专利名称：多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种理论免疫应答率预测系统，尤其涉及一种关于中国HLA-A、 B位点限 制性多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统。
背景技术：
疫苗(vaccine)是用于诱导机体产生免疫应答的抗原性物质，传统制备疫苗的方法是通 过培养病原微生物来制备各种死疫苗，减毒活疫苗以及亚单位疫苗。这些疫苗到目前为止己 经成功地用于预防很多传染病的发生和流行。然而，尽管这些传统方法制备的疫苗取得了显 著的效果，但是同时存在着生物危害性和遗传变异致使原疫苗效力丧失等问题。而且，并非 所有的病原体都能成功地通过传统的方法来制备其疫苗。例如，传统的疫苗无法对大多数 HIV、 HCV、结核杆菌等难以克服的传染性疾病及肿瘤实施有效的治疗和预防。随着生物化 学、分子免疫学技术及基因工程技术的发展，表位疫苗的出现弥补了传统疫苗的不足。表位 疫苗(epitope vaccine)是用抗原表位制备的疫苗，包括合成肽疫苗(synthetic peptide vaccine)、 重组表位疫苗(recombinant epitope-based vaccine)及表位核酸疫苗(epitope DNA vaccine, minigenes/epigenes)，是目前研制感染性疾病和恶性肿瘤疫苗的方向。尤其在诱导细胞免疫方 面，表位疫苗减少了疫苗毒副作用，提髙了安全性，增强了免疫针对性。因此，表位疫苗在 避孕、传染性疾病、恶性肿瘤疫苗等方面已成为疫苗学研究的热点。
一个病原体发挥免疫学功能主要是依靠抗体和T细胞识别抗原蛋白上的抗原决定簇，抗原 决定簇由数量不等的抗原表位(epitope)组成，而非整个微生物或毒素。因而，利用分子生 物学手段设计只含有抗原表位的疫苗己经成为目前疫苗研制领域内的重要手段。通常所说的 表位疫苗是用抗原表位氨基酸序列制备的疫苗，它既可以由天然免疫多肽组成，也可以是根 据抗原反应的高度保守区域所设计的合成肽。通过串联多个抗原表位可以有效地增强抗原的 免疫原性。因此，设计同时携带多个目标抗原表位以及相关的辅助性表位的多表位疫苗 (multi-epitope vaccine)可以有效地提高疫苗的免疫源性与生物安全性。这种使用确知的、 最小的CTL及HTL抗原表位所开发出来的疫苗具有下述几种潜在的优势①可以利用在某一 特定的亚型或多亚型间比较保守的抗原表位来设计疫苗。②疫苗中可以使用针对多个病毒结 构基因和附属基因产物的多个抗原表位来诱导具有足够宽度的细胞免疫应答。③可以通过改 变抗原表位之间的免疫优势关系来人为地提高机体对于亚免疫优势抗原表位的识别，从而进 一歩加大细胞免疫识别的宽度。④内源性表位递呈避免了CTL表位肽的降解，可有效地进行 定位运输。⑤可除去抗原中非相关或多变异区域，减小免疫耐受及产生自身免疫的可能性， 安全性更好。⑥每一抗原通常有几种针对不同表位的变异株，但表位变异株的数目不是无限 的，常常限制在l-3个保守区域；因此使用多表位疫苗可以使免疫效应集中在高度保守的特 异性表位，防止抗原调变导致免疫逃避；⑦由于CTL表位仅由数个氨基酸组成，在单一载体 中易于容纳多个不同抗原和不同HLA限制性CTL表位，因此使疫苗具有针对不同HLA人群的"广谱"性。
目前该类疫苗仍存在免疫效力低下等问题。其原因是多方面的，如多肽在体内降解较快 或诱导了机体的免疫耐受、表位的筛选与鉴定、免疫佐剂的使用、HLA基因限制性等一系列 问题。其中，最为关键的因素是HLA基因限制性问题。制备T细胞表位疫苗的关键是要确 定出可被T细胞识别的等位基因特异或非特异的多肽。由于HLA基因的高度多态性，任意 选择的两个个体不太可能有同样的HLA分子， 一种表位疫苗在一个个体有免疫效果而在另一 个个体可能没有免疫效果，即一个特定表位只能被一部分人的HLA分子结合并呈递给T细 胞。由于HLA在人群中呈高度多态性，受特定HLA限制的表位疫苗通常不能在所有个体中 引起预期的免疫反应。因此，对任何具有HLA基因多态性的目标群体而言，设计同时携带多 个目标抗原的多表位疫苗(也称鸡尾酒式疫苗)是非常必要的，其每一表位对部分人群是有 效的。精心组合的多表位疫苗可以被多种遗传背景的HLA分子识别并结合，从而得到高效递 呈。但是，由于人群中HLA的群体遗传结构具有高度异质性，同一表位疫苗使用于不同的人 群中，其理论免疫应答率会相差很大。这是因为特定人群的HLA遗传结构是基因突变、婚配 系统、基因流动和迁徒、自然选择、随机漂变及地理隔离等因素综合作用的结果。