撰文 | 李大鵬（Duke University）

世界上第一支疫苗誕生于18世紀(jì)末的英國(guó)。英國(guó)醫(yī)生愛(ài)德華·詹納 (Edward Jenner) 注意到感染過(guò)牛痘病毒的擠奶女工不會(huì)感染天花，于是推測(cè)牛痘病毒可以預(yù)防天花。通過(guò)實(shí)驗(yàn)他證明了牛痘病毒接種可以有效預(yù)防天花病毒感染。1881年，法國(guó)科學(xué)院院士路易·巴斯德 (Louis Pasteur) 紀(jì)念詹納，提議根據(jù)拉丁語(yǔ)“Variolae vaccinae (牛痘) ”將這種預(yù)防接種制劑命名為“Vaccine” (疫苗) ，并這一過(guò)程命名為“Vaccination” (疫苗接種) [1]。 ?

二百多年來(lái)，科學(xué)家們相繼發(fā)明了針對(duì)狂犬、結(jié)核、小兒麻痹癥等幾十種傳染性疾病的疫苗。最開(kāi)始的疫苗是將病毒用甲醛等進(jìn)行滅活處理，使其失去感染力，稱(chēng)之為滅活疫苗，例如小兒麻痹癥 (脊髓灰質(zhì)炎病毒) 疫苗、狂犬疫苗、甲肝疫苗等。另外，毒力減弱的病毒或細(xì)菌也被用作疫苗，例如麻疹疫苗、風(fēng)疹疫苗、結(jié)核疫苗 (也就是我們所熟知的“卡介苗”) 等，被稱(chēng)為減毒活疫苗。盡管當(dāng)時(shí)人們并不完全清楚疫苗如何保護(hù)機(jī)體免受病原感染，但隨著免疫學(xué)和微生物學(xué)技術(shù)手段進(jìn)步，科學(xué)家們逐漸認(rèn)識(shí)到，預(yù)防性疫苗通過(guò)誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生特異性免疫反應(yīng)，從而起到預(yù)防疾病的效果。

后來(lái)，分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展促使更安全的亞單位疫苗被發(fā)明出來(lái)，所謂亞單位疫苗，是指對(duì)一個(gè)病毒或細(xì)菌，只利用其中的有效成分——往往是1-2個(gè)蛋白——來(lái)誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生免疫保護(hù)。我們熟知的乙肝疫苗、宮頸癌疫苗就是亞單位疫苗的成功典范。

以上三類(lèi)疫苗涵蓋了目前上市的絕大多數(shù)細(xì)菌和病毒疫苗。此外，隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，DNA疫苗、mRNA疫苗以及病毒載體疫苗等新型疫苗也逐漸嶄露頭角，多種有希望的候選新型疫苗都正處于臨床試驗(yàn)階段。

盡管人們已經(jīng)對(duì)疫苗有了深入了解，還是有很多傳染性疾病難以被人類(lèi)攻克。最具有挑戰(zhàn)性的莫過(guò)于人類(lèi)傳染病領(lǐng)域的“Big 4”：艾滋病 (HIV)、流感 (influenza virus)、結(jié)核 (M. tuberculosis)、瘧疾 (malaria)。僅美國(guó)政府每年就投入數(shù)十億美元用于這4種病原體的研究 [2]，然而除了流感病毒每年有季節(jié)性流感疫苗以外，其他疫苗的開(kāi)發(fā)依然舉步維艱。隨著近年來(lái)免疫學(xué)、基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的進(jìn)步，人們?cè)噲D解答一個(gè)問(wèn)題：為什么有些疫苗難做，有些疫苗卻相對(duì)容易？

經(jīng)典疫苗研制成功的關(guān)鍵

簡(jiǎn)言之，打一針可以保護(hù)一輩子的疫苗是理想的疫苗。例如麻疹、風(fēng)疹和流行性腮腺炎疫苗都可以通過(guò)一針免疫實(shí)現(xiàn)十年以上的保護(hù)效力。其中，麻疹疫苗更是對(duì)96%的接種者都能夠?qū)崿F(xiàn)終身保護(hù)[3]。脊髓灰質(zhì)炎病毒疫苗，也就是很多人小時(shí)候吃過(guò)的“糖丸”，已經(jīng)接近實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)脊髓灰質(zhì)炎的消除。亞單位疫苗中，乙肝疫苗是最經(jīng)典的成功案例，它的有效成分為乙肝表面抗原 (HBsAg) ，通過(guò)三針免疫，有效性可達(dá)80%-100%，可以提供長(zhǎng)達(dá)20年以上的保護(hù)[4]。

