組織無交叉免疫反應。但有其他研究發現GAS多糖的組分N乙酰D葡萄糖胺與人心肌蛋白有交叉反應[5]。多糖疫苗的安全性還需進一步研究。

4鏈球菌致熱外毒素疫苗

鏈球菌致熱外毒素A（SpeA）和外毒素C（SpeC）是一類超抗原，與鏈球菌毒素休克綜合征密切相關。外毒素B（SpeB）是一種半胱氨酸蛋白酶，能夠降解抗體，滅活補體。SpeB的功能片段是SpeB羧基端的一段短肽，將其與鏈球菌溶血素的一段序列結合起來構建多肽疫苗，該疫苗對非侵入性的和侵入性的GAS攻擊都有抵抗作用[2526]。另外的一項研究中，研究者將SpeA的一段序列和SpeB一段序列串聯起來形成多肽疫苗，免疫人HLADQ8轉基因小鼠，在SpeA和GAS攻擊實驗中，免疫組小鼠的生存率更高[27]。

5其他非M蛋白疫苗

GAS表達眾多蛋白，除上述幾種外，其他一些非M蛋白也成了疫苗研究對象。借助于基因組學及蛋白質組學技術，很多新的蛋白也被鑒定出來。在一項研究中，研究者從GAS表達的40種蛋白中選出3種蛋白，組合成一個新的疫苗，命名為Combo，Combo免疫小鼠能對多種GAS產生抵抗作用[28]。也有研究者將5種非M蛋白疫苗組成一個新疫苗，用全M蛋白疫苗做陽性對照，該疫苗對GAS皮膚感染的保護作用與全M蛋白疫苗類似，而對深部感染的保護作用不如M蛋白疫苗[29]。目前尚未有非M蛋白疫苗進入臨床試驗。

三、結語

人們對GAS的研究持續了近百年，GAS在大部分國家的感染率已經下降，但在貧困國家及發達國家的土著地區，GAS依舊猖獗。近年來，GAS似有死灰復燃之勢，可能與耐藥性的增加及高致病性毒株的出現有關[30]。疫苗是對抗GAS最有效的方法。用分子生物學技術篩選出合適的抗原表位保證了疫苗的安全性，但不同地區GAS亞型的巨大差異性限制了疫苗的適用范圍，迄今仍未有商品化的GAS疫苗問世。在候選疫苗中，M蛋白疫苗的研究走在最前列。根據當地流行亞型挑選出相應的M蛋白N端序列串聯成多價疫苗，或者將多個M蛋白疫苗與非M蛋白疫苗組合成新疫苗，是今后的趨勢。

我國學者早期也開展了GAS的研究，受制于流行病學資料的不足，GAS疫苗的研究較少[31]。Ma等[23]合成了纖連蛋白結合蛋白疫苗，喻剛等[32]合成了四價M蛋白疫苗，我們課題組[33]合成了二價M蛋白疫苗，但都沒有進入臨床試驗。近年來我們的研究及其他研究顯示，我國主要的GAS流行亞型是emm1型和emm12型，研制針對這兩個亞型的多價疫苗，應有很大的應用前景[3436]。

參考文獻

[1]Steer AC， Law I， Matatolu L， Beall BW， Carapetis JR Global emm type distribution of group A streptococci： systematic review and implications for vaccine development Lancet Infect Dis， 2009， 9 （10）： 611616

[2]Carapetis JR， Steer AC， Mulholland EK， Weber M The global burden of group A streptococcal diseases Lancet Infect Dis， 2005， 5 （11）： 685694

[3]Bowen AC， Mahé A， Hay RJ， Andrews RM， Steer AC， Tong SY， Carapetis JR The global epidemiology of impetigo： a systematic review of the population prevalence of impetigo and pyoderma PLoS One， 2015， 10 （8）： e0136789

[4]Pfoh E， Wessels MR， Goldmann D， Lee GM Burden and economic cost of group A streptococcal pharyngitis Pediatrics， 2008， 121 （2）： 229234

[5]Martin WJ， Steer AC， Smeesters PR， Keeble J， Inouye M， Carapetis J， Wicks IP Postinfectious group A streptococcal autoimmune syndromes and the heart Autoimmun Rev， 2015， 14 （8）： 710725

