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疫苗研发新趋势:能把所有冠状病毒一网打尽的疫苗

关于新冠疫苗加强针的争论日趋白热化,许多公共卫生研究人员开始以流感疫苗免疫模型作为应对新冠病毒(SARS-CoV-2)持续威胁的指导。这或许意味着,和今天的季节性流感预防方式一样,我们以后每年都要打新冠疫苗。但是,就像科学家一直设想的能对流感病毒各亚型提供长期保护的通用流感疫苗一样,很多人也在探索一种泛冠状病毒疫苗,这种疫苗不仅抵御今后出现的新冠变异株,还能用来预防下一场疫情。

  数十家非营利性机构、政府机构、疫苗厂商都把这类疫苗放在了研发工作的首位(表1)流行病防范创新联盟(CEPI)和美国国家过敏和传染病研究所(NIAID)分别为这种“全能”冠状病毒疫苗划拨了2亿美元和4300万美元的研究经费。

  表1 | 部分在研的泛冠状病毒疫苗

  这两个机构各有侧重点。CEPI聚焦近期产品的研发,主要资助小型生物科技公司的疫苗平台研发。NIAID则更多地支持学术界的基础免疫学研究。不过,共同的目标让这两个机构走到了一起。3月,CEPI和NIAID宣布为受它们资助的研究人员创建一个联合科学论坛,专门探讨研发进度,以及如何携手研发出安全的广谱保护性疫苗。其首次会议于4月25日举行。

  目前在研的疫苗设计和递送策略形式种类多样,包括基于mRNA和蛋白纳米颗粒的技术。一些候选疫苗只靶向能让冠状病毒侵入宿主细胞的刺突蛋白,另一些候选疫苗靶向病毒蛋白质组的其他部位。一些疫苗只专注于诱导抗体应答,另一些也关注细胞免疫。

  “我们有多条技术路线和抗原设计并行,”CEPI项目负责人、管理CEPI前瞻性冠状病毒疫苗组合的Christopher da Costa说,“我们想把多个疫苗最后做出来。我希望这个候选池里的一些疫苗能走到最后。”

  但在许多研究人员看来,如何将这种病毒拒之千里之外的问题,在免疫学上仍有许多认知空白,因而不宜对进度较快的一些泛冠状病毒疫苗寄予过高的期望。过去几十年来,研发流感和HIV通用疫苗的一再失败暗示了这条路并不好走——流感和HIV病毒都是突变率很高的人类宿敌。

  “我们想要的是持久的广谱保护性免疫,最好能维持终生,这一点是毋庸置疑的。”非营利性的人类疫苗计划(Human Vaccines Project)的CEO Wayne Koff说。现在只有一个问题:“我们不知道该怎么做。”

  千淘万漉

  虽然“泛冠状疫苗病毒”(pan-coronavirus)一词频频出现在对在研疫苗的各类报道中,但它的具体含义并不清晰。

  第一类是能抵抗新冠病毒各种可能突变形式的进阶版疫苗。这类疫苗或许应该被称为泛变异株COVID-19疫苗。不过,当实验室检测发现其对SARS-CoV-1也有一定的交叉保护作用时,一些疫苗厂商立马用上了泛冠状病毒这一范围更大的标签。SARS-CoV-1曾在2002-2003年引起严重急性呼吸系统综合征(SARS)暴发。

  在那些本身就以更大包容性为设计目标的疫苗中,泛冠状病毒的说法则包含了不同的含义。基本上,很少有科学家在研究能抵抗全部四个冠状病毒属的真正意义上的通用疫苗。确切地说,大部分科学家要么关注包含所有SARS样病毒在内的sarbecovirus亚属,要么关注演化树上更高一级的分枝——β冠状病毒属,β冠状病毒属还包括导致中东呼吸综合征(MERS)的病原体和一些引起普通感冒的季节性冠状病毒。