不同的群 体因影响因素不同其HLA的遗传结构特征往往差异很大，对多表位疫苗的反应也往往不同。 不同人种对同一多表位疫苗的理论免疫应答率的差别很大。即使同为黄种人的中国人群，其 HLA的群体遗传结构也十分复杂，对同一多表位疫苗的理论免疫应答率的差别也很大。因此， 如何才能发展对大多数人群均有效的表位疫苗是一个棘手问题。解决问题的有效方法是构建 包含多种HLA限制性表位的疫苗，即多表位疫苗。2005年哈佛大学的Pedro A.Reche在表 型预测的基础上，采用美国不同种族人群的基因频率和单倍型频率数据，计算并预测所选表 型在美国人群中的理论免疫应答率(即累计表型频率Cumulative Phenotypic Frequency, CPF ),为预测HLA-A、 B位点限制性多表位疫苗理论免疫应答率，指导疫苗学家设计受 HLA位点限制的多表位疫苗(包括DNA疫苗)奠定了理论与方法基础。
中国是一个多民族、多人口的大国，地理环境错综复杂，由于人口迁移、人群融合、自 然选择、漂变、地理和杜会隔离、突变等众多因素的综合作用，中国人群的HLA遗传结构十 分复杂。近年来，本课题组将群体遗传学理论方法与空间统计学方法相结合，利用我们已建 立的中国人群HLA位点的群体遗传学数据库，对中国人群的HLA遗传结构进行了系统研究。 结果显示，中国人群的遗传结构呈现出明显的空间异质性和空间结构性特征，人群中HLA血 清学基因频率、超型基因频率和单倍型频率的空间分布均呈现出高度异质性。因此，预测中 国人群HLA-A、 B位点理论免疫应答率即积累表型频率(CPF)的空间分布状态对指导设，计 针对中国人群的HLA-A、 B位点限制性多表位疫苗的研究具有重要的理论意义和现实意义。 HLA-A、 B位点累积表型频率(CPF)表达了能够对多表位疫苗产生免疫应答的人群理论百 分比，根据此CPF选择的一组抗原肽表位中至少有一个表位可以被目标人群的HLA等位基 因所识别，从而启动免疫应答。
因此，构建样本点空间分布均匀、密度足够、覆盖各民族群体、检测指标较全面的能够
代表中国人群HLA位点变异性的空间数据库，定义适合中国人群HLA位点数据的累积表型频率(CPF)算法，进而构建一个综合化、可视化、实时化、动态化、时空化、网络化的中 国人群的HLA位点限制性多表位疫苗理论免疫应答率预测系统，对指导中国疫苗学家设计受 HLA位点限制的多表位疫苗(包括DNA疫苗)，评价或预测根据不同HLA组分组合设计的 多表位疫苗(或DNA疫苗)在中国各地人群中的免疫效果均具有重要的理论意义和实际应 用价值。 发明内容
本实用新型的目的就是为了解决目前国内国内外尚缺乏专门针对中国人群HLA分子的 遗传结构特征预测多表位疫苗的理论免疫应答率并据此设计多表位疫苗的研究的问题，在地 理信息系统(geographic information system, GIS)框架内，以国家基础地理信息系统地名数据 库为基础，将理论群体遗传学、分子遗传学、分子免疫学与空间统计学等多学科的理论方法 相结合，针对中国人群HLA位点的遗传结构特征，构建了一个中国多表位疫苗设计的理论免 疫应答率预测系统。
为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案
多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统，它至少有一个用于输入所査询信息并显示 查询结果的用户端单元；该单元通过有线或无线网络与服务器端程序单元连接，并通过该服 务器端程序单元访问WEB服务器、数据库；数据库和WEB服务器连接；后台管理单元则与 WEB服务器、数据库连接。
所述客户端单元为装有浏览器的计算机。
所述服务器端程序单元采用ASP+Access处理来自用户端单元请求，来实现在线査询与 访问记录的基本功能。
所述数据库采用Microsoft Access数据库。
所述WEB服务器采用IIS5.0和ASP&VBScript&ADO。
所述后台管理单元采用ASP进行管理。
本实用新型在网络环境下，基于web平台，利用ASP语言编写了中国HLA限制性多表 位疫苗理论免疫应答率空间预测结果的网络展示系统。用户可以通过本网络展示系统的系统 查询主页面查询拟研究或评价的多表位疫苗的理论免疫应答率的空间预测等值线图。系统维 护人员可以通过本系统的后台管理主页面快捷方便的实现网站的初始化设置与维护升级。实 现了中国HLA限制性多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测结果的网络化发布。
