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我國對於RNA病毒之動物疫苗開發與技術發展概況

2020/04/01 @臺灣

示意圖

我國對於RNA病毒之動物疫苗開發與技術發展概況

我國對於RNA病毒之動物疫苗開發與技術發展概況

財團法人農業科技研究院 林俊宏資深正研究員兼副院長

一、RNA病毒簡介

  病毒依遺傳物質之成份可分為DNA病毒與RNA病毒兩類。RNA病毒之中文全名為核糖核酸病毒;該類病毒之遺傳物質可能為正鏈單股RNA [(+)ss RNA]、反義單股RNA [(–)ss RNA] 或雙股RNA (dsRNA)。目前已知多種RNA病毒與人類或動物之疾病有關 (表一)。多數之RNA病毒只會感染特定種別動物之特定細胞,具宿主專一性。但少數病毒會感染多種宿主或經由跨宿主方式感染人類,並進一步出現人傳人病例。

表一、與人類或動物疾病相關之RNA病毒實例

病毒 遺傳物質 感染對象 外套 (envelope)
嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒
(severe acute respiratory syndrome coronavirus, SARS-CoV)
(+)ss RNA +
中東呼吸症候群冠狀病毒
(Middle East respiratory syndrome coronavirus, MERS-CoV)
(+)ss RNA +
腸病毒71 型病毒
(enterovirus 71, EV71)
(+)ss RNA
諾瓦克病毒
(Norwalk virus, NV)
(+)ss RNA
人類愛滋病病毒
(human immunodeficiency virus 1, HIV-1)
(+)ss RNA +
豬繁殖和呼吸障礙綜合症病毒
(porcine reproductive and respiratory syndrome virus, PRRSV)
(+)ss RNA +
口蹄疫病毒
(foot-and-mouth disease virus, FMDV)
(+)ss RNA
豬瘟病毒
(classical swine fever virus, CSFV)
(+)ss RNA +
豬水疱病毒
(swine vesicular disease virus, SVDV)
(+)ss RNA
牛病毒性下痢病毒
(bovine viral diarrhea virus, BVDV)
(+)ss RNA +
馬動脈炎病毒
(equine arteritis virus, EAV)
(+)ss RNA +
豬流感病毒
(swine influenza virus, SIV)
(–)ss RNA +
水泡性口炎
(vesicular stomatitis virus, VSV)
(–)ss RNA 牛、馬、豬 +
立百病毒
(Nipah virus, NV)
(–)ss RNA 人、豬 +
牛流行熱病毒
(bovine ephemeral fever virus, BEFV)
(–)ss RNA +
新城病病毒
(newcastle disease virus, NDV)
(–)ss RNA +
豬假性狂犬病病毒
(pseudorabies virus, PRV)
dsRNA +
雞傳染性華氏囊病毒
(infectious bursal disease virus, IBDV)
dsRNA

 

  於RNA病毒中,冠狀病毒  (coronavirus, CoV) 之基因體最大,總長約為26~32 kb。該類病毒是一群具雙層脂質封套之正鏈單股核糖核酸病毒。其封套上具有棒狀突起之結構蛋白質,在電子顯微鏡下觀察會呈現皇冠狀 (圖一),故被命名為冠狀病毒;其英文中之corona源自於拉丁文,意為皇冠。根據國際病毒分類委員會 (International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV) 之病毒分類規範,冠狀病毒隸屬於巢氏病毒目 (Nidovirales)、冠狀病毒科(Coronaviridae)、正冠狀病毒亞科 (Orthocoronavirinae)。依據血清型與基因體特性,正冠狀病毒亞科又可細分為α、β、γ及δ四個屬。此類病毒廣泛存在於自然界中,自然宿主如人類、家畜、禽類、鼠類及野生哺乳類動物 (如蝙蝠、果子狸及穿山甲)。目前已知之致病性冠狀病毒所引起之病徵如表二所示。

我國對於RNA病毒之動物疫苗開發與技術發展概況-1
圖一、利用穿透式電子顯微鏡觀察雞傳染性支氣管炎病毒之型態
照片來源:https://phil.cdc.gov/Details.aspx?pid=15523
照片提供者為CDC/ Dr. Fred Murphy; Sylvia Whitfield


