科学认识新型冠状病毒疫苗

比尔·盖茨在2015年的一次演讲中说:“当我还是孩子的时候,我们最担心的是核战争。但未来如果有什么东西可以夺去上千万人的生命,则更可能是某种有高度传染性的病……

比尔·盖茨在2015年的一次演讲中说:“当我还是孩子的时候,我们最担心的是核战争。但未来如果有什么东西可以夺去上千万人的生命,则更可能是某种有高度传染性的病毒。”

几年后,他一语成谶,一种新型冠状病毒引发的疫情在短短几个月内席卷全球,感染近五千万人,夺去一百多万人的生命。当前随着北半球进入冬季,全球迎来了第二波疫情大爆发。为避免上一波疫情造成的悲剧重演,各国都采取了严厉的疫情防控措施,一些欧洲国家甚至再次做出了“封城”的决定。疫情严重影响了人们的正常生活,全世界都在期盼早日战胜病毒,对疫苗研发寄予厚望。

当前,疫苗研发的进展成为了关注的焦点,同时公众对新冠疫苗也存在诸多疑虑。了解疫苗研发背后的科学常识,有助于正确认识新冠疫苗,掌握各类的疫苗优缺点,制定科学的抗疫政策。

新冠疫苗的基本原理

1796年,英国医生詹纳给一名8岁小男孩注射了挤奶女工感染牛痘后身上出现的水疱中的浆液,用于预防天花,宣告了人类历史上第一支疫苗的诞生。之后疫苗迅速成为人类近代预防病毒性传染病最有效的手段之一。与天然的病毒不同,病毒疫苗是一种加工改造过的病毒或病毒组份,由于失去了野生病毒的感染能力或致病性,疫苗注射到人体以后,不仅不会致病,还能激活免疫系统对抗病毒。人体免疫系统具有记忆能力,可以依赖长寿的免疫记忆细胞产生长久的抵抗力,“演习”过的免疫系统再次御敌时可快速反应,迅速加强针对病毒的抵抗力。这种抵抗力的核心是可抑制病毒感染的抗体,即中和抗体。这些抗体可以结合病毒的表面蛋白阻断病毒与细胞的结合,或抑制病毒进入过程中的关键构象变化,从而阻断病毒感染。

科学认识新型冠状病毒疫苗 生活头条 第1张

对于新型冠状病毒而言,一款好的疫苗应该能够诱导人体产生出高效的中和抗体。众多研究表明,最有效的中和抗体往往靶向的是病毒刺突蛋白的受体结合区(RBD), 这一区域是与细胞表面受体ACE2结合的关键区域。这些抗体通过有效阻断病毒与ACE2结合(图1),防止病毒进入细胞,从而达到保护的效果。冠状病毒疫苗的核心任务在于提供一个有效的受体结合区域的抗原,刺激机体产生保护性的中和抗体。提供这一抗原表位的方式有很多种,绝大多数疫苗研发路线都是围绕这一目标设计的。

新冠疫苗研发的主要路线

根据提供病毒抗原的方式,通常将疫苗分为减毒活疫苗、灭活疫苗、亚单位疫苗、病毒载体疫苗、核酸疫苗这几大类(图2)。

减毒活疫苗是通过传代、诱变、人工基因敲除或从自然筛选得到减毒的变异病毒,但很大程度上保留其天然抗原性的疫苗类型。其缺点是疫苗存在毒力恢复的潜力,以及在免疫缺陷的情况下会引起疾病。

灭活疫苗是在细胞或动物体内先对病毒进行培养扩增,然后用物理或化学方式灭活后纯化制备出的疫苗。相对于减毒活疫苗和基因工程疫苗,其制备工艺相对简单。灭活疫苗具有研发周期短、使用安全等优点。不足之处是培养成本较高,免疫效果相对较差,往往需多次接种。

