疫苗是预防疾病、提高人类和动物生活质量的不可或缺的工具。它们对疾病控制、根除工作做出了重大贡献，并有潜力应对未来的健康挑战。传统的减毒疫苗存在微生物重新获得毒性的潜在安全隐患，而灭活疫苗的免疫原性相对较低。口服疫苗在施用方便、诱导粘膜免疫、具有成本效益和安全性等方面具有优势。这些优点使其成为疫苗接种计划的吸引人选择，特别是对于主要靶向黏膜表面或需要大规模免疫工作的疾病而言。然而，口服疫苗通常受到稳定性低和由肠道环境带来的挑战的影响，例如食物和胃酸的存在，这可能会影响其免疫活性。
植物细胞拥有真核生物的内膜系统，因此它们可以利用分子伴侣蛋白将复杂的重组蛋白折叠和组装，而不会被内毒素或动物病原体污染。一旦完整的植物细胞进入小肠，宿主微生物可以降解细胞壁，从而释放出细胞内蛋白药物。这样，作为一种天然的“胶囊”，植物细胞可以有效地保护内部蛋白不受口服和胃环境中的酸和酶的降解。此外，植物细胞内的蛋白在冷冻干燥后可以在室温下保持数年的稳定性。这些特点使得植物成为口服疫苗表达的优秀宿主。
目前，大多数报道的基于植物的口服疫苗涉及在细胞核或叶绿体中表达外源基因。前者通常导致较低的表达水平和较差的免疫反应。在叶绿体内表达抗原允许高水平的抗原表达，甚至可达到叶子总蛋白的72.0%。然而，叶绿体定位的表达系统缺乏合成复杂蛋白和进行后转录修饰（例如糖基化）的能力，而这些对疫苗活性和正确折叠至关重要。由于增加的体积和亲和力有利于抗原呈递细胞的摄取、淋巴结转运和B细胞激活，亚单位疫苗蛋白被设计成自组装、封装在植物贮存器官中或展示在病毒样颗粒（VLPs）、基于蛋白的聚合物或工程细菌的表面上。
我校生物工程学院缪国鹏博士团队通过在叶绿体表面展示抗原来模拟天然病原体的大小而改善了植物口服疫苗的治疗效果。该成果（“Chloroplast display of subunit vaccines and their efficacy via oral administration”）于近日发表在中科院一区TOP期刊International Journal of Biological Macromolecules（IF=8.2）。
在这项研究中，团队创新地利用豌豆叶绿体转运蛋白34 (TOC34) 蛋白的跨膜区域，在叶绿体表面展示了两种亚单位疫苗，分别是猪细小病毒 (PPV) 的外壳蛋白VP2 和大肠杆菌的热敏性肠毒素B (LTB)。此外，为进一步增强口服免疫的效力，还首次在植物宿主中共表达了肽佐剂，抗菌肽protegin-1。免疫组织化学和胰蛋白酶消化叶绿体表面蛋白的结果确认了两种抗原成功定位在叶绿体表面。通过对比不同粒径植物材料的消化特性，观察到直径约为 1 毫米的植物材料在叶绿体释放和抗原暴露方面具有更突出的优势，相比之下，较大和较小的颗粒效果较差。口服免疫导致小鼠体内特异性 IgG 和分泌性 IgA 的水平显著增加，与对照组相比，接受口服免疫的组与接受初始注射和随后口服免疫的组之间效果类似。
与微生物展示技术不同，叶绿体展示可避免抗原在胃中的降解，同时保留微生物的大小特征。这项研究突显了叶绿体展示技术在开发有效口服疫苗方面的潜力，具有一定的推广意义。目前，基于此研究的专利已授权并转化给一家专门从事植物底盘产药的企业。
