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备战高考情境疫苗
备战高考情境:
疫苗(结合新冠疫苗总结)
在明末清初,中国很多医生为儿童接种人痘。
分为两种方法,其一是将天花病人穿过的衣服给儿童穿,其二是将天花病人的痘痂风干研成粉末,用小管吹入儿童鼻孔。
用现代医学的角度分析,这是有一定科学根据的。
天花病人穿过的衣服或痘痂粉末中含有失活的天花病毒,有可能诱导产生特异性免疫应答。
这两项技术也被记录到预防天花的专著《种痘新书》中。
几百年来,疫苗的进化过程经历了一、二、三代的升级演化:
灭活、减毒或无毒的完整病原体(整株疫苗)——亚单位苗和基因工程苗等——核酸疫苗(DNA疫苗、基因疫苗)。
第一代疫苗
第一代疫苗是使用完整的病原体作为疫苗,简单说,就是直接使用病毒,将病毒活性杀死或者降低其毒性,促使疫苗进入体内的时候,人体产生抗体,实现免疫的目的。
主要代表:
减毒活疫苗、灭活疫苗。
(1)减毒活疫苗
这一类的病毒疫苗多具有超过90%的效力,其保护作用通常延续多年。
它的突出优势是病原体在宿主复制产生一个抗原刺激,抗原数量、性质和位置均与天然感染相似,所以免疫原性一般很强,甚至不需要加强免疫。
这种突出的优势同时也存在潜在的危险性:
在免疫力差的部分个体可引发感染;突变可能恢复毒力。
后者随着病原毒力的分子基础的认识可更合理地进行减毒,可能使其减毒更为确实并不能恢复毒力。
(2)灭活疫苗
与减毒活疫苗相比灭活疫苗采用的是非复制性抗原(死疫苗),因此,其安全性好,但免疫原性也变弱,往往必须加强免疫。
需要注意的是,并不是所有病原体经灭活后均可以成为高效疫苗:
其中一些疫苗是高效的,如索尔克注射用脊髓灰质炎疫苗(IPV)或甲肝疫苗;其它则是一些低效、短持续期的疫苗,如灭活后可注射的霍乱疫苗,几乎已被放弃;还有一些部分灭活疫苗的效力低,需要提高其保护率和免疫的持续期,如传统的灭活流感和伤寒疫苗。
这些低效疫苗大多数将被新型疫苗代替。
备注:
灭活是指用物理或化学手段杀死病毒、细菌等,但是不损害它们体内有用抗原的方法。
灭活病毒,会使病毒蛋白的高级结构受到破坏,蛋白不再有生理活性,所以失去感染,致病和繁殖能力,但是常规的灭活不影响病毒蛋白的一级结构,意思就是病毒蛋白的序列没有变化。
免疫系统对抗原的识别分成两种,一种是构像表位,一种是线性表位。
构象表位意思就是蛋白的三维结构,而线性表位就是蛋白的序列一级结构。
T细胞只需要识别线性表位就能接受免疫呈递细胞给出的信号,引发免疫反应。
所以灭活的病毒具有抗原性,但失去感染力。
这个其实是很多疫苗的制造原理。
灭活的病毒失去感染活性,但仍有融合活性。
用于动物细胞工程中的细胞融合的诱导剂。
狂犬疫苗中的病毒是用β-丙内酯(BPL)灭活的。
β-丙内酯(BPL)直接与病毒核酸作用,改变病毒核酸结构达到灭活目的。
甲醛也有灭活功能。
第二代疫苗
第二代疫苗将抗原精简为病原体的蛋白或多糖,可以通过基因重组技术来实现抗原设计,并在体外表达、提纯。
相比第一代苗,第二代苗更安全,毒副作用更低。
主要代表就是亚单位疫苗和重组基因疫苗。
(1)亚单位疫苗:
通过鸡胚或者工具细胞大量扩增病毒,然后利用化学分解或有控制性的蛋白质水解方法,提取病原体的特殊蛋白质结构,筛选出的具有免疫活性的片段制成的疫苗。
这里要注意和前一代灭活疫苗中的裂解疫苗做区分,裂解疫苗仍然是蛋白质,而亚单位疫苗则是蛋白质进一步水解产生的可以诱导免疫应答的多肽片段。
亚单位疫苗是将致病菌主要的保护性免疫原存在的组分制成的疫苗,所以也叫组分疫苗。
(2)重组基因疫苗:
无论是裂解病原体产生的蛋白质,还是进一步分解产生的亚单位,这些能够诱导免疫应答的蛋白质或蛋白质水解产物都是由核酸引导合成的。