该系统，可以使疫苗学家直接查询HLA限制性多表位疫苗在中国人群的理论免疫应答 率，能够满足中国疫苗学家的需求。对指导中国疫苗学家设计受HLA限制的多表位疫苗(包括DNA疫苗)，评价或预测根据不同抗原表位组分组合设计的多表位疫苗(或DNA疫苗)
在中国各地人群中的理论免疫效果均具有重要的理论与实践意义。
本实用新型的有益效果是实现多表位疫苗理论免疫应答率预测结果的程序化、标准化
和可视化表达及其网络化展示与査询。
图1为本实用新型的结构示意图。
其中，1.客户端单元，2.服务器端程序单元，3.数据库，4.WEB服务器，5.后台管理单元。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。
在图l中，中国HLA-A、 B位点限制性多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统，它 至少有一个用于输入所查询信息并显示査询结果的用户端单元；该单元通过有线或无线网络
与服务器端程序单元连接，并通过该服务器端程序单元访问WEB服务器、数据库；数据库 内设有数据处理单元，根据用户选择，分析所需提供的数据图形，整合后提供给客户端；数 据库和WEB服务器连接；后台管理单元则与WEB服务器、数据库连接。 所述客户端单元为装有浏览器的计算机。
所述服务器端程序单元采用ASP+Access处理来自用户端单元请求，来实现在线查询与
访问记录的基本功能。
所述数据库采用Microsoft Access数据库。
所述WEB服务器采用IIS5.0和ASP&VBScript&ADO。
所述后台管理单元采用ASP进行管理。 本实用新型的工作过程为-
Stepl:用户在客户端单元选择所要预测的人类白细胞抗原HLA超型； Step2:客户端单元通过有线或无线网络将用户选择的HLA超型数据通过WEB服务器发 送给服务器程序单元；
St印3:服务器程序单元根据用户选择的超型数据，在已建立的HLA基因频率空间数'据 库的基础上计算出该选择的HLA超型在每种群体内的HLA基因频率
Step4:服务器程序单元根据计算出的HLA基因频率& ，计算出理论免疫应答率CPF; Step5:服务器程序单元从HLA基因频率空间数据库提取每种人群的地理坐标；
Step6:服务器程序单元将人群的地理坐标，^"以及Ci^等数据发送给数据处理单元，绘制数字化地Step7:服务器程序单元将数字化地图的数据通过WEB服务器发送给客户端单元，并在
客户端单元的浏览器上显示数字化地图。
所述步骤Step3中，HLA基因频率空间数据库的构建服从以下公式 设由n个群体的/n个基因组成的基因频率矩阵为
A2八 A
<formula>formula see original document page 7</formula>扁—A AAA
其中，^为第/个群体某位点上的第y个基因的频率，/ = 1,2,八，"个群体， j、l，2，A，附，单一位点时m为该位点上的等位基因个数，多位点时/n为多个位点上的 所有基因个数；
以中国地形图的左下角为原点，经向为x轴，纬向为j轴，建立二维空间直角坐 标系，则所有样本群体都落在该坐标空间的第一象限内。设第/个群体的空间位置坐 标为0c,，X)，则其HLA基因频率向量有唯一地理坐标与之对应，由此构建了该位点 的空间数据库。将研究区域内，"个样本群体的空间位置坐标表示为"x2阶矩阵C』
nx2
、x2
X'
M M
L凡乂
乂
则，在二维空间内所调査的"个群体的m wx(2 + w)阶矩阵Z即
水
基因的基因频率空间数据可表示为
z = (c,
尸
x2 ， ；ix/w
)
目前，在HLA-A、 B位点的空间数据库数据库中已有153条记录，91条来源于汉 族群体，63条来源于26个少数民族群体，样本含量共计166,566人，其样本群体的 空间分布格局见图2。 153个群体的HLA-A、 B位点血清学基因频率数据在此不予冽 出。
所述步骤Step4中，如果用户所选HLA超型为基于单HLA位点上，则CPF的计算服从 以下公式
0^ = 1- 1-》,
7其中P'表示该HLA位点上某抗原表位组分对应的HLA等位基因集合Q中第Z'个血清学
1-B
、 'efl 乂
表示在该人群中所有个体的两条同
水平或超型水平定义的等位基因的频率。其中
源染色体都不包含HLA等位基因集合Q中任何一个分型的频率；
如果用户所选HLA超型为基于两个HLA位点上，则C7，F的计算服从以下公式
广 V
、 _/eQ2 i.eQ, j.eQ2 乂
