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酸酐修饰卵清蛋白作为候选杀微生物剂预防HIV性传播研究

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前言

第1章 酸酐修饰蛋白构效关系研究

1 材料

2 实验方法

2.1 采用化学修饰方法,制备5种不同来源的酸酐修饰蛋白

2.2 酸酐修饰蛋白浓度测定

2.3 5种HP修饰蛋白的抗HIV-1活性评价

2.4 酸酐修饰蛋白中碱性氨基酸残基被修饰比率测定

2.5 制备3种不同酸酐修饰的卵清蛋白

2.6 酸酐修饰卵清蛋白抗病毒活性与蛋白末端氨基酸被修饰比率间的关系

2.7 统计方法

3 实验结果

3.1 5种酸酐修饰蛋白具有不同的抗HIV-1活性,其中抗病毒活性较高且蛋白价格低廉的为酸酐修饰的卵清蛋白HP-OVA

3.2 含苯环及烯键的酸酐修饰卵清蛋白具较强抗HIV-1活性,其中HP-OVA抗病毒活性最强

3.3 HP-OVA中赖氨酸及精氨酸残基被HP修饰比率与其抗病毒活性密切相关

第2章 HP-OVA抗HIV作用机制研究

1 材料

2 实验方法

2.1 HP-OVA抑制HIV-1,HIV-2,SHIV,SIV和HSV-2的活性检测

2.2 HP-OVA对HIV-1诱导的细胞-细胞融合的影响

2.3 HP-OVA抑制感染HIV-1 R5病毒的PBMCs传播到CEMx174 5.25M7细胞

2.4 HP-OVA对病毒-细胞融合活性影响

2.5 HP-OVA抑制HIV-1进入靶细胞的确证(Time-of-addition实验)

2.6 酸酐修饰蛋白作用靶点的确定

2.7 统计方法

3 实验结果

3.1 HP-OVA可有效抑制HIV-1,HIV-2,SHIV,SIV和HSV-2感染

3.2 HP-OVA抑制HIV-1诱导的细胞-细胞融合

3.3 HP-OVA抑制感染HIV-1BaL病毒的PBMCs传播到CEMx174 5.25M7细胞

3.4 HP-OVA抑制病毒-细胞融合

3.5 HP-OVA抑制HIV-1进入靶细胞

3.6 酸酐修饰蛋白HP-OVA作用靶点的研究

第3章 HP-OVA体外安全性及稳定性评估

1 材料

2 实验方法

2.1 HP-OVA体外毒性研究

2.2 HP-OVA对阴道对正常菌群特别是乳酸杆菌的影响

2.3 HP-OVA对免疫细胞功能的影响

2.4 胰蛋白酶对HP-OVA稳定性的影响

2.5 人正常精液SF及阴道模拟液VFS对HP-OVA抗HIV-1病毒活性影响

2.6 温度对HP-OVA的稳定性研究

2.7 统计方法

3 实验结果

3.1 HP-OVA对细胞体外毒性研究

3.2 HP-OVA对阴道正常菌群乳酸杆菌生长无影响

3.3 HP-OVA对淋巴细胞功能无明显影响

3.4 胰蛋白酶对HP-OVA稳定性的影响

3.5 人精液SF及阴道模拟液VFS对HP-OVA抗HIV-1病毒活性无影响

3.6 不同温度下HP-OVA保持稳定

第4章 HP-OVA与特异性杀微生物剂合用研究

1 材料

2 实验方法

2.1 检测HP-OVA及其他抗病毒药物抗HIV-1ⅢB及各药物耐药株AZT-R、A17R及NL4-3V38E/N42S的活性

2.2 检测HP-OVA及其他抗病毒药物抑制HIV-1BaL的活性

2.3 检测HP-OVA及其他抗病毒药物联合应用时抗病毒的活性

2.4 统计方法

3 实验结果

3.1 HP-OVA与6种HIV进入抑制剂均能产生协同抗HIV-1作用

3.2 HP-OVA与3种HIV逆转录酶抑制剂能产生协同抗HIV-1的作用

3.3 HP-OVA能有效抑制核苷逆转录酶抑制剂耐受病毒株AZT-R、非核苷逆转录酶抑制剂耐受病毒株A17R及T20耐受株NL4-3V38E/N42S的感染

讨论

结论

参考文献

附录 缩写词中英文对照表

成果

致谢

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摘要

目的:尽管预防和治疗HIV病毒感染的研究手段不断地发展和完善,但全球HIV/AIDS感染人群的比例仍在持续增长,艾滋病也正成为威胁人类健康的第一大病因的传染性疾病。