  Moderna的“泛人冠状病毒”疫苗则自成一派。Moderna在3月公布了这个处于临床前阶段的候选疫苗——mRNA-1287,该疫苗的目标是抵抗能感染人的地方性流行冠状病毒——两种α冠状病毒和两种β冠状病毒,这些病毒累计导致了10%-30%的成年人普通感冒。Moderna传染病研发负责人Raffael Nachbagauer表示,这个项目不是为了预防下一次大流行,而是要“降低人群中仍未得到解决、由季节性冠状病毒导致的疾病负担。”

  这些围绕跨演化枝冠状病毒保护的模糊表达,曾在CEPI掀起一场关于最佳用词的激烈争论,da Costa说。CEPI最终决定使用“广谱保护性”来描述能抵抗多种冠状病毒的疫苗;使用“抗变异株”或“靶向变异株”来描述下一代新冠疫苗。这两类疫苗的研发都得到了CEPI的资助。da Costa说:“我们期待先做出少量靶向变异株的疫苗,再推出更多的广谱保护性疫苗。”

  截至目前,CEPI已经宣布了八个项目,后期可能还有更多。其中,三个项目主要关注新冠病毒的新变异株,且都利用新的蛋白亚单位技术递送携带需关注变异株突变的刺突蛋白部位。来自MigVax的一款口服疫苗利用一种细菌毒素作为黏膜佐剂。另一款来自Affinivax的疫苗基于一个抗原-多聚糖结合平台。第三款来自萨斯喀彻温大学疫苗与传染病组织的疫苗,将使用一种有专利的基质以结构化的方式来呈递抗原。

  CEPI资助的另外五个项目则聚焦更大范围的冠状病毒威胁。来自BioNet、DIOSynVax、NEC的三个项目将借助计算机模拟来识别能用于mRNA递送系统的新疫苗抗原。其他两个项目都致力于开发多表位、基于纳米颗粒的蛋白亚单位疫苗:一个来自印度的转化医疗科技研究所与Panacea Biotec的合作,另一个来自SK bioscience。

  镶嵌技术

  在CEPI资助的这五种广谱保护性疫苗中,SK的候选疫苗不仅在资助上占了大头,离临床实验的距离也是最短的。

  这款疫苗名为GBP511,从CEPI拿到了5000万美元的资助,基于SK实验性新冠疫苗GBP510所取得进展——该疫苗已进入III期临床。这两种添加佐剂的疫苗都使用了华盛顿大学蛋白设计研究所研发的两部分纳米颗粒系统。它能以三聚体的形式呈现刺突蛋白受体结合结构域(RBD)的60个拷贝,从而调动强效的免疫应答。

  GBP510只包含新冠病毒原始株的RBD,而GBP511采用的镶嵌技术能呈递更多抗原。它能表达来自感染人和感染蝙蝠的病毒(涵盖sarbecovirus的全部三个系统发生演化枝)的三或四个RBD,产生能与不同RBD的共有保守表位相结合的交叉反应B细胞。这背后的假设是:这种多价抗原呈递能选择性地激活和扩增有广谱保护作用的免疫细胞。

  去年9月,SK的学术合作对象通过小鼠和猴子实验对以上假设进行了概念验证。这家韩国的生物技术公司已经准备好在2023年底启动首次人体试验。

  加州理工学院的结构生物学家Pamela Bjorkman开发了一种类似的镶嵌RBD纳米颗粒构建物,并于2021年1月首次报道。该构建物在核心处使用了相同的二十面体纳米颗粒,但用了八种sarbecovirus的RBD进行装饰——其中六种病毒会感染蝙蝠,一种感染穿山甲,还有一种来自新冠病毒的Beta变异株。

  在Bjorkman的这个疫苗中,RBD是随机分布的,相同抗原的相邻概率很低。相比之下,SK的自组装纳米颗粒使用非随机分布的RBD,每三个一组——这种结构上的差异或许会影响刺激交叉反应抗体应答的概率。“如果是随机分布的,”Bjorkman说,“应该就能激活与RBD更保守区域相结合的B细胞。

  Bjorkman团队3月在线发布的一篇预印本论文支持了这一结论。该团队的八部分镶嵌纳米颗粒疫苗能对小鼠产生广谱保护——Bjorkman说:“和我们的假设一致。”目前,她正在为该候选疫苗进入人体试验寻求经费支持。