[6]Mcmillan DJ， Drèze PA， Vu T， Bessen DE， Guglielmini J， Steer AC， Carapetis JR， Van Melderen L， Sriprakash KS， Smeesters PR Updated model of group A Streptococcus M proteins based on a comprehensive worldwide study Clin Microbiol Infect， 2013， 19 （5）： E222E229

[7]喻剛，董太明，全家嫵 A群鏈球菌疫苗的研究進展 中國生物制品學雜志，2009， 22（8）：830833

[8]Dale JB， Penfound TA， Tamboura B， Sow SO， Nataro JP， Tapia M， Kotloff KL Potential coverage of a multivalent M proteinbased group A streptococcal vaccine Vaccine， 2013， 31 （12）： 15761581

[9]SandersonSmith M， De Oliveira DM， Guglielmini J， Mcmillan DJ， Vu T， Holien J K， Henningham A， Steer AC， Bessen DE， Dale JB， Curtis N， Beall BW， Walker MJ， Parker MW， Carapetis JR， Van Melderen L， Sriprakash KS， Smeesters PR； M Protein Study Group A systematic and functional classification of Streptococcus pyogenes that serves as a new tool for molecular typing and vaccine development J Infect Dis， 2014， 210 （8）： 13251338

[10]Steer AC， Carapetis JR， Dale JB， Fraser JD， Good MF， Guilherme L， Moreland NJ， Mulholland EK， Schodel F， Smeesters PR Status of research and development of vaccines for Streptococcus pyogenes Vaccine， 2016， 34 （26）： 29532958

[11]Steer AC， Law I， Matatolu L， Beall BW， Carapetis JR Global emm type distribution of group A streptococci： systematic review and implications for vaccine development Lancet Infect Dis， 2009， 9 （10）： 611616

[12]Dale JB， Niedermeyer SE， Agbaosi T， Hysmith ND， Penfound TA， Hohn CM， Pullen M， Bright MI， Murrell DS， Shenep LE， Courtney HS Protective immunogenicity of group A streptococcal Mrelated proteins Clin Vaccine Immunol， 2015， 22 （3）： 344350

[13]Courtney HS， Niedermeyer SE， Penfound TA， Hohn CM， Greeley A， Dale JB Trivalent Mrelated protein as a component of next generation group A streptococcal vaccines Clin Exp Vaccine Res， 2017， 6 （1）： 4549

[14]Batzloff M， Yan H， Davies M， Hartas J， Good M Preclinical evaluation of a vaccine based on conserved region of M protein that prevents group A streptococcal infection Indian J Med Res， 2004， 119 Suppl： 104107

[15]Pandey M， Wykes MN， Hartas J， Good MF， Batzloff MR Longterm antibody memory induced by synthetic peptide vaccination is protective against Streptococcus pyogenes infection and is independent of memory T cell help J Immunol， 2013， 190 （6）： 26922701

[16]Batzloff MR， Fane A， Gorton D， Pandey M， RiveraHernandez T， Calcutt A， Yeung G， Hartas J， Johnson L， Rush CM， McCarthy J， Ketheesan N， Good MF Preclinical immunogenicity and safety of a Group A streptococcal M proteinbased vaccine candidate Hum Vaccin Immunother， 2016，12（12）： 30893096

[17]Guilherme L， Postol E， Ferreira FM， DeMarchi LM， Kalil J Strept In Cor： a model of antiStreptococcus pyogenes vaccine reviewed Auto Immun Highlights， 2013， 4 （3）： 8185

[18]Guilherme L， Ferreira FM， Khler KF， Postol E， Kalil J A vaccine against Streptococcus pyogenes： the potential to prevent rheumatic fever and rheumatic heart disease Am J Cardiovasc Drugs， 2013， 13 （1）： 14

[19]Marshall HS， Richmond P， Nissen M， Lambert S， Booy R， Reynolds G， Sebastian S， Pride M， Jansen KU， Anderson AS， Scully IL Group A streptococcal carriage and seroepidemiology in children up to 10 years of age in Australia Pediatr Infect Dis J， 2015， 34 （8）： 831838

[20]Cleary PP， Matsuka YV， Huynh T， Lam H， Olmsted SB Immunization with C5a peptidase from either group A or B streptococci enhances clearance of group A streptococci from intranasally infected mice Vaccine， 2004， 22 （3132）： 43324341