表二、致病性冠狀病毒

病毒 宿主 病癥
人類冠狀病毒
(human coronavirus) 229E
α 輕度呼吸道感染
人類冠狀病毒
(human coronavirus) NL63
α 輕度呼吸道感染
豬呼吸道冠狀病毒
(porcine respiratory coronavirus, PRCV) ISU‐1
α 輕度呼吸道感染
傳染性胃腸炎病毒
(transmissible gastroenteritis virus, TGEV) PUR46‐MAD
α 腹瀉,小於2週齡的仔豬死亡率為100%
豬流行性下痢病毒
(porcine epidemic diarrhea virus, PEDV) ZJU‐G1‐2013
α 嚴重水樣下痢
新型豬腸道α冠狀病毒
(swine enteric alphacoronavirus, SeACoV) CH/GD‐01
α 嚴重和急性腹瀉與
急性嘔吐
犬冠狀病毒
(canine coronavirus) NTU336/F/2008
α 輕度的臨床症狀與腹瀉
駱駝α冠狀病毒
(camel alphacoronavirus) Riyadh
α 駱駝 無症狀
貓傳染性腹膜炎病毒
(feline infectious peritonitis virus, FIPV)
α 發燒、血管炎及
漿膜炎,有或沒有積液
人類冠狀病毒
(human coronavirus) HKU1
β 肺炎
人類冠狀病毒
(human coronavirus) OC43
β 輕度呼吸道感染
嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒
(severe acute respiratory syndrome coronavirus, SARS-CoV)
β 嚴重急性呼吸道症,
死亡率為10%
中東呼吸症候群冠狀病毒
(Middle East respiratory syndrome coronavirus, MERS-CoV)
β 嚴重急性呼吸道症,
死亡率為37%
牛冠狀病毒
(bovine coronavirus) ENT
β 腹瀉
馬冠狀病毒
(equine coronavirus) Obihiro12‐1
β 發燒、厭食及
白血球減少症
小鼠肝炎病毒
(Murine coronavirus mouse hepatitis virus, MHV) A59
β 急性肺炎與嚴重肺損傷
白鯨冠狀病毒
(beluga whale coronavirus) SW1
γ 白鯨 肺部疾病與
晚期急性肝衰竭
傳染性支氣管炎病毒
(infectious bronchitis virus, IBV)
γ 嚴重呼吸系統疾病
鵯冠狀病毒
(bulbul coronavirus) HKU11
δ 呼吸系統疾病
(從死亡野鳥呼吸道收集)
麻雀冠狀病毒
(sparrow coronavirus) HKU17
δ 麻雀 呼吸系統疾病
(從死亡野鳥呼吸道收集)

 

二、RNA病毒對我國畜牧產業影響

  現代畜禽養殖產業面臨比過去更為複雜的疾病。業者必須針對不同之病原進行預防與控制,以避免疫情蔓延所造成之經濟損失。RNA病毒為影響產業經濟甚鉅之病原之一,如可感染豬隻之豬繁殖和呼吸障礙綜合症病毒 (PRRSV)、口蹄疫病毒 (FMDV) 及豬流行性下痢病毒 (PEDV);可感染雞隻之新城病病毒 (NDV) 與雞傳染性華氏囊病毒 (IBDV) 皆會造成嚴重之經濟損失。舉例來說,1997年豬隻口蹄疫情發生即造成高達1,700多億元之整體經濟損。對於畜禽養殖業者而言,良好之飼養管理為預防疾病發生之最根本方法。此外,疫苗之使用亦是疾病預防措施中不可或缺之一環。

  目前全球產學研界已針對多數可感染人類或動物之RNA病毒開發不同類型之疫苗與治療方法。於疫苗技術開發過程中,早期以傳統不活化病毒疫苗為主。但隨著重組DNA技術之進步與病毒基因體之解序技術日漸純熟,許多新穎疫苗研製技術不斷推陳出新。利用生物技術來研製新型疫苗使產品更為安全、有效及便宜已成為重要發展趨勢。

 

三、防治動物RNA病毒危害之相關技術發展

  目前可運用於防治RNA病毒感染人類之藥物與方法包括抗病毒藥物、疫苗、重組治療用抗體、抗血清及細胞療法。在預防RNA病毒感染家畜禽方面,則以疫苗為主。
  疫苗係指可用於預防、改善或治療細菌性或病毒性感染之生物藥品,其中含有可誘發人體或動物產生保護性免疫反應之成分。研究顯示,可運用於防治病毒性感染之疫苗種類包括不活化病毒疫苗、活毒減毒疫苗、病毒載體疫苗、次單位疫苗、胜肽疫苗、DNA疫苗及RNA疫苗。以下將就該些疫苗進行簡要說明。

(1) 不活化病毒疫苗
  將分離之病毒感染特定細胞獲得增殖之病毒後,以化學方法處理使其失去複製與繁殖能力,再混合佐劑可製成不活化病毒疫苗。該類疫苗之安全性高,無毒力回復與潛伏感染之疑慮,但其僅能誘發體液性免疫反應,且免疫次數需達2次以上,方能達到理想之免疫效果。目前市售之家畜禽RNA病毒不活化疫苗如豬繁殖和呼吸障礙綜合症病毒PRRSV不活化疫苗、口蹄疫不活化疫苗、新城病不活化疫苗及牛流行熱不活化疫苗。