  免疫宽度

  在有一定跨演化枝保护潜力的“泛变异株”疫苗中,有几个候选疫苗的进展较快。如马里兰州的Walter Reed军事研究所正在开发一种添加佐剂的纳米颗粒疫苗,这种疫苗需要将铁蛋白(一种能自低聚的蛋白)与融合前稳定构象的新冠病毒刺突蛋白相结合。一项招募了29人的I期试验预计将在几周内公布结果。

  军事研究员之所以叫它泛冠状病毒疫苗,是因为在小鼠和猴子研究中,该疫苗能诱导针对新冠病毒需关注变异株以及SARS-CoV-1的强效体液免疫应答以及细胞介导的免疫应答。在第一代新冠疫苗两针初免后再使用这种疫苗进行加强,有进一步扩大免疫范围的潜力。

  去年,杜克大学的免疫学家Barton Haynes和Kevin Saunders给使用mRNA疫苗初免的猴子接种了他们自己的铁蛋白纳米颗粒疫苗。(杜克大学的候选疫苗采用了一种更加模块化的生产方式,而且使用了华盛顿州一个早期分离株的RBD抗原而不是武汉株的全长刺突蛋白,除此之外和美国军方的候选疫苗很相似。)Haynes说:“打了这个加强针,你就能全覆盖了。

  “我们的目标是蝙蝠病毒、穿山甲病毒、SARS-CoV-1,”他说,“是sarbecovirus亚属的所有病毒,除了MERS,因为它的RBD很不一样。”从检测到的抗体结合滴度来看,纳米颗粒的设计能达到比可溶性RBD疫苗更好的免疫应答。一篇最近发布的预印本论文还显示,佐剂配方的类型也很重要。

  Haynes希望他的铁蛋白纳米颗粒疫苗明年能进入临床试验,他已经从NIAID新推出的“泛冠状病毒疫苗开发计划”拿到了一笔为期3年、总额1750万美元的经费。不过,这笔经费还要用于免疫原的设计。此外,经费的一部分也要用来推动能提供泛β冠状病毒属保护的新型mRNA或自扩增RNA构建物。

  去年,Haynes和同事在北卡罗来纳大学病毒学家Ralph Baric的带领下,报道了一种能增加这种mRNA平台优势的策略。他们设计出了一种嵌合蛋白的编码序列,这种蛋白能组装来自感染人和感染蝙蝠的sarbecovirus的不同刺突蛋白部位,包括RBD、N末端结构域和S2亚基。当包裹在脂质纳米颗粒(LNP)中时,这些mRNA序列能在小鼠中诱导出广泛的保护力。

  Haynes说:“这是利用镶嵌技术诱导广泛应答的一个替代方法。”

  原则上,相同的序列也可以用自扩增RNA编码,这或许能降低对剂量的要求,调动更好的免疫应答。Haynes的团队正在研究这种构建物的使用,这种构建物既包含抗原序列,也包含了RNA自我复制所需的机制。

  制胜战略

  虽然杜克大学的项目着重偏向于平台开发,但NIAID泛冠状病毒计划资助的其他三个团队——布列根和妇女医院、威斯康星大学麦迪逊分校、洛克菲勒大学——更注重于基础的免疫学研究。项目官Jennifer Gordon指出,“还有很多科学问题没有答案。”我们希望能更好地认识对冠状病毒感染的天然免疫应答,这能帮助我们设计出更好的疫苗。

  “基础发现的一部分是理解有哪些取舍。”布列根和妇女医院的受资助研究人员、免疫学家Duane Wesemann说。去年,Wesemann和同事发现了一个潜在抗原靶点——刺突蛋白保守的柄部区域,或称S2,这个抗原靶点所调动的抗体与COVID-19死亡率下降、康复时间缩短,以及康复后的免疫持久性更好有关。

  这些抗体还能放大对β冠状病毒属的识别宽度,但它们的中和能力弱于靶向刺突蛋白更多变头部的抗体——头部区也是第一代新冠疫苗的靶标。今后仍需开展进一步研究明确哪种组合最适合用于能预防动物传染病溢出的广谱保护性疫苗。