以上這些長(zhǎng)效的病毒疫苗往往具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是通過(guò)誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生中和抗體來(lái)抵御病毒的入侵。對(duì)于急性感染的傳染病來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)顯得尤為重要。

具體來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)效疫苗可以誘導(dǎo)人體的免疫系統(tǒng)產(chǎn)生出長(zhǎng)效漿細(xì)胞和記憶B細(xì)胞。長(zhǎng)效漿細(xì)胞可以長(zhǎng)期產(chǎn)生抗體；記憶B細(xì)胞雖然不直接制造抗體，但可以長(zhǎng)期保持對(duì)該病毒的“記憶”，一旦發(fā)生病毒入侵，記憶B細(xì)胞就會(huì)被激活產(chǎn)生漿細(xì)胞，從而分泌大量中和抗體來(lái)對(duì)抗病毒。中和抗體可以緊緊附著在病毒表面，阻止病毒與人體細(xì)胞結(jié)合（圖1）；有的中和抗體即使在病毒與細(xì)胞發(fā)生接觸以后，仍然可以阻斷病毒釋放遺傳物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，從而防止病毒感染。

一項(xiàng)研究表明，注射乙肝疫苗免疫30年后，再進(jìn)行一針免疫，有88%的受試者可以產(chǎn)生高滴度的抗體，這證明乙肝疫苗誘導(dǎo)出的記憶B細(xì)胞可以提供長(zhǎng)期保護(hù)[5]。另一個(gè)經(jīng)典的案例是黃熱病疫苗，YFV-17D，一針免疫40年后，接種者體內(nèi)仍然存在特異性抗體[6]。目前，上市的絕大多數(shù)病毒疫苗都是通過(guò)誘導(dǎo)高滴度的中和抗體來(lái)保護(hù)人體免受病毒感染。

為什么有些病毒我們開(kāi)發(fā)不出疫苗？

第一是技術(shù)上的原因。

與上述經(jīng)典疫苗相反，如果疫苗不能誘導(dǎo)特異性針對(duì)某種病毒的中和抗體，那么該病毒就很難通過(guò)疫苗免疫來(lái)預(yù)防。以艾滋病為例，盡管美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生院（NIH）每年投入約6億美元經(jīng)費(fèi)用于研發(fā)HIV疫苗[7]，目前的HIV候選疫苗依然難以在體內(nèi)誘導(dǎo)中和抗體。首先，HIV候選疫苗容易誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生大量“非中和抗體”，這種抗體沒(méi)有中和活性，因此無(wú)法抵御病毒感染細(xì)胞。其次，HIV病毒表面的結(jié)構(gòu)蛋白帶有大量的糖 (約和蛋白自重相等) ，人體內(nèi)即使存在中和抗體，也難以通過(guò)重重阻隔，無(wú)法觸碰到病毒。最后，能夠產(chǎn)生中和抗體的B細(xì)胞往往被自身免疫系統(tǒng)誤認(rèn)為是過(guò)敏反應(yīng)B細(xì)胞，從而在早期階段就被扼殺在搖籃之中[8]。這些技術(shù)上的原因往往是病毒本身的性質(zhì)所決定的。

第二是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)學(xué)的原因。

疫苗需要通過(guò)臨床前試驗(yàn)、I、II、III期臨床試驗(yàn)證明安全有效才能上市，因此開(kāi)發(fā)一種疫苗需要耗費(fèi)大量的財(cái)力和人力。尤其是大規(guī)模III期臨床實(shí)驗(yàn)，往往需要上萬(wàn)名受試者，持續(xù)3-5年時(shí)間，花費(fèi)大約1.5億~15億美元[9]，而且要承受失敗的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如果公司規(guī)模不夠大，又沒(méi)有政府參與和投入，一個(gè)制藥公司往往難以承擔(dān)如此昂貴的成本和如此高的風(fēng)險(xiǎn)。即使疫苗通過(guò)了III期臨床試驗(yàn)得以上市，如果疾病的流行只是區(qū)域性的，那么未來(lái)該疫苗的市場(chǎng)有可能不足以收回成本。例如，中東冠狀病毒 (MERS) 只在阿拉伯半島和韓國(guó)短暫流行[10]，因此，盡管目前MERS的疫苗已經(jīng)上了I/II期臨床試驗(yàn)，且效果可觀(guān)，但預(yù)計(jì)完成整個(gè)臨床試驗(yàn)直至疫苗上市可能還需要十年以上的時(shí)間[11]。