所以科学家就开始尝试把引导合成蛋白质的基因片段植入到工具细胞中(基因重组技术),让这些工具细胞海量生产相应的蛋白质。
然后再收集、纯化这些蛋白质,也就得到重组基因疫苗。
常用的工具细胞包括大肠杆菌、酵母菌等等,通过简单、高效的发酵工业可以快速批量生产,成本比亚单位疫苗更低。
第三代疫苗
第三代疫苗则是将抗原简化成顶层的核酸物质,接种后借用人体细胞实现一步到位的胞内抗原表达。
目前,第三代疫苗在研发速度、产业化、以及疫苗的免疫原性上优势明显,应用前景良好。
主要包括重组病毒载体疫苗和核酸疫苗。
(1)重组病毒载体疫苗:
将病毒负责诱导和成免疫原性蛋白质/亚单位的基因片段找出来,然后嫁接到某种我们熟知的、没有致病性或者致病性极微弱的病毒(例如腺病毒)上。
探后利用载体病毒带着基因片段进入人体细胞,大量合成可以诱导免疫应答的蛋白质/亚单位。
这就等于综合了减毒活疫苗和亚单位疫苗的优势,又避免了各自的短板。
例如我国独立研发、具有完全自主知识产权的重组埃博拉病毒病疫苗,虽然已经获批上市,但埃博拉病毒疫情主要还是在非洲。
但非洲电力供应不方便,很多部落地理距离遥远,长途冷链运输确实有一定难度。
备注:
腺病毒载体疫苗属于新型疫苗中的载体疫苗,它是以腺病毒作为载体,将保护性抗原基因重组到腺病毒基因组中。
与牛痘这样古老的减毒或灭活疫苗等相比,载体疫苗既有足够的安全性,又能产生良好的免疫效果。
重组腺病毒载体新冠病毒疫苗,就是以改造过的复制缺陷型腺病毒为载体,搭载上新冠病毒的S基因,进入受试者体内,使人体产生对S蛋白的免疫记忆,从而达到免疫效果。
形象一点比喻就是,腺病毒载体就像一辆载着新冠病毒S基因的“货车”,将目的基因递送到细胞内,引导宿主细胞翻译出人们想要的S蛋白,让免疫系统识别,如果再遇上新冠病毒,它们就能立刻组织反攻。
(2)核酸疫苗:
包括DNA疫苗和mRNA疫苗两种。
就是将编码某种抗原蛋白的病毒基因片段(DNA或RNA)直接导入动物体细胞内,并通过宿主细胞的蛋白质合成系统产生抗原蛋白,诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答,以达到预防和治疗疾病的目的。
两者的区别在于DNA是先转录成mRNA再合成蛋白质,mRNA则直接合成。
疫苗的发现可谓是人类发展史上一件具有里程碑意义的事件。
因为从某种意义上来说人类繁衍生息的历史就是人类不断同疾病和自然灾害斗争的历史,控制传染性疾病最主要的手段就是预防,而接种疫苗被认为是最行之有效的措施。
而事实证明也是如此,威胁人类几百年的天花病毒在牛痘疫苗出现后便被彻底消灭了,迎来了人类用疫苗迎战病毒的第一个胜利,也更加坚信疫苗对控制和消灭传染性疾病的作用。
此后200年间疫苗家族不断扩大发展,目前用于人类疾病防治的疫苗有20多种。
经典例题提升思维
例1:
安全有效的疫苗被认为是战胜新冠疫情的“终极武器”。
截止到2021年2月28日,我国共有4款新冠疫苗获批上市,走在世界新冠疫苗研发的前沿。
根据采用的主要技术路径不同,目前研制的新冠疫苗主要是核酸疫苗、灭活疫苗、腺病毒载体疫苗、重组蛋白疫苗。
对于新冠疫苗研制的技术路径,下列说法合理的是( )
A.通过基因工程方法,生产提纯新冠病毒最有可能作为抗原的S蛋白,制成重组蛋白疫苗
B.将新冠病毒在琼脂培养基上进行培养,然后通过灭活和纯化,制成灭活疫苗
C.mRNA疫苗在人体细胞内作为模板合成病毒刺突蛋白(如S蛋白)可刺激人体产生抗体
D.用改造后无害的腺病毒作为载体,和新冠病毒的刺突蛋白基因(如S蛋白基因)重组,可制成腺病毒载体疫苗
【答案】ACD
【分析】
疫苗是将病原微生物(如细菌、立克次氏体、病毒等)及其代谢产物,经过人工减毒、灭活或利用转基因等方法制成的用于预防传染病的自动免疫制剂。
疫苗保留了病原菌刺激动物体免疫系统的特性。
