让疫苗像鸡蛋一样长“壳”

一般来讲，鸡蛋存放在2～5℃的环境下保质期是40天，而夏季室内30℃下只有一周。正是因为有了蛋壳的保护，才使得鸡蛋在常温下保存的时间更长。除了鸡蛋壳，诸如贝壳、牙齿、珍珠，都是大自然生物矿化的产物，他们都有共同的特征：即比较坚硬的外壳，能够保护壳内的物质在一定时间段免受外界环境的侵袭。

那么什么是生物矿化?

“生物矿化是自然界中生物调控无机矿物形成的硬组织过程。”浙江大学化学系教授、长江学者唐睿康说，正是基于这样的启发，才使得我们基于疫苗改进有了新的策略，即疫苗的生物矿化改进。

重要而又脆弱的疫苗

疫苗是对抗传染性疾病最成功的手段之一，诸如病毒疫苗，每年拯救上百万人，产生的经济效益也很可观，约10亿美元。

经济效益虽然可观，但问题也很**。唐睿康称热稳定性差是疫苗的弱点。由于需要维持本身的生物活性，疫苗要保存在特定的环境中。诸如冻干苗要求保存条件是-15℃，灭活疫苗要求2℃～8℃保存。温度的变化，特别是高温的环境会使得疫苗所含的诸如蛋白质变性，疫苗也会随之失效。

保存疫苗并维持其活性就需要冷链，而冷链花费占到疫苗项目的80%左右，唐睿康称每年约50%的冷冻疫苗被丢弃。寻找解决疫苗热稳定性差的问题成为了必须。发展热稳定疫苗被《自然》杂志和比尔盖茨基金会列为人类健康的巨大挑战之一，实现疫苗的室温保存对免疫推广意义重大。

**热稳定性的传统方法存缺陷

鉴于疫苗的天然缺陷，**疫苗热稳定性的策略成为业界研究的重要课题。唐睿康说，传统的方式，诸如加入氯化镁、重水、氨基酸等稳定剂，或冻干制备成干粉，缺点很**，因为不光价格昂贵、步骤繁琐，而且效果也不佳。

其他的解决疫苗热稳定性问题的进展，包括糖玻璃、蚕丝蛋白以及蛋白质工程制备疫苗的方法，但也都存在一定的局限。

据了解，糖玻璃用于制备疫苗的技术，主要是利用海藻糖改进疫苗热稳定性技术的研究，将疫苗包埋于无定形的糖(糖玻璃)中，形成一种固态的糖玻璃疫苗。

蛋白质工程是研究蛋白质分子结构规律与生物学功能的关系，对现有蛋白质加以定向修饰改造、设计和剪切，构建生物学功能比天然蛋白质更加优良的新型蛋白。蛋白质工程技术在疫苗改造中发挥重要的作用，不但可使抗原性得到**的**，还可使重组疫苗抗病作用更加广泛。近年来越来越多的病毒精细结构的阐明正在为开展蛋白质工程奠定基础。

而唐睿康则称，诸如糖玻璃制备疫苗，因为需要涂膜冻干，且操作繁琐;用蚕丝蛋白包裹疫苗**，但蚕丝蛋白因具有免疫原性，存潜在风险;蛋白质工程制备疫苗，进度有限且效果不佳。

从耐25℃到 37℃的疫苗矿化策略

常温条件下，一枚鸡蛋经过一周，打碎后仍然可以得到鲜活的蛋清蛋黄。这是自然界中的生命体可以利用生物矿化实现“自我保护”的典型表现。

“基于此，生物矿化的新策略是可能的。这个过程展开的基础是利用羧基。羧基(酸性蛋白质/氨基酸)是钙矿化位点的主要提供者。经过细胞表面化学修饰羧基，使之转变为矿化细胞，从而使得疫苗拥有无机矿化壳。”唐睿康说。