為什么新冠疫苗可以“拍著胸脯”講能開(kāi)發(fā)成功？

根據(jù)第一財(cái)經(jīng)的新聞：2月10日，“中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)宣布，最新研發(fā)的新型冠狀病毒的疫苗已經(jīng)開(kāi)始動(dòng)物試驗(yàn)。這距離中國(guó)疾控中心1月24日成功分離我國(guó)首株新型冠狀病毒毒種僅兩周時(shí)間。這款疫苗由中國(guó)疾控中心、上海同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院和上海生物技術(shù)公司斯微生物共同設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。斯微生物預(yù)計(jì)，如果動(dòng)物試驗(yàn)進(jìn)展順利，那么這款新疫苗將最快于今年4月進(jìn)入人體臨床試驗(yàn)。

而美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生院國(guó)家過(guò)敏和傳染病研究所（NIAID）院長(zhǎng)Anthony Fauci向媒體宣布，NIAID將于mRNA疫苗巨頭Moderna合作，希望在三個(gè)月將新型冠狀病毒疫苗推向臨床試驗(yàn)。[13]為什么中美兩國(guó)的高層科學(xué)家都對(duì)新型冠狀病毒的疫苗開(kāi)發(fā)信心十足呢？

根據(jù)最近中科院武漢病毒研究所石正麗實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的結(jié)果，新型冠狀病毒的基因序列與SARS有79.5%的相似度，并且，和SARS病毒一樣，是通過(guò)病毒的棘突蛋白 (spike蛋白，又稱(chēng)S蛋白；圖2) 結(jié)合細(xì)胞表面的ACE2 受體來(lái)感染細(xì)胞的[15]，這進(jìn)一步說(shuō)明，新型冠狀病毒的S蛋白和SARS病毒的S蛋白具有十分相似的結(jié)構(gòu)。因此，新型冠狀病毒的疫苗開(kāi)發(fā)可以借鑒SARS疫苗的研究。

根據(jù)SARS疫苗的臨床前試驗(yàn)結(jié)果，可以看到它并不像HIV疫苗開(kāi)發(fā)那樣困難——基于全長(zhǎng)S蛋白的病毒載體疫苗、亞單位疫苗和DNA疫苗都能在動(dòng)物模型上誘導(dǎo)SARS中和抗體，并提供良好的保護(hù)效果[16]。如果進(jìn)一步改造S蛋白，只截取其有功能的受體結(jié)合區(qū)，還有可能進(jìn)一步降低疫苗毒性，并誘導(dǎo)出更高質(zhì)量的中和抗體[17]。此前，高福領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在SARS和MERS的S蛋白受體結(jié)合區(qū)的結(jié)構(gòu)方面做出了很漂亮的工作[18]，加深了研究人員對(duì)這一疫苗候選蛋白的了解。美國(guó)NIH疫苗研究中心 (VRC) 的Barney Graham和Gary Nabel團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的基于SARS病毒S蛋白的DNA疫苗也在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床I期中取得了良好的效果[19-20]。相信這也是中美兩國(guó)科學(xué)家對(duì)新型冠狀病毒疫苗研制如此有信心的原因。

綜上，開(kāi)發(fā)新冠疫苗在技術(shù)上應(yīng)該不會(huì)有太大難度。且目前的病例數(shù)量較多，易感人群更是數(shù)量巨大，不難招募到足夠的志愿者參與臨床試驗(yàn)。如果能盡快開(kāi)發(fā)出新冠病毒的候選疫苗，并在動(dòng)物模型上證明有效，相信國(guó)家會(huì)大力優(yōu)先推進(jìn)該疫苗的臨床試驗(yàn)。不過(guò)，我們還是要牢記，即便技術(shù)上沒(méi)有太大難度，政策上也一路綠燈，科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐R床試驗(yàn)也不可能在短期內(nèi)完成。

任 重 道 遠(yuǎn)

事實(shí)上，要解決這次疫情，無(wú)論是中國(guó)還是美國(guó)都希望不需要走到使用疫苗這一步——我們希望這次疫情能夠像非典一樣，隨著天氣的轉(zhuǎn)暖而消失。然而，那時(shí)南半球即將進(jìn)入冬天，沒(méi)有人能預(yù)測(cè)新冠病毒會(huì)如何蔓延發(fā)展。因此，開(kāi)足馬力加快新冠病毒的臨床前研究和臨床研究，仍然是對(duì)全人類(lèi)健康最為有利的選擇。