当动物体接触到这种不具伤害力的病原菌后,免疫系统便会产生一定的保护物质,如免疫激素、活性生理物质、特殊抗体等;当动物再次接触到这种病原菌时,动物体的免疫系统便会依循其原有的记忆,制造更多的保护物质来阻止病原菌的伤害。
例2:
特异性抗体可以治疗新冠病毒引起的肺炎,疫苗可以预防肺炎。
新冠疫苗主要采用的技术路径是核酸疫苗、灭活疫苗、腺病毒载体疫苗、重组蛋白疫苗。
科研人员通过培养某新冠康复者的外周血单核细胞获得2种抗体,抗体能阻断病毒S蛋白与ACE2受体的结合(如图所示)。
下列叙述正确的是( )
A.在配制的完全培养基上培养新冠病毒,然后将其灭活制成疫苗能刺激人体产生抗体
B.用经过改造后无害的腺病毒作为载体,和新冠病毒的刺突蛋白基因(如S蛋白基因)重组,可制成腺病毒载体疫苗
C.mRNA疫苗在人体细胞内作为模板合成病毒刺突蛋白(如S蛋白)可刺激人体产生抗体
D.新冠病毒可以用稀释涂布平板法分离和计数
【答案】BC
【分析】
1、疫苗是指为了预防、控制传染病的发生、流行,用于人体预防接种类预防性生物制品。
2、预防接种用的生物制品包括疫苗、菌苗和类毒素,疫苗属于抗原。
例3:
陈薇院士在新冠疫情防控中做出了突出贡献,被国家授予“人民英雄”荣誉称号,她的团队研发的我国首个腺病毒载体新冠疫苗获批附条件上市。
重组新冠疫苗的制备流程如下图所示。
回答下列问题:
(1)图中①代表的过程是__________。
基因工程的基本操作程序中步骤③是_________。
(2)上述疫苗制备中的目的基因是__________,作为运载体的是____________。
欲对目的基因进行扩增,应采用___________技术。
(3)志愿者接种重组新冠疫苗可预防新冠肺炎。
请简述重组新冠疫苗在机体发挥作用的机理_____________。
(4)为研究疫苗的注射剂量对志愿者产生的免疫效果,需进一步试验,请写出实验思路_________。
【答案】
(1)逆转录 基因表达载体的构建
(2)刺突蛋白基因 腺病毒 PCR
(3)重组疫苗刺激机体产生相应抗体、记忆细胞和效应T细胞,记忆细胞在机体被新冠病毒感染时能够迅速增殖分化为浆细胞,进而快速产生大量抗体,从而引起预防作用
(4)给不同组志愿者分别注射不同剂量的疫苗,一段时间后采集血样检测相应抗体的水平
例4:
新获批上市的腺病毒载体新冠疫苗,是我国现今唯一可采用单针接种程序的疫苗。
腺病毒的遗传物质是DNA,腺病毒载体新冠疫苗是把新冠病毒S蛋白的基因构建到腺病毒基因组,疫苗与机体内靶细胞表面受体结合并通过胞吞进入细胞内,表达的新冠病毒S蛋白作为抗原刺激机体产生特异性免疫。
回答下列问题:
(1)新冠病毒的遗传物质是RNA。
与腺病毒载体新冠疫苗在宿主细胞内合成S蛋白相比,新冠病毒在宿主细胞内合成自身S蛋白所涉及的病毒遗传信息传递过程的不同点是___________________。
(2)腺病毒的基因组中的E1基因是自身复制和自身其他很多基因转录所必需的,去除E1基因构建的复制缺陷型腺病毒载体用来携带新冠病毒的抗原信息,经过改造后的病毒___________________(填“能”或“不能”)进入宿主细胞,___________________(填“能”或“不能”)在宿主细胞内增殖。
(3)与复制缺陷型腺病毒载体制备的疫苗相比,如果用没有去除E1基因的复制型腺病毒载体制备疫苗给人体接种,激发产生的免疫反应维持时间更___________________(填“长”或“短”),理由是______________________________________。
但新冠疫苗仍采用复制缺陷型腺病毒作为载体,原因可能是______________________________________。
【答案】
