中文摘要
百日咳是高传染性的呼吸道疾病，随着近年来病例的增加，百日咳受到广泛关注。接种疫苗是目前预防百日咳最有效的手段，加强新型疫苗的研发是百日咳防治的重点工作之一。此文综述了百日咳的流行趋势、再现原因以及最新百日咳疫苗研发进展，为新型百日咳疫苗的研发提供参考。
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正文
百日咳是由百日咳鲍特菌引起的急性呼吸道传染病，主要通过呼吸道飞沫传播，多见于5岁以下儿童，尤其是低月龄婴儿。百日咳的特点为阵发性、痉挛性咳嗽，伴有鸡鸣样吸气吼声，少数可能发展为重症甚至死亡。目前，预防百日咳的主要手段是疫苗接种。尽管疫苗接种在很大程度上降低了百日咳发病率，但是近年来各方面的原因使百日咳发病率逐渐上升。本文对百日咳的流行趋势、再现原因及百日咳疫苗研发现状进行综述。
1
百日咳的流行趋势
虽然多个国家均实施了多项防控措施以遏制百日咳的传播，但在全球10岁及以下的儿童中，百日咳所造成的疾病负担仍然维持在较高水平。部分国家（如澳大利亚、英国）报告的百日咳病例数在过去15～20年持续上升，美国的百日咳流行趋势为周期性波动，出现流行高峰的间隔为3～5年。欧盟自2000年以来，百日咳的报告病例数也显著增加，2014—2018年，每年平均报告3.5万～5万例。自2010年起，全球多个国家经历了大规模的百日咳疫情暴发，导致婴儿百日咳重症和死亡案例增加 。在中国，百日咳的流行情况可以划分为2个主要阶段：在疫苗普及之前，百日咳的报告发病率相对较高，在100/10万人～200/10万人之间；20世纪60年代，随着百日咳疫苗的引入，尤其是1978年将DTP纳入国家儿童免疫规划后，百日咳的报告发病率显著降低。自2013年起，我国DTP的大范围接种在遏制百日咳流行方面所取得的成效却不尽如人意，出现了百日咳流行趋势反弹的现象。2015年国内DTP的接种率虽达到99%以上，但2015年起百日咳的年报告病例数以及年均报告发病率均呈持续上升趋势，并在2019年达到高峰。2019年后，全球百日咳病例数有所下降，2022年起又有所反弹（图1）。据报道，2024年前2个月，我国百日咳病例数已达32 380例，接近2022年全年报告病例数。以上数据显示，现有疫苗可能无法满足遏制百日咳流行的需求，百日咳重新进入大众视野。
2
百日咳再现的原因
2.1
传播模式的转变
部分学者提出传播模式的转变是引起百日咳再现的重要原因，在疫苗大范围接种前，病例多为儿童，百日咳处于高流行状态，传播模式为儿童向青少年和成年人传播；扩大免疫规划后，儿童由于接种百日咳疫苗而获得保护，百日咳处于低流行状态，病例主要是早期接种疫苗后抗体水平下降至无法提供充分保护的青少年、成人，以及尚未有机会接受疫苗接种的婴儿，传播模式为青少年和成年人向婴儿传播。目前的研究也指出，对于未接种疫苗的婴幼儿，青少年和成人是主要的传染源。加拿大、法国、德国和美国的研究发现，在家庭环境中，成人是导致婴幼儿感染百日咳的主要因素；天津市的1项家庭聚集性百日咳病例的调查结果也发现，青少年或成人向婴幼儿传播的模式在所有发病情况中占81%，证实了青少年或成人向婴幼儿的传播是主要传播途径。
2.2
监测敏感度的提升