据他介绍，实验的矿化路径是磷酸钙矿化，目的是为疫苗制造矿物外壳。通过选取JEV(脑炎病毒)SA14-14-2疫苗，而这种疫苗已商业化、热稳定性差，需要**，同时选择的矿物是磷酸钙，作为疫苗佐剂，其生物兼容性良好。

经实验，通过原位矿化成功在JEV病毒疫苗表面引入纳米磷酸钙外壳。此时，磷酸钙矿化疫苗的生物性质表现为，磷酸钙矿化后热稳定性经过体外实验显示，磷酸钙矿化层显著**JEV病毒疫苗的热稳定性，储存时间延长了约3倍。后经过对矿化疫苗的体内测试显示经过室温25℃储存一周后，磷酸钙矿化疫苗仍能刺激小鼠产生较高水平的体液免疫和细胞免疫。

对此，唐睿康称，生物矿化可**疫苗的热稳定性并初步实现常温保存一周的目标。

但他也道出了缺陷，因为许多疫苗缺乏生物矿化能力，需要通过对矿化蛋白结构的解析，将模拟矿化蛋白的成核多肽嵌入到疫苗表面，从而赋予其矿化能力。

换句话说，许多疫苗不具备主动的生物矿化能力，需要通过人工干预、嵌入的方式赋予其能力，这与自然界的生物矿化的主动行为还是有差距，这就需要从“授人以鱼”到“授人以渔”。

唐睿康从联合基因工程和生物矿化制备热稳定疫苗上进行了阐述。通过对EV71(肠道病毒)以及疫苗的生物学观测显示，因为基因工程病毒疫苗的空斑心态和生长曲线等基本生物学特征没有发生**改变。通过反向遗传学手段在疫苗表面引入成核多肽，携带成核多肽的基因工程病毒疫苗具有自矿化能力。

结果显示，病毒疫苗EV71-W6具有磷酸钙自矿化能力，且此矿化能力具有可遗传性;自矿化能够形成具有pH敏感纳米磷酸钙外壳。自矿化病毒疫苗的热稳定性上，体内和体外实验都证实磷酸钙矿化病毒EV71-W6-CaP具有显著增强的热稳定性，37℃存放7天后仍能**诱导小鼠产生体液和细胞免疫。

**疫苗热稳定性再探索

磷酸钙矿化的试验结果显示，其热稳定性在常温下虽然可以保存一周左右，但随着温度提升，其耐热性要求也需进一步**。“这种方式的效果有限。”唐睿康说。

唐教授表示，经过进一步研究发现，二氧化硅大量存在于热带植物和耐热微生物中，暗示其在**耐热性中的重要作用。同时，二氧化硅也是一种生物亲和性极好的生物矿物，可以**各酶和蛋白质等生物制品的热稳定性。利用硅矿化策略，在疫苗表面二氧化硅纳米层改善热稳定性。

据此理论，唐睿康介绍了一种疫苗硅矿化研究路径，即在病毒疫苗表面通过原位硅矿化引入二氧化硅外壳，该外壳是由无定形水合态的二氧化硅纳米簇构成。

经过研究发现，硅矿化病毒疫苗的生物性质：在热稳定性上，二氧化硅可以显著**EV71病毒的热稳定性，进一步研究表明二氧化硅可以抑制高温引起的病毒蛋白构象改变及抑制内部RNA的释放。体内免疫：二氧化硅外层显著**EV71病毒疫苗的热稳定性，室温储存一个月或42℃储存4天后仍能**刺激机体产生体液免疫和细胞免疫。

唐教授称，生物矿化解决病毒应用问题，诸如基因治疗载体、基因工程疫苗、预防和治疗肿瘤、遗传病、传染病等领域。但应用中的主要问题集中在转染效率低、受体依赖免疫清除、改进策略的选择等。

“但生物矿化无疑**病毒转染效率，和病毒感染受体缺陷细胞的效率，为病毒疫苗的改进提供了全新的策略，我们可以通过功能材料实现对病毒的功能化，还可以实现简单、**、低成本。”唐教授说。