  想要对血凝素茎部区产生直接免疫应答的研究人员面临同样的难题——血凝素也是通用流感疫苗靶向的主要保守蛋白。考虑到该领域进展甚微,Wesemann希望冠状病毒研究人员在面对眼前的免疫学障碍时能保持谦逊。

  他说:“每个人都想创造奇迹。”走大运的话是可能的。但更详尽地考量各种免疫学因素,肯定能增加成功率。Wesemann说:“我们要学会‘四两拔千斤’,提高在未来比赛中的获胜率。”

  关于T细胞免疫的质量会如何影响疫苗保护效果,这方面尤其需要开展更多研究。许多研究人员相信,想要泛冠状病毒疫苗走向成功,就需要多个T细胞子集和抗体介导的通路来一起提供强效广谱的保护力。“一款非常有效的疫苗必须能同时诱导中和抗体和T细胞。”Access to Advanced Health Institute的董事长兼CEO Corey Casper说。

  Casper正在与ImmunityBio密切合作。ImmunityBio属于黄馨祥(Patrick Soon-Shiong)的NantWorks企业集团。这次合作的目标是开发包含刺突蛋白和核衣壳(N)这两种成分的双抗原疫苗。核衣壳是病毒内部的RNA结合蛋白,一直被认为是有望产生广谱保护力的T细胞应答的一个重要目标。黄馨祥说:“只要你的构建物里有核衣壳,你获得泛冠状病毒[保护]的可能性也越大。”

  ImmunityBio的首个产品是基于人腺病毒5型载体(Ad5)平台的疫苗。该疫苗正作为强生公司疫苗(只含刺突蛋白的腺病毒载体疫苗)接种者的加强针进行临床试验。除了把视线放到刺突蛋白以外,该公司还在开发一种能提高保护效果的“混合”递送策略。

  该公司发布的一篇预印本论文显示,在小鼠中,自扩增RNA初免加上Ad5加强免疫的策略似乎能增强体液免疫和细胞免疫的持久性和宽度。这与使用第一代新冠疫苗进行异源初免-加强免疫人群中的结果一致,这一接种策略能对新冠病毒需关注变异株产生更广泛的反应活性。

  杜克-新加坡国立大学医学院的病毒学家王林发就在推进他自己的一个异源免疫接种策略。去年,王林发和同事报道了感染SARS-CoV-1已有20年的人在打了新冠mRNA疫苗后产生了大量泛sarbecovirus中和抗体。看到这一结果,王林发团队改造了SARS-CoV-1近缘病毒家族的一个共有刺突蛋白。他希望利用这个配方制备出一种蛋白亚单位疫苗或是一种mRNA疫苗。

  未发表的小鼠研究显示,先用新冠疫苗进行初免,再用这种实验性疫苗加强,或许能调动和SARS-CoV-1幸存者同类型的免疫应答。王林发说,他们正在与潜在商业伙伴进行合作洽谈。

  与此同时,其他目光不只局限在刺突蛋白的公司还包括TechImmune、ConserV Bioscience、Gritstone bio。在Ragon研究所的免疫学家Gaurav Gaiha看来,这些公司所面临的挑战,是如何找到突变受限的T细胞表位,实现对冠状病毒的全谱系识别,同时达到较高的免疫原性。Gaiha说:“这就是最佳位点。”

  如果没有迫在眉睫的新疫情,也没有对预算不设限的曲速行动(Operation Warp Speed),泛冠状病毒疫苗的开发很难重拾2020年疫苗竞赛时的速度。但是,过去两年里的所有科学和技术进步提振了整个领域——研究人员相信,冠状病毒的广谱保护性疫苗研发不会重复HIV或流感疫苗遇到的困境。“归根结底,我们需要的是一个效果持久、能覆盖全谱系的疫苗,”黄馨祥说,“我们能做到吗?我相信我们可以。”

  原文以Pan-coronavirus vaccine pipeline takes form为标题发表在 2022年4月19日的《自然综述:药物发现》新闻版块上


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