科学认识新型冠状病毒疫苗 生活头条 第2张

亚单位疫苗是通过化学分解、蛋白酶解、化学合成、生物合成等手段获取高抗原性的病毒蛋白亚单位(如蛋白,多肽或多糖)所制成的疫苗。现代生物学技术的发展让我们可以用基因工程的方法大量生产这些蛋白亚单位,并通过自组装或融合纳米颗粒骨架,制成亚病毒颗粒或病毒表面蛋白展示的纳米颗粒。这类疫苗抗原成分较为简单,无感染性、安全性高,且相对容易量产。其缺点是病毒亚单位单体的抗原性较低,往往需要通过自组装或蛋白质载体形成多聚体增强抗原性。

重组病毒载体疫苗也是基于现代基因工程技术的新型疫苗,其通过某些无明显致病性、去除毒力基因的,或有复制缺陷的病毒为载体,将编码目标病毒的抗原(如刺突蛋白或RBD)插入病毒载体中表达,使经过改造的嵌合病毒有效地展示目标病毒抗原,但不存在目标病毒的强致病毒性。常见的载体有腺病毒、流感病毒、水泡性口炎病毒、新城疫病毒等。这一手段整合了减毒活疫苗与亚单位疫苗的优势,但技术要求相对较高。

核酸疫苗是另一类新型的疫苗类型,可细分为DNA疫苗和RNA疫苗两种。这两种核酸携带编码病毒的主要抗原的序列,进入细胞后可转录翻译形成病毒抗原,激发机体产生保护性免疫应答。区别在于DNA疫苗稳定性较高,要进入细胞核进行转录才能翻译产生病毒抗原蛋白,而RNA疫苗稳定性较差,需依赖有效的递送手段,但进入细胞质就可以直接翻译产生蛋白。这两种疫苗的优点在于制备简单、容易量产、成本相对较低、贮存运输方便、免疫效果较好,缺点是核酸本身容易诱导自身免疫反应,并依赖有效的递送手段,且DNA还有一定的整合到人体基因组的风险。虽然有多款核酸疫苗进入了临床研究阶段,但目前技术成熟度不如前述疫苗,所以还没有大规模上市应用的产品。

上述几种疫苗研发方向的机理与制备流程各有不同,优缺点也很明显,没有一种完美通用的新冠疫苗研发方向。除了减毒活疫苗存在的安全风险较大之外,其他多条路线都可以尝试。值得注意的是,此次疫情之前,全球尚无一款上市的针对冠状病毒的疫苗,可见新冠疫苗研发面临相当的难度。

新冠疫苗研发现状

全球新冠疫苗研发正在如火如荼进行。据世界卫生组织统计,截至2020年11月3日,全球正在研发中的疫苗共有200多种,几乎囊括了所有研发路线。其中47种疫苗已处于临床试验阶段,10种进入了三期临床试验阶段(图3)。中国和美国是在疫苗研究走在最前面的两个国家。

据国家卫生健康委介绍,我国科研团队正沿着灭活疫苗、基因工程重组的亚单位疫苗、腺病毒载体疫苗、减毒流感病毒载体疫苗、核酸疫苗5条技术路线推进疫苗攻关工作。目前,中国已有13个疫苗进入临床阶段,其中灭活疫苗和腺病毒载体疫苗两种技术路线共4个疫苗进入三期临床试验阶段。三期临床试验需要特定的环境,也就是要在病毒流行区域的人群中评价疫苗是否能真正能够保护易感人群,保护率有多高。三期临床的成功是疫苗成功上市的最后也是最重要的一步。为推动三期临床研究,我国已于7月22日正式启动新冠疫苗的紧急使用。目前,数款进入三期临床研究的候选疫苗均显示安全性良好。同时,我国也在努力推动开展国际多中心临床试验,在国际规则下加速疫苗有效性验证。其中国药集团中国生物所属的北京生物制品研究所和武汉生物制品研究所的两款灭活疫苗,正在10个国家开展三期临床试验。截至2020年10月21日,共计约6万名受试者接种,未收到严重不良反应报告。