百日咳在全球范围内的流行以及所引起死亡人数的增加，促使国家加强了对百日咳的关注以及对青少年和成年人百日咳的监测。我国当前的传染病直报系统的病例多来源于各级医疗机构的被动监测，根据北京市、广东省和重庆市的主动监测报告，大部分百日咳感染者由于症状不明显、诊断手段灵敏度低以及个人就医意愿差等原因，未得到诊断和报告。通过主动监测发现的百日咳发病率远高于常规哨点医院的报告数，差异可达数十倍至数千倍。目前对百日咳的诊断和报告可能存在较大的遗漏，百日咳的传播被严重低估。COVID-19的影响使传染病备受重视，由于COVID-19和百日咳具有相似症状，因此一些非典型病例被发现，增加了病例的数量。湖北省的1项监测数据显示学生百日咳感染率在2020年后明显增加，推测与学校在COVID-19疫情防控下对传染病防控更加重视、在校学生出现类似传染病症状后到医疗机构的就诊更加规范、学生病例被更多发现有关。自2019年起，随着PCR检测的广泛使用，医疗机构开始采用这种高灵敏度的检测方法进行百日咳诊断，极大提高了百日咳的诊断率，使许多之前难以发现的不典型病例得以确诊。PCR检测的高灵敏度有助于识别临床表现不典型或早期感染的病例，对于早期诊断和治疗具有重要意义，也有助于更准确地评估百日咳的流行状况和控制措施的效果。尽管目前已通过多种途径在一定程度上提升了百日咳的监测敏感度，但仍需通过采取高效、灵敏的检测技术等方式提升监测敏感度，提高百日咳的诊断、治疗和防控水平。
2.3
流行菌株的变化
无细胞百日咳疫苗（acellular pertussis vaccine，aPV）的长期使用以及抗生素的广泛应用，可能会诱导百日咳菌株的变异，使部分基因位点发生改变，产生新的菌株。广州市和佛山市百日咳监测点医院和妇幼保健院将分离得到的疑似百日咳鲍特菌菌株进行复核鉴定时发现，百日咳鲍特菌临床分离株对大环内酯类抗菌药物的耐药率高，与疫苗株的抗原基因型存在差异。天津市对2012—2017年百日咳临床分离菌株进行抗原基因特征分析，发现其特征与疫苗株不同，提出流行菌株通过基因变异发生进化可能是近年来该地区百日咳再现的原因之一。
2.4
易感人群的累积
易感人群的累积是引起传染病流行的重要原因。百日咳在人群中传播的能力非常强，基本再生数在5～17。由于人群普遍易感，且自然感染后不能产生终身免疫，疫苗保护年限大约在4～20年，因此个体一生中可能会多次感染百日咳。中国内地成人DTP研发、供应相对不足，大部分孕妇未在分娩前接种百日咳疫苗，导致新生儿缺乏相应的免疫力，并且接种加强针的人数较少，婴幼儿时期搭建的免疫屏障出现漏洞，难以维持人群免疫力。中国1项涵盖所有年龄层的血清学研究显示，0～89岁人群中，抗百日咳毒素（pertussin toxin，PT）抗体水平≥40 国际单位/mL的比例普遍≤10%。随着疫苗接种和自然感染后获得的免疫力的自然衰减，人群体内抗体浓度降低，普遍对百日咳缺乏免疫力。
2.5
疫苗免疫保护力的减弱
疫苗接种者的抗体水平随时间逐渐降低，无法终身免疫。虽然中国已经全面采用aPV替代全细胞百日咳疫苗（whole-cell pertussis vaccine，wPV），目前均使用白喉-破伤风-无细胞百日咳联合疫苗（diphtheria，tetanus and acellular pertussis combined vaccine，DTaP），全球范围内的流行病学数据显示，在百日咳发病率较低的地区，仅依靠3剂基础免疫和1剂加强免疫的aPV接种可能无法为儿童提供持续到学龄前及以后的充分保护。在1项随访观察了10年的研究中，百日咳疫苗的保护效力在第5年就已经下降至52%。此外，接种了3剂或5剂DTaP人群的每年百日咳发病风险以1.33倍的速度递增 。
