在开发更有效、更持久的疫苗竞赛中，科学家们正探索日益复杂的分子策略。这一领域最具前景的前沿方向之一，是利用非天然氨基酸（UAAs）——一类超越自然界标准20种氨基酸的工程化蛋白质构建模块。通过利用非天然氨基酸的独特化学特性，研究人员如今正设计出下一代疫苗，其稳定性更优、免疫原性更强，甚至具备内置佐剂特性。

在本系列“超越20种天然氨基酸”的第三篇博文中，我们将探讨非天然氨基酸如何优化抗原设计，并突破疫苗开发的边界。若想了解非天然氨基酸的基础原理及其在研究中的潜力，可阅读我们此前的博客。

非天然氨基酸：解锁疫苗潜力的关键

传统疫苗通过训练免疫系统识别并响应特定抗原（通常是已知病原体的一种蛋白质）发挥作用。然而，许多抗原本身不稳定或免疫原性较弱。非天然氨基酸提供了一系列工具，可克服这些限制：

◇ 稳定抗原以改善免疫识别

疫苗设计的关键挑战之一，是让抗原以模拟其在活病原体上结构的形式保持稳定。通过将非天然氨基酸策略性插入蛋白质，可增强其稳定性，或将其锁定为最易被免疫系统识别的构象。

◇ 改善抗原向免疫细胞的呈递

非天然氨基酸还可用于微调抗原被免疫系统加工和呈递的方式。通过引入特定的化学“手柄”，研究人员可促进抗原被抗原呈递细胞（APCs）的最佳摄取，从而增强T细胞激活及整体适应性免疫应答。

◇ 设计自佐剂疫苗

非天然氨基酸最令人兴奋的应用之一，是构建自佐剂疫苗结构。通常，疫苗需要佐剂（一种增强对特定抗原免疫应答的物质）。而非天然氨基酸可直接将免疫刺激基序引入抗原结构，从而无需额外添加佐剂。

为深入探讨，我们将结合具体案例，分析非天然氨基酸在疫苗配方中的研究与应用。

提升肿瘤相关抗原的稳定性与免疫原性

糖蛋白Mucin-1（MUC1）是一种肿瘤相关抗原。据美国国家癌症研究所称，它应成为癌症疫苗开发中的优先抗原。在癌细胞中，“糖基化的MUC1残基会表现出改变的O-聚糖谱型”（Gibadulin, 2025），癌症患者会产生抗MUC1抗体。

多项使用肿瘤相关MUC1的疫苗候选物临床试验均未成功，原因如下：

· MUC1糖肽是自身抗原，因此仅能引发较弱的免疫应答；

· MUC1含有L-α-氨基酸残基，易被生物流体中的蛋白酶降解，从而降低其生物利用度。

通过生成含β-氨基酸、类肽、低聚脲、D-α-氨基酸和硫代酰胺等非天然氨基酸的人工抗原，是提升免疫原性并增强抗蛋白水解能力的可行方案。

图1：癌症疫苗中使用含β取代的MUC1抗原的基本示意图。

Gibadulin团队合成了“含单次或多次α-β取代的MUC1糖肽”，并测试其与鼠抗MUC1抗体SM3的结合能力。能与SM3强结合的抗原被固定于金纳米颗粒（AuNPs）上，作为疫苗候选物进行测试。研究发现，多次α-β取代增强了糖肽的抗蛋白水解稳定性，且AuNPs-MUC1制剂显示出足够的免疫原性，并能诱导针对人类癌细胞表面天然MUC1的交叉反应抗体。总体而言，这些发现支持将非天然氨基酸作为设计基于MUC1的癌症疫苗候选物的策略。

整合非天然氨基酸以构建自佐剂疫苗

一类用于构建自佐剂疫苗的非天然氨基酸是CpG寡脱氧核苷酸（CpG ODNs）。CpG ODNs是“基于胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤（CpG）二核苷酸序列、通过非甲基化修饰的寡脱氧核苷酸”（Wang, 2024）。作为Toll样受体9（TLR9）激动剂，这类化合物可增强宿主对特定抗原的细胞与体液免疫应答，已被用于制备自佐剂人类疫苗。含CpG的疫苗中，一个关键案例是针对乙型肝炎病毒（HBV）的HEPLISAV-B®。此前的乙肝疫苗为铝佐剂疫苗，需在6个月内接种3剂，且5-10%的免疫功能正常个体无法获得长期血清保护（Shirota, 2013）。作为下一代疫苗，含CpG的HEPLISAV-B®对HBV的免疫应答更优。在III期临床试验中，与此前疫苗相比，该疫苗仅需更少接种次数即可产生更高的血清保护性抗体滴度。

非天然氨基酸在细菌疫苗中的应用

减毒活疫苗之所以强大，是因为它们能模拟自然感染，激发强烈且广泛的免疫应答。然而，平衡安全性与免疫原性颇具挑战——减毒不足可能导致毒力残留，而过度减毒则可能降低疫苗效力。

一种解决方案是利用非天然氨基酸营养缺陷特性，构建“自杀”型活疫苗候选株。该方法的核心是一种条件性自杀系统：细菌仅在获得自然界不存在的合成非天然氨基酸时才能存活。通过在抗毒素基因中插入终止密码子，并仅在非天然氨基酸存在时允许其通读，疫苗菌株在接种后会自然死亡，从而确保安全性（见图2）。

图2：当非天然氨基酸存在时，抗毒素基因被翻译，细菌菌株得以存活；反之，若无非天然氨基酸，抗毒素基因无法翻译，细菌无法生长。

该系统的关键优势包括：

· 快速简便：无需复杂基因组编辑，疫苗菌株可通过质粒转化构建；

· 可调节减毒：科学家可通过选择不同的毒素-抗毒素系统和非天然氨基酸配置，调整细菌存活时间及免疫原性；

· 环境安全：由于非天然氨基酸在自然界中不存在，疫苗菌株无法在受控条件外存活，降低了扩散风险。

在一项研究中（Pigula, 2024），科学家改造了必需的DNA复制蛋白DnaN（β滑动钳），使其仅在含非天然氨基酸对苄氧基-L-苯丙氨酸（BzF）时才能形成功能性二聚体。改造后的大肠杆菌菌株EV2.BzF.h5显示出极低的逃逸率，且仅在添加BzF时才能生长。

基于此，同一方法可应用于人类病原体铜绿假单胞菌——一种医院获得性感染的主要诱因，也是囊性纤维化患者的首要死因。随着抗生素耐药性上升，铜绿假单胞菌已成为疫苗开发的紧迫目标。大肠杆菌中依赖非天然氨基酸的活疫苗菌株的成功表明，这一策略可广泛应用（尤其是DnaN在多种细菌中高度保守）。

结语：非天然氨基酸重塑疫苗设计

非天然氨基酸通过增强抗原稳定性、提升免疫应答及改善安全性，正在重新定义疫苗设计。从自佐剂癌症疫苗到抗逃逸活细菌疫苗，非天然氨基酸为疫苗功能与持久性提供了精准控制。随着这一技术的发展，非天然氨基酸已被证明是开发更智能、更安全、更有效疫苗的核心要素。

敬请关注我们“超越20种天然氨基酸”系列的下一篇文章，我们将探讨非天然氨基酸如何推动分子诊断技术进步。

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