   本文旨在寻找一类新的非牛来源的蛋白来替代β-乳球蛋白,采用与3HP-β-LG相似的酸酐修饰方法,合成出新的酸酐修饰蛋白,通过对其抗病毒活性的分析,寻找出最具开发潜力的预防HIV性传播的候选杀微生物剂应用于临床。基于这一基本思路,本文选用了5种价格低廉、安全无毒的非牛奶来源的蛋白,包括:卵清蛋白OVA、兔血清白蛋白RSA、猪血清白蛋白PSA、冷水鱼皮明胶G-FS和猪皮明胶G-PS,作为被修饰对象,制备出一系列酸酐修饰蛋白,以期筛选出一类具有高效、低毒、价廉和稳定的候选杀微生物剂进行研发。
   方法与结果:首先,选用3-羟基-邻苯二甲酸酐HP分别修饰上述5种动物蛋白,经化学合成方法合成5种不同的酸酐修饰蛋白(HP-OVA、HP-RSA、HP-PSA、HP-G-FS及HP-G-PS)。通过ELISA方法检测这5种酸酐修饰蛋白体外抗HIV-1 X4型(HIV-1ⅢB)及R5型(HIV-1 Bal)病毒的活性。结果发现5种酸酐修饰蛋白具有不同程度的抗HIV-1病毒活性,其中抗病毒活性较高的为HP-OVA、HP-RSA和HP-PSA。比较分析这些酸酐修饰蛋白的抗病毒活性与被修饰蛋白的空间结构关系发现,OVA、RSA和PSA与β-乳球蛋白的结构相似,其空间结构均为球蛋白,而抗病毒活性较弱的被修饰蛋白G-FS和G-PS则是属于片层结缔状结构的明胶蛋白。由此可知,酸酐修饰的球蛋白的空间结构可能有助于其抗病毒活性的提高。3种动物蛋白(OVA、RSA和PSA)经HP酸酐修饰后虽都能转变成HIV抑制剂,我们选用卵清蛋白OVA作为后续研究蛋白,其主要因为是,OVA为鸡蛋清中的主要蛋白,占蛋清中总蛋白含量的60-65%,其来源广泛、价格低廉,极有可能被开发成具有自主知识产权、便宜、高效、应用简便的阴道用杀微生物剂,用于预防我国HIV的性传播。相比之下,其它两类蛋白均来源于血液,价格相对较高,且用药后具有潜在的感染其他病原体的危险性。
   为优化HP-OVA的制备条件,我们用不同浓度的HP和不同的pH值反应体系,合成了的一系列不同的HP-OVA,并评价这些HP-OVA的抗病毒活性与蛋白末端碱性氨基酸残基被HP修饰比率的关系。结果发现,OVA蛋白末端的碱性氨基酸残基大部分能被HP所修饰,从而将无活性的OVA转变成具有较强抗HIV-1活性的病毒抑制剂HP-OVA。HP-OVA中赖氨酸和精氨酸残基的被修饰的比率越高,其抗HIV-1 X4和R5病毒株的作用也相应的越强,说明蛋白末端碱性氨基酸被修饰的比率与HP-OVA抗病毒活性密切呈正相关。通过比较分析确定,HP-OVA化学修饰的最优合成条件为,酸酐HP终浓度40mM,pH值为8.5,在这一条件下,HP-OVA的蛋白末端赖氨酸被修饰的比率为99.86%,而精氨酸被修饰的比率为89.26%。
   作为候选杀微生物剂,首先要具有广谱的抗病毒活性。经ELISA检测,HP-OVA具有极为广谱的抗病毒活性,能高效抑制多种HIV-1实验室病毒株包括HIV-1 X4型和R5型病毒感染,其IC50均在低纳摩尔水平。同时,HP-OVA能高效抑制FDA批准的抗HIV药物,HIV进入抑制剂T20及逆转录酶抑制剂AZT耐受病毒株的感染,这为我们提供了一个新的治疗思路,即将HP-OVA与这些抗病毒药物合用,可能会产生取长补短的协同作用,这也是我们后续实验内容之一。
   同时,HP-OVA也能高效地抑制各种HIV-1临床分离株的感染,包括A亚型~G亚型及O亚型(R5型或X4R5型),其IC50从0.011 μM到0.578 μM。特别是HP-OVA对HIV-1床分离的A/E亚型病毒株感染具有很高的抑制活性,其IC50仅为10 nM,而A/E业型病毒株是性传播性疾病最为主要的传播病毒之一,该病毒株在泰国较为流行,HP-OVA对该病毒株具有较好的抑制作用,预示着其在我国预防HIV性传播方面将会有较大的市场和应用前景。
   另外,HP-OVA能有效抑制HIV-2感染,意味着HP-OVA也能被用在HIV-2病毒广泛流行的西非各国。与3HP-β-LG相似,HP-OVA也能对抗其他性传播性病原体HSV-2的感染。HP-OVA还能抑制SHIV和SIV的感染,由于SHIV和SIV病毒能够感染恒河猴,因此利用SHIV或SIV病毒阴道攻击恒河猴的动物模型,可先期评价HP-OVA在动物体内的抗病毒活性,为临床试验研究奠定了坚实的基础。