百日咳再现离不开传染病流行的3个环节，即传染源、传播途径和易感人群。传染源的增加以及传播途径的改变很难控制，减少易感人群是目前可行且能取得较高收益的对策之一，通过免疫接种能够减少易感人群，形成群体免疫，切断传播途径，从而减少传染源。由于目前疫苗保护效力不佳，因此研制保护周期长、免疫效力高、覆盖菌株范围广的新疫苗是应对百日咳再现的关键。
3
百日咳疫苗
3.1
疫苗工艺
百日咳疫苗从工艺上分为目前已经应用的wPV、aPV和尚在探索中的基因工程疫苗。
wPV是将百日咳全菌体大量培养增殖后，沉降菌体， 在一定温度下用适量浓度的甲醛溶液使菌体灭活成无传染性、但具有免疫原性的菌体原液，接着将不同血清型的菌体原液按一定比例与佐剂配合配制成的百日咳疫苗。虽然wPV诱导记忆B细胞的保护持续时间长于aPV，免疫原性也强于aPV，但wPV的不良反应较多，典型的不良反应包括注射部位红晕、肿胀和疼痛等局部反应以及发热、烦躁、嗜睡等全身反应，而aPV的不良反应较少，安全性更高。
aPV是只选取具有免疫活性的特定抗原，如PT和丝状血凝素（filamentous hemagglutinin， FHA）制备的疫苗，有共纯化和组分纯化2种提取方法。共纯化法是同时提取多种有效抗原，而组分纯化法是使用柱层析将不同的抗原分别纯化后按比例合并。aPV的工艺中去除了不必要的毒性成分，具有更好的安全性和耐受性，适合包括婴幼儿在内的各个年龄段。同时制造工艺要求较高，成本也较高，并且免疫持久性较差，3～5年后抗体水平下降，12年左右几乎完全消失，在百日咳流行时易感人群仍需加强接种。
由于DTaP安全性较高，且不良反应较小，因此被许多国家采用，我国于2007年开始使用DTaP。DTaP的早期生产采用了由Sato等开发的共纯化技术，通过蔗糖密度梯度离心法从百日咳鲍特菌中提取关键抗原。这种方法在精确控制抗原比例上存在局限，导致最终产品的质量一致性不足，可能会对疫苗的稳定性和效果产生影响。更精细的组分纯化通过柱层析法对每种抗原进行单独纯化并精确配比，提高了疫苗的纯度和安全性，制成的疫苗不良反应较少，保护效力更为持久。目前，中国主要使用共纯化工艺来生产aPV，国内一些生物公司也在开发基于柱层析技术的新型组分疫苗，以提高疫苗的质量和安全性。2023年，北京智飞绿竹生物制药有限公司自主研发的吸附无细胞百（组分）白破联合疫苗在广西开展Ⅲ期临床试验，天津康希诺生物股份公司的婴幼儿用吸附无细胞百（组分）白破联合疫苗也于同年正式启动Ⅲ期临床试验，且于2024年8月完成首例受试者入组。中国已上市的百日咳疫苗及其生产工艺、组分配比和适用人群见表1。