最后，天花和脊髓灰質(zhì)炎的例子證明，安全有效的疫苗是消除疫情、甚至最終從地球上消除這些病毒的利器。然而，像SARS、MERS和新型冠狀病毒這一類(lèi)的病毒，存在于自然界，除人類(lèi)之外還有其他的宿主，即使有疫苗，我們也可能永遠(yuǎn)無(wú)法將其消除。遏止吃野味的陋習(xí)、加強(qiáng)市場(chǎng)管理和檢疫、提高人們的公共衛(wèi)生意識(shí)，才是避免災(zāi)難再次發(fā)生的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1] Pasteur L (1881). "Address on the Germ Theory". Lancet. 118 (3024): 271–72. doi:10.1016/s0140-6736(02)35739-8.

[2] https://report.nih.gov/categorical_spending.aspx

[3] https://www.immune.org.nz/vaccines/efficiency-effectiveness

[4] https://www.cdc.gov/vaccines/pubs/pinkbook/hepb.html

[5] Bruce MG, Bruden D, Hurlburt D, Zanis C, Thompson G, Rea L, et al. Antibody Levels and Protection After Hepatitis B Vaccine: Results of a 30-Year Follow-up Study and Response to a Booster Dose. J Infect Dis. 2016;214(1):16-22.

[6] Wieten RW, Jonker EF, van Leeuwen EM, Remmerswaal EB, Ten Berge IJ, de Visser AW, et al. A Single 17D Yellow Fever Vaccination Provides Lifelong Immunity; Characterization of Yellow-Fever-Specific Neutralizing Antibody and T-Cell Responses after Vaccination. PLoS One. 2016;11(3):e0149871.

[7] HIV Prevention Research & Development Investments, 2017. https://www.avac.org/sites/default/files/resource-files/HIV_resourceTracking2017.pdf

[8] Haynes BF, Burton DR, Mascola JR. Multiple roles for HIV broadly neutralizing antibodies. Science Translational Medicine. 2019: Vol. 11, Issue 516, eaaz2686

[9] Black S. The costs and effectiveness of large Phase III pre-licensure vaccine clinical trials. Expert Rev Vaccines. 2015;14(12):1543-8.

[10] https://www.cdc.gov/coronavirus/mers/about/index.html

[11] Yong CY, Ong HK, Yeap SK, Ho KL, Tan WS. Recent Advances in the Vaccine Development Against Middle East Respiratory Syndrome-Coronavirus. Front Microbiol. 2019;10:1781.

[12] https://rmh.pdnews.cn/Pc/ArtInfoApi/article?id=11046003

[13] https://www.sciencemag.org/news/2020/01/scientists-are-moving-record-speed-create-new-coronavirus-vaccines-they-may-come-too

[14] Stadler K, Masignani V, Eickmann M, Becker S, Abrignani S, Klenk HD, et al. SARS--beginning to understand a new virus. Nat Rev Microbiol. 2003;1(3):209-18.

[15] Zhou et al. Discovery of a novel coronavirus associated with the recent pneumonia outbreak in humans and its potential bat origin. bioRxiv. 2020.

[16] Song Z, Xu Y, Bao L, Zhang L, Yu P, Qu Y, et al. From SARS to MERS, Thrusting Coronaviruses into the Spotlight. Viruses. 2019;11(1).

[17] Zhu X, Liu Q, Du L, Lu L, Jiang S. Receptor-binding domain as a target for developing SARS vaccines. J Thorac Dis. 2013;5 Suppl 2:S142-8.

[18] Yuan Y, Cao D, Zhang Y, Ma J, Qi J, Wang Q, et al. Cryo-EM structures of MERS-CoV and SARS-CoV spike glycoproteins reveal the dynamic receptor binding domains. Nat Commun. 2017;8:15092.

[19] Yang ZY, Kong WP, Huang Y, Roberts A, Murphy BR, Subbarao K, et al. A DNA vaccine induces SARS coronavirus neutralization and protective immunity in mice. Nature. 2004;428(6982):561-4.

[20] Martin JE, Louder MK, Holman LA, Gordon IJ, Enama ME, Larkin BD, et al. A SARS DNA vaccine induces neutralizing antibody and cellular immune responses in healthy adults in a Phase I clinical trial. Vaccine. 2008;26(50):6338-43.