(1)(直接由RNA通过翻译合成S蛋白)没有经过DNA的转录过程
(2)能 不能
(3)长 复制型腺病毒载体能在人体内复制增殖,不断表达 新冠病毒S蛋白安全性高,腺病毒自身的蛋白质合成量少,副作用小
例5:
疫苗从研制走向临床使用,需经动物实验和临床实验等多重检测,以保证其安全性和有效性。
陈薇团队对上述复制缺陷重组腺病毒疫苗的特异性免疫反应及其保护效果进行评价。
图1、2表示不同的接种剂量和接种方式对小鼠免疫的影响,图3表示接种不同剂量疫苗,14天后接种新冠病毒,72小时后检测小鼠肺组织的病毒含量。
请回答:
(1)IFNγ是一种能增强效应T细胞活力的淋巴因子,在免疫系统组成中,它与抗体均属于________。
由图1、图2结果可知,该疫苗可诱导小鼠产生明显的________免疫和________免疫。
(2)图3实验中对照组的处理为_____,结果显示疫苗对感染小鼠有明显的保护作用。
为了达到最大的保护效果,该疫苗最适合的接种方式和剂量为____。
(3)临床实验结果显示,该疫苗注射后至少有六个月的保护期,请分析该疫苗能持续对接种者进行保护的原因。
____
(4)有人认为,最近出现的变异新冠病毒有可能使该疫苗失去保护作用。
你是否赞同他的观点?
请说明理由。
____
【答案】
(1)免疫活性物质 细胞 体液
(2)注射等量的不含疫苗的生理盐水,14天后接种等量新冠病毒 肌肉注射、高剂量
(3)注射疫苗后,人体内会产生记忆细胞,记忆细胞可以长期存活。
当新冠病毒入侵时,记忆细胞快速增殖分化产生相应的效应T细胞和浆细胞并分泌抗体,快速清除病毒
(4)赞同 理由是:
若变异病毒的S蛋白基因发生突变;表达出的S蛋白与疫苗的S蛋白结构差异过大,会导致人体注射疫苗后产生的抗体或记忆细胞无法识别新病毒,故疫苗失去保护作用。
或答“不赞同”,理由是:
若变异病毒发生突变后表达出的S蛋白与疫苗的S蛋白结构差异不大,人体注射疫苗后产生的抗体或记忆细胞仍能识别并清除该病毒,疫苗仍有保护作用
例6:
新冠病毒主要通过其表面刺突蛋白(S蛋白)与人体细胞膜上的ACE2蛋白结合实现感染。
截止2021年4月12号,中国成为全球首个能提供三种生产新冠疫苗技术路线(灭活疫苗、重组蛋白疫苗和腺病毒载体疫苗)的国家。
三种新冠疫苗研发途径的技术原理如下:
灭活病毒疫苗是用各种理化方法灭活病原微生物及其代谢产物,再通过纯化等步骤制备出相应疫苗;重组蛋白疫苗是将病毒的目标抗原基因整合到表达载体中,然后将表达载体转化到中国仓鼠卵巢细胞中,经诱导表达出大量的抗原蛋白,再通过纯化而得到的疫苗;腺病毒载体疫苗以腺病毒作为载体,将目标抗原基因重组到载体病毒基因组中得到的疫苗。
回答下列问题:
(1)上述灭活病毒疫苗中的“灭活”使新冠病毒失去 ,但并不破坏该病毒 。
(2)制备基因蛋白疫苗和腺病毒载体疫苗均需要获取S蛋白基因,获取过程是提取新冠病毒总RNA,在 酶的作用下合成DNA,再采用PCR技术选择性扩增出S蛋白基因。
PCR技术的前提是要有一段 ,以便根据这一序列设计出特异性的引物。
(3)腺病毒载体疫苗是将S蛋白基因重组到改造后无害的腺病毒内,导入人体,在体内产生S蛋白,刺激人体产生相应抗体。
改造后的腺病毒载体应具备的条件是 (答出2条)。
与重组蛋白疫苗相比,腺病毒载体疫苗的优点体现在 。
(4)腺病毒载体疫苗注入人体后,其发挥作用的机理是 。
【答案】
(1)感染性 抗原结构
(2)逆转录 已知S基因一段核苷酸序列
(3)具有1个或多个限制酶切位点、能自我复制(或具有标记基因)
持续表达抗原,免疫应答持久
(4)腺病毒能够将S蛋白基因转化到受体细胞中,并在受体细胞中表达出S蛋白,作为抗原引起人体的免疫应答
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