基因工程也在疫苗研发中发挥着重要作用。日本Kamachi等成功构建的核酸疫苗通过将编码PT的S1亚单位的基因导入动物体内，成功诱导了抗PT抗体，提供了有效的免疫保护。将PT的S1亚单位、百日咳黏附素和FHA克隆至质粒pVAX1中构建的重组百日咳疫苗动物实验显示，注射该疫苗的小鼠产生的抗体、细胞因子IL-10和IFN-γ明显增加。天津康希诺生物股份公司用基因敲除方法研制的吸附无细胞百日咳（三组分）白喉破伤风联合疫苗Ⅰ期临床试验结果表明，该疫苗在2月龄～6岁儿童中接种后安全性和耐受性良好 ，目前处于Ⅲ期临床试验阶段；2023年该疫苗再次获得临床试验许可，用于6岁以上人群的免疫。利用基因工程技术可以开发更安全、有效、易于大规模生产的疫苗，应对全球范围内的百日咳防控需求。
3.2
新型百日咳疫苗
3.2.1 外膜囊泡（outer membrane vesicle， OMV）疫苗百日咳的OMV疫苗含有多样的百日咳鲍特菌相关抗原，包括腺苷酸环化酶毒素、PT、FHA以及包含多糖和脂多糖的尿酸。与目前使用的aPV相比，OMV疫苗能够引发更全面的免疫应答，产生广泛的抗体，这些抗体不仅针对aPV中的抗原，也针对其他非aPV抗原。在小鼠模型中，从百日咳鲍特菌外膜中提取的蛋白脂质体制剂能够有效预防百日咳的致死性感染，并具备清除攻毒后死亡的细菌的能力。相较于传统的wPV和aPV，OMV疫苗在诱导体液免疫方面表现出更高的效力，能够产生更高水平的各类IgG，包括IgG1、IgG2a、IgG2b、IgG3，在百日咳疫苗的研发中可能发挥重要作用。
3.2.2 微米与纳米颗粒疫苗微米与纳米颗粒疫苗都是基于微粒技术的疫苗形式，不仅可以提高疫苗的免疫原性，还可以改善疫苗的稳定性和安全性。将脱毒的百日咳类毒素和CpG寡聚脱氧核苷酸、聚磷腈和阳离子先天防御调节肽组合成颗粒，在动物中不仅能够诱导免疫应答，还能够提高血清IgG2a和IgG1的抗体滴度。用壳聚糖或海藻酸钠纳米颗粒作为疫苗载体，在动物中经鼻免疫可有效诱导Th1相关的免疫应答。小鼠实验表明，Th1相比Th17或Th2，在宿主对百日咳的免疫中发挥更关键的作用。使用聚乳酸-乙醇酸共聚物为基础的纳米/微米颗粒作为百日咳抗原的载体，不仅能够使百日咳类毒素以纳米/微米颗粒形式在小鼠体内产生相似的抗原特异性IgG应答，诱导Th1应答，还能提供对呼吸道的保护。
3.2.3 减毒活疫苗减毒活疫苗采用经过处理后毒性减弱且仍具有抗原性的病原体（如病毒或细菌）制成，接种后能够诱导机体产生体液免疫和细胞免疫，不会引起疾病发生。通过
PT基因解毒、去除皮肤坏死毒素基因以及用大肠埃希菌
ampG基因替换百日咳鲍特菌
ampG基因，获得了百日咳鲍特菌减毒活疫苗BPZE 1 。在小鼠实验中，BPZE 1 单次接种能在呼吸道定植且不会引起肺部病理变化，与接种2剂aPV相比，BPZE 1 能够更好地保护小鼠免受百日咳鲍特菌的攻击；用BPZE 1 免疫小鼠，可诱导其产生强效的促炎因子，刺激Th1、Th17应答和Treg应答，为机体提供长期保护。
aroA基因突变体的探索为疫苗开发提供了新的可能性，这种突变体能够激发机体产生特异性抗体，从而提供保护作用。虽有研究报道了在小鼠中
aroA百日咳鲍特菌突变体通过诱导特异性抗体应答保护机体，但目前尚无该疫苗能够诱导细胞免疫的报道。候选减毒活疫苗Bbvac也在临床前研究中显示了较好的结果。Bbvac是缺乏丁苷菌素S（butirosins S， btrS ）基因的支气管败血鲍特菌菌株，在小鼠体内，支气管败血鲍特菌中 btrS 基因的缺失并不影响菌株在呼吸道中的定植或初始生长，但加强了对炎症小体通路的激活和炎症细胞的募集。使用Bbvac对小鼠进行1次鼻内免疫，同样可使其免受百日咳鲍特菌的感染。当前已有百日咳减毒活疫苗进入临床试验阶段，Ⅰa和Ⅰb期临床试验结果均显示疫苗具有良好的安全性，受试者未发生疫苗相关的严重不良事件。