(2) 活毒減毒疫苗
  活毒減毒疫苗係利用低致病性之活病毒進行疫苗之製備;該活病毒可能為自然突變所產生,或利用化學突變與基因工程等人為方式所獲得。目前市售之家畜禽RNA病毒活毒減毒疫苗如PRRSV活毒疫苗、豬瘟活毒疫苗及雞傳染性華氏囊病毒活毒疫苗。

(3) 病毒載體疫苗
  將特定抗原基因嵌入高安全性之病毒載體如不具複製能力之腺病毒 (adenovirus) 載體中並轉染至特定細胞後,以生成之重組腺病毒作為疫苗之主成分。將定量之重組病毒免疫動物後,病毒會進入細胞中並生產特定抗原,進而誘發細胞性與與體液性免疫反應。目前家畜禽RNA病毒載體疫苗仍處於研發階段,尚未有產品問世,如帶有豬假性狂犬病病毒PRV醣蛋白質gB、gC及gD基因之腺病毒可誘發豬隻產生抵禦PRV感染之效果。

(4) 次單位疫苗
  次單位疫苗係利用基因工程技術所生產之重組抗原與佐劑混合而成。該類疫苗之生產技術門檻較高,需利用微生物或哺乳類細胞建構蛋白質表現系統並建立微生物或細胞發酵製程與重組蛋白質純化製程。目前市售之家畜RNA病毒次單位疫苗如PRRSV次單位疫苗與豬瘟E2次單位疫苗。

(5) 胜肽疫苗
  胜肽疫苗係以含有T細胞或B細胞抗原決定部位 (epitope) 之化學合成胜肽作為疫苗活性成分;常見之製法如將化學胜肽與核酸類佐劑或蛋白質佐劑混合後,再利用微脂粒包覆上述成分。該類之疫苗可誘發細胞性與體液性免疫反應,具有運用於治療病毒感染性疾病之潛力。目前家畜禽RNA病毒胜肽疫苗多處於研發階段,成功商品化之案例如豬口蹄疫合成胜肽疫苗。

(6) DNA疫苗
  DNA疫苗係以含有真核啟動子與特定病毒基因之表現質體或PCR生產線性DNA作為疫苗活性成分。當質體或線性DNA傳送至體內後會進入細胞中並開始進行轉錄與轉譯,進而生產特定抗原。表現之抗原可進一步誘發細胞性與體液性免疫反應。目前可應用於對抗家畜禽RNA病毒之DNA疫苗仍處於研發階段,尚未有產品問世,如PRRSV與口蹄疫DNA疫苗。

(7) RNA疫苗
  RNA疫苗係將可編碼特定抗原之mRNA以微脂粒包覆後所製成。將其注射至體內後,包覆mRNA之微脂粒會藉由胞吞作用進入細胞內,並釋放出mRNA。於細胞質中,mRNA會被核醣體所辨識,並開始進行轉譯作用產生抗原。之後,表現之抗原會被降解為抗原片段,再藉由第一型與第二型主要組織相容性複合體將抗原片段呈現至細胞表面並被CD8+T與CD4+T細胞所辨識,進而誘發細胞性與體液性免疫反應。目前有關RNA疫苗之研發方向主要聚焦於人類相關疾病,未來亦可將相關技術應用於家畜禽RNA病毒疫苗之開發。

 

四、我國動物疫苗研發實力雄厚
  根據 Fortune Business (2019) 研究指出,2018年全球動物疫苗市場規模約為97.5億美元,預估2026年將達到160.01億美元,年複合成長率為6.4%。於全球動物疫苗市場中,以家畜禽疫苗產品之市場規模占比最大;其中又以亞太地區之成長最為快速。家畜禽疫苗市場規模持續增長之主因包括養殖規模持續擴增、疾病之爆發、新產品之推出、政府支持計畫及農民之防疫知識日益提升。為抵禦不同家畜禽疾病之發生、提升舊有疫苗之效果及增進免疫之方便性,各國之產學研界仍積極開發符合市場需求之創新單/多價疫苗。

  我國動物疫苗產業始於民國三十八年,迄今已有七十一年之歷史。於產業發展過程中,政府長期投入資源與研發經費,以持續深耕重點領域技術、促進產學合作、培育高階研發人才、整合運用研發資源、強化業者輔導及推動國際化等策略,積極協助產業技術創新與提升競爭優勢。相較於亞洲其他國家,我國具有充沛之疫苗研發人才,藉由既有之研發能量搭配合適病毒株、細胞模式及動物模式等工具將有助於開發安全有效之新型家畜禽RNA病毒疫苗。 

 

五、結語
  得益於科技與交通的發達,國際間交流越來越方便,面對未來「地球村」的發展型態,許多地區性疫病亦更加容易隨著運輸系統擴散至全世界,國內民生健康與農業整體經濟也將受到許多挑戰,因此,病毒創新防治需結合生物基礎研究與科技研發,再加上宏觀、靈活的分析能力及技術才能切實幫助產業與民生。

林俊宏
林俊宏 資深正研究員兼副院長
財團法人農業科技研究院

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