   与目前临床试验失败的阴离子多聚体类候选杀微生物剂相比,HP-OVA的抗HIV-1病毒的活性,尤其是对HIV-1R5亚型病毒株的抑制作用明显增强,这极大地弥补了这些候选杀微生物剂的不足,从而使其具备被进一步开发的广阔前景。但HP-OVA为何能产生抗病毒活性,其作用机制如何,则是我们更为关注的问题。
   通过time-of-addition、细胞.细胞融合、病毒-细胞融合及病毒细胞-细胞间的传播等实验结果分析可知,HP-OVA作用于HIV病毒的进入阶段,是一类HIV进入/融合抑制剂,其对HIV病毒感染靶细胞后期的复制过程无明显抑制作用。采用ELISA、SPR和流式细胞仪FCM分析还发现,HP-OVA通过与HIV包膜糖蛋白或病毒作用靶细胞上的CD4分子结合,干扰包膜糖蛋白与CD4分子的结合,从而抑制病毒与靶细胞膜的融合,阻止HIV的进入。通过ELISA和FN-PAGE方法,我们还发现较高浓度的HP-OVA对HIV跨膜糖蛋白gp41的六螺旋核心结构的形成也具有一定的抑制作用,从而抑制gp41介导的膜融合过程。这些结果说明,HP-OVA可能是一类多靶点的HIV进入抑制剂。
   作为理想的杀微生物剂,除了高效之外,另一个必要条件是对人体安全无毒。体外安全性实验表明,HP-OVA对3种HIV病毒作用的T淋巴靶细胞及3种人正常阴道及子宫颈组织上皮细胞的细胞毒性均很低,其CC50的值远远大于其抑制HIV-1ⅢB病毒的IC50值,其选择系数(SI=CC50/IC50)范围为253到13066,说明HP-OVA体外对病毒靶细胞和组织上皮细胞基本无毒。阴道乳酸菌是一类内源性的杀微生物剂,它能通过产生乳酸和过氧化氢来发挥效能,流行病学研究表明产过氧化氢乳酸菌能有效降低HIV的感染率。作为外源性的杀微生物剂,不应该对阴道正常菌群的生长产生影响。因此,我们评价了HP-OVA对正常阴道乳酸菌生长是否有影响,结果发现22.4 μM HP-OVA对17株正常人阴道乳酸杆菌的生长无明显抑制作用。
   前述结果表明,HP-OVA的作用靶点之一为T淋巴细胞表面的CD4受体,而CD4+T淋巴细胞是人免疫系统中极为重要的一类细胞,对人正常免疫功能起到至关重要的作用,HP-OVA用药是否会对人工淋巴细胞的功能产生影响昵?为此,我们首选观察了HP-OVA是_含对正常人PBMCs及PHA刺激的PBMCs的增殖产生影响,结果证明,即使HP-OVA在浓度为100 μM时,其对正常和PHA刺激的PBMCs的生长增殖均无明显的影响。随后,我们评估了HP-OVA对正常和PHA刺激的PBMCs分泌细胞因子IFN-γ功能的影响,结果同样证明HP-OVA对PBMCs的免疫功能无影响。这些结果初步表明,HP-OVA对CD4+T细胞的正常增殖和免疫功能,尤其是处于体内循环状态的T细胞不会产生有害的影响。
   蛋白和多肽类药物,如T20,其主要的缺点之一为体内半衰期较短,极易被体内的蛋白酶水解。胰蛋白酶就是人体内重要的代谢蛋白酶之一,其在阴道菌群中也大量存在。胰蛋白酶裂解蛋白的主要位点是蛋白或多肽氨基酸末端的精氨酸或赖氨酸。由前述结果可知,OVA蛋白末端的碱性氨基酸,包括赖氨酸和精氨酸,绝大部分被HP酸酐所修饰,OVA蛋白末端氨基酸残基中胰蛋白酶的裂解位点有可能因酸酐修饰而发生改变。因此,我们检测了HP-OVA对胰蛋白酶的稳定性。结果表明,HP-OVA在胰蛋白酶的存在时,其抗病毒活性基本稳定,SDS-PAGE显示,蛋白结构也没有被酶所水解,而是保持相对稳定的分子量。
   结论:酸酐修饰卵清蛋白HP-OVA具有高效广谱的抗病毒活性,能有效对抗各种HIV-1实验室病毒株和临床分离株的感染,同时还具有抑制HIV-2、SHIV、SIV及HSV-2的作用;机制研究表明,HP-OVA通过与HIV包膜糖蛋白或病毒作用靶细胞上的CD4分子结合,干扰包膜糖蛋白与CD4分子的结合,从而抑制病毒与靶细胞膜的融合,阻止HIV的进入;体外安全性及稳定性试验证明,HP-OVA对病毒作用靶细胞和阴道正常细胞安全无毒,其对阴道正常菌群的分泌及CD4+T淋巴细胞的增殖和免疫功能均无明显影响,胰蛋白酶及人体体液对其活性影响不大;其蛋白来源广泛、价格低廉,具备发展成理想的杀微生物剂的基本条件,可作为预防HIV性传播的杀微生物剂进行研发;HP-OVA能和具有开发成杀微生物剂潜能的抗病毒药物合用,具有提高疗效,减少药物毒副作用的协同作用效果,这为寻找新的预防防性传播治疗策略提供了较好的理论基础,也为杀微生物剂的临床开发提供新的思路。

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