^表示第一个HLA位点上某抗原表位组分对应的等位基因集合Q中第Z'个血清学水平或 超型水平定义的等位基因的频率，A表示第二个HLA位点上某抗原表位组分对应的等位基
因集合Q中第7'个血清学水平或超型水平定义的等位基因的频率，~表示n'中第个血清学
水平或超型水平定义的等位基因和^^中第y个血清学水平或超型水平定义的等位基因之间 的单倍型频率；
如果用户所选HLA超型为基于多个HLA位点上则C尸F的计算服从以下公式 1 - Z A, — IX - + S IX + H IX
、 /e。, 《/en2 AeQ3 /eQ, _/en2 /eO, AeQ3
其中，A'，Av，P"分别表示三个HLA位点上，某抗原表位组分对应的等位基因集合 (Ql ，Q2，Q3 )中第f，力A个血清学水平或超型水平定义的等位基因的频率。 表示Q'中第f个
血清学水平或超型水平定义的等位基因与G2第J'个血清学水平或超型水平定义的等位基因 之间的单倍型频率；&表示Q'中第^个个血清学水平或超型水平定义的等位基因与Q3中第* 个血清学水平或超型水平定义的等位基因之间的单倍型频率；^A表示Q2中第7'个血清学水 平或超型水平定义的等位基因与°3中第^个血清学水平或超型水平定义的等位基因之间的 单倍型频率；Aw表示A中第/个血清学水平或超型水平定义的等位基因、。2中第7个血清学 水平或超型水平定义的等位基因与。3中第^个血清学水平或超型水平定义的等位基因之间的单倍型频率；
如果用户所选HLA超型不依赖于单倍型频率，则C户F的上、下限估算公式定义为-
s《)2 ^c户i^i，当l;2^ >1时
当某疫苗学家设计了一种HLA限制性多表位疫苗，例如，该疫苗组分受HLA-A、A2、 A3超型限制。如果他想査询该疫苗在中国人群中的理论免疫应答效果，则他需要在一台客户 端单元上进行如下操作以完成査询过程
1、 点选HLA-A1、 A2、 A3超型前面的复选框、填写邮箱地址并点击"提交"按钮，完 成了査询操作；
2、 客户端单元通过有线或无线网络将将自动将用户提交的信息HLA-A1、 A2、 A3传递 给WEB服务器发送给服务器程序单元；
3、 服务器程序单元根据用户选择的超型数据，在已建立的HLA基因频率空间数据库的 基础上计算出该选择的HLA超型在每种群体内的HLA基因频率
4、 服务器程序单元根据计算出的HLA基因频率&,计算出理论免疫应答率(C尸F)。 此处使用的C尸尸的计算服从以下公式
，=i—" 一 —-1>" s i: ~.+1;
、 jeQ2 fen,」eQ2 i'ef^ fceQ3
、2
5、 服务器程序单元从数据库中提取每种人群的地理坐标；
6、 服务器程序单元将人群的地理坐标，^以及CPF等数据发送给数据处理单元，绘制 数字化地7、 服务器程序单元将数字化地图的数据通过WEB服务器发送给客户端单元，并在客户 端单元的浏览器上显示数字化地图。
9
权利要求1. 多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统，其特征在于它至少有一个用于输入所查询信息并显示查询结果的用户端单元(1)；该单元通过有线或无线网络与服务器端程序单元(2)连接，并通过该服务器端程序单元(2)访问WEB服务器(4)、数据库(3)；数据库(3)与WEB服务器(4)连接；后台管理单元(5)则与WEB服务器(4)、数据库(3)、连接。
2. 根据权利要求1所述的多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统，其特征在于所述客 户端单元(1)为装有浏览器的计算机。
专利摘要本实用新型公开了一种多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统。该系统至少有一个用于输入所查询信息并显示查询结果的用户端单元；该单元通过有线或无线网络与服务器端程序单元连接，并通过该服务器端程序单元访问WEB服务器、数据库；数据库内设有数据处理单元，分析所需提供的数据图形，整合后提供给客户端；数据库和WEB服务器连接；后台管理单元则与WEB服务器、数据库连接。本实用新型实现了多表位疫苗理论免疫应答率预测结果的程序化、标准化和可视化表达及其网络化展示与查询。
文档编号A61B19/00GK201253261SQ20082018804
公开日2009年6月10日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年9月12日
发明者玉 成, 薛付忠 申请人:山东大学