3.2.4 新型佐剂疫苗佐剂是在药物或疫苗中使用的辅助物质，可增强疫苗的免疫原性，提高疫苗的保护效果。传统百日咳疫苗使用的铝佐剂虽能提高体液免疫的抗体水平，但对Th1型细胞免疫没有加强作用，并且也是造成免疫接种不良反应的重要原因之一。新一代佐剂拥有更好的免疫效果和更低的不良反应。环鸟苷二磷酸作为免疫刺激佐剂，能够诱导强效Th1应答，减少百日咳感染小鼠肺部的细菌负荷。BP1569是来源于百日咳鲍特菌的新型Toll样受体2刺激剂脂蛋白，可用于替代aPV中的铝佐剂，并能增强Th1、Th17和IgG2a的活性，在小鼠受到百日咳鲍特菌攻击时提供更好的保护效果。研究表明，使用单磷酰脂质A和来自脑膜炎奈瑟菌的脂多糖类似物Lpx12作为佐剂的aPV，相较于使用铝佐剂的aPV，不仅可增强免疫原性（如攻击后肺部定植减少且提高PT特异性血清免疫球蛋白水平），而且可使反应更倾向于Th1应答，导致Ⅰ型超敏反应的参数降低，即肺嗜酸性粒细胞和嗜酸性粒细胞数量减少。新型的细菌样颗粒作为百日咳疫苗的黏膜佐剂时可以诱导小鼠快速产生IgG和IgA，并对感染引起的炎症提供强有力的保护。含有细菌样颗粒佐剂的百日咳疫苗能够有效诱导对百日咳的保护性免疫，是有希望的候选疫苗。
4
小结与展望
近年来，全球范围内百日咳流行均呈现上升趋势，中国百日咳流行趋势上升的幅度更大，报告病例数骤增。免疫持久性不足是引起百日咳再现最为关键的原因之一，加强疫苗的研发是当下百日咳防治的重点工作。虽然流行菌株的变异给新疫苗的研发带来困难，但是百日咳疫苗仍然是目前预防百日咳最有效的措施，且诸多新技术的助力使新疫苗的研发有了更多的可能性。基于OMV的B群脑膜炎奈瑟菌疫苗已在一些国家被使用，表明基于OMV的百日咳疫苗是有前景的研究方向之一。微米与纳米颗粒疫苗处于临床前阶段，BPZE1减毒活疫苗和环鸟苷二磷酸佐剂与aPV联合使用的疫苗处于临床试验阶段，为新型百日咳疫苗的研发奠定了基础。但新型百日咳疫苗的研究仍存在着一定的挑战，目前百日咳疫苗多为联合疫苗，具有减少接种次数、降低成本等优点，而研究的部分新型疫苗为单独给药，如进展较快的BPZE1减毒活疫苗的给药方式为经鼻腔给药，其是否适合进行疫苗的联合使用有待进一步探索。新型佐剂疫苗的有效性、安全性、成本和社会效益也需进一步评估。虽然有一定的挑战，但是新技术与新佐剂的开发为百日咳新型疫苗的研发提供了方向，安全性更高、有效性更强的新型百日咳疫苗将使人群健康得到更加全面的保障。
作者
操召兵 李宇轩 唐继海
安徽省疾病预防控制中心疫苗临床评价中心，合肥 230032
引用本文：操召兵, 李宇轩 , 唐继海. 百日咳的再现及其疫苗研究进展, 2025, 48(2): 130-136.
DOI: 10.3760/cma.j.cn311962-20240516-00028
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撰写| 国际生物制品学杂志
校稿| Gddra编审| Hide / Blue sea
编辑 设计| Alice