[21]Steer AC， Batzloff MR， Mulholland K， Carapetis JR Group A streptococcal vaccines： facts versus fantasy Curr Opin Infect Dis， 2009， 22 （6）： 544552

[22]Courtney HS， Pownall HJ The structure and function of serum opacity factor： a unique streptococcal virulence determinant that targets highdensity lipoproteins J Biomed Biotechnol， 2010， 2010： 956071

[23]Ma CQ， Li CH， Wang XR， Zeng RH， Yin XL， Feng HD， Wei L Similar ability of FbaA with M protein to elicit protective immunity against group A streptococcus challenge in mice Cell Mol Immunol， 2009， 6（1）： 7377

[24]Sabharwal H， Michon F， Nelson D， Dong W， Fuchs K， Manjarrez RC， Sarkar A， Uitz C， ViteriJackson A， Suarez RS， Blake M， Zabriskie JB Group A streptococcus （GAS） carbohydrate as an immunogen for protection against GAS infection J Infect Dis， 2006， 193 （1）： 129135

[25]Tsao N， Cheng MH， Yang HC， Wang YC， Liu YL， Kuo CF Determining antibodybinding site of streptococcal pyrogenic exotoxin B to protect mice from group a streptococcus infection PLoS One， 2013， 8（1）： e55028

[26]Kuo CF， Tsao N， Cheng MH， Yang HC， Wang YC， Chen YP， Lin KJ Application of the C3binding motif of streptococcal pyrogenic exotoxin B to protect mice from invasive group A streptococcal infection PLoS One， 2015， 10 （1）： e0117268

[27]Ulrich RG Vaccine based on a ubiquitous cysteinyl protease and streptococcal pyrogenic exotoxin A protects against Streptococcus pyogenes sepsis and toxic shock J Immune Based Ther Vaccines， 2008， 6： 8

[28]Bensi G， Mora M， Tuscano G， Biagini M， Chiarot E， Bombaci M， Capo S， Falugi F， Manetti AG， Donato P， Swennen E， Gallotta M， Garibaldi M， Pinto V， Chiappini N， Musser JM， Janulczyk R， Mariani M， Scarselli M， Telford JL， Grifantini R， Norais N， Margarit I， Grandi G Multi highthroughput approach for highly selective identification of vaccine candidates： the Group A Streptococcus case Mol Cell Proteomics， 2012， 11（6）： M111015693

[29]RiveraHernandez T， Pandey M， Henningham A， Cole J， Choudhury B， Cork AJ， Gillen CM， Ghaffar KA， West NP， Silvestri G， Good MF， Moyle PM， Toth I， Nizet V， Batzloff MR， Walker MJ Differing efficacies of lead group A Streptococcal vaccine candidates and fulllength M protein in cutaneous and invasive disease models MBio， 2016， 7（3）：pii： e0061618

[30]Andrey DO， PosfayBarbe KM Reemergence of scarlet fever： old players return？ Expert Rev Anti Infect Ther， 2016， 14（8）： 687689

[31]余步云，湯美安，錢孝賢，周漢建 80年代以來風濕熱的回顧性分析（附341例報告） 新醫學，1994，（8）：407408

[32]喻剛，楊京生，全家嫵 A群鏈球菌四價重組蛋白的表達、純化及其免疫原性 中國生物制品學雜志，2010，23（1）：1721

[33]Ding Y， Ni Q， Liu J， Yu B Immunogenicity of a divalent group A streptococcal vaccine Rheumatol Int， 2013， 33 （4）： 10131020

[34]丁月霞，倪瓊瓊，劉金來 廣州市兒童致咽炎β溶血性鏈球菌的流行情況及其emm基因分型 中山大學學報（醫學科學版），2011，32 （3）：411414

[35]張代濤，楊鵬，吳雙勝，趙佳琛，盧桂蘭，郭婧，王全意，彭曉旻 20112014年北京地區兒童咽扁桃體炎感染病例A組鏈球菌emm分型研究 疾病監測，2015，30 （11）：917921

[36]曾錦婷，劉愛勝，房篤智，向華國，田郭軍 深圳寶安區兒童感染致病性A群鏈球菌流行現狀及emm基因分型研究 中國優生與遺傳雜志，2016，24（7）：123125

（收稿日期：20170506）

（本文編輯：楊江瑜）