国外疫苗三期临床试验也在迅速推进中,其中mRNA疫苗的进展倍受关注。2020年11月9日,美国辉瑞公司(Pfizer)宣布了其与德国生物新技术公司(BioNTech)合作研发的mRNA新冠候选疫苗BNT162b2三期临床实验的首批结果,显示其有效率达90%以上,远高于预期的50%-60%。但由于样本数量较小、时间较短,是否能反映实际保护效果,以及能否提供持久保护,还需要进一步观察分析。

通常情况下,疫苗研发是一个复杂、长周期的过程,从开始研发到走完所有临床实验直至获批,通常需要7年至10年时间,而有些疫苗10多年都没能成功上市。乐观估计,明年上半年新冠疫苗有望获批上市,其中很可能就有我国自主研发的疫苗,研发速度之快在疫苗研发史上是空前的。如此快的研发速度,除了与在全球疫情恶化的背景下疫苗需求巨大、全社会集中资源攻关、疫苗研发与制备技术进步等因素以外,也与全球竞速、政策绿灯有关。在赶进度的过程中,研发与临床实验的时间被大大压缩,给疫苗的有效性与安全性评价带来了挑战。

新冠疫苗的安全性与有效性

一款好的疫苗必须同时具备安全性和有效性。药物或疫苗的问世,都应关关设卡、层层验证的,不能在任何环节留下隐患,达不到预设目标或要求就应叫停。历史上有过很多因为急于推出产品而造成巨大公共卫生问题的教训。如1961年,一款曾用于缓解妊娠反应的药物“反应停”,导致了成千上万的畸胎。新冠疫苗受众巨大,其获批与推广虽然紧迫,但绝不能在有效性和安全性上降低标准。

所谓有效性,指疫苗能够有效诱导中和抗体产生抵御病毒感染,或显著减轻症状的能力。只诱导出中和抗体是不够的,要达到一定滴度才能有效对抗病毒感染、起到明显保护效果。中和抗体能持续多长时间,要多久之后追加才能持续保护也是影响有效性的重要因素。此外,疫苗对变异后的病毒是否有效、以及疫苗对不同年龄段的人群是否都能保护也是值得关注的问题。新冠病毒属于RNA病毒,重组与突变能力较DNA病毒更强,且目前还没有成功上市的冠状病毒疫苗,有效性有待确认。但从目前我国以及国外三期临床的前期进展来看,新冠疫苗的有效性较为乐观。

科学认识新型冠状病毒疫苗 生活头条 第3张

安全性是另一重要问题,除了疫苗接种本身带来的副作用之外,在疫苗研发领域经常提到一种抗体依赖的增强作用(antibody-dependent enhancement, ADE)。其机制是疫苗诱导产生了一些中和活性不佳的抗体,这些抗体不仅不能抑制病毒感染,反而通过免疫细胞表面Fc受体介导病毒进入细胞,加重病毒感染。这种效应是许多病毒疫苗失败的重要原因,如呼吸道合胞病毒(RSV),登革病毒(DENV)、人类免疫缺陷病毒 (HIV) 、埃博拉病毒(EBOV)等等。在包括非典型肺炎病毒SARS在内的其它冠状病毒中也有报道。因此,有无ADE效应是新冠疫苗安全与否的重要考量。令人欣慰的是,截至目前,并未收到候选疫苗在临床实验研究中存在ADE效应的报告。

在新冠病毒全球肆虐的背景下,疫情冲击着人类社会生存发展所依赖的政治制度、经济体制、文化交流,也刷新着我们对病毒、健康、自由的认知。目前,我国通过强力的隔离、追踪、检测等措施有效控制住了疫情,但外防输入的压力巨大。早日研发出新冠病毒疫苗,是建立有效的群体免疫、恢复正常生活与国际交流的关键;而科学地认识新冠疫苗的原理及其注意事项,是我们正确地评价疫苗、使用疫苗并制定相关政策的关键。

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