大学化学, 2020, 35(12): 29-34 doi: 10.3866/PKU.DXHX202007015

专题

新型冠状病毒疫苗设计原理与研究进展

李文浩, 李艳梅,

Design Principle and Research Progress of COVID-19 Vaccine

Li Wenhao, Li Yanmei,

通讯作者: 李艳梅, Email: liym@mail.tsinghua.edu.cn

收稿日期: 2020-07-6   接受日期: 2020-07-8  

基金资助: 国家重点研发计划.  2019YFA0904200
国家重点研发计划.  2018YFA0507600
国家自然科学基金.  21672126

Received: 2020-07-6   Accepted: 2020-07-8  

摘要

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)已在全球范围内呈大流行趋势,为全球社会带来重大损失。其致病病原体新型冠状病毒(SARS-CoV-2)具有较强传染率和一定的致死率,为疾病治疗带来挑战。疫苗接种是预防传染病的重要手段,目前全球多家研究机构已经启动了新冠疫苗的研发工作。本文介绍了新冠疫苗研发的原理以及国内外最新的疫苗研究进展,希望有助于理解新冠疫苗的研发。

关键词: 新型冠状病毒肺炎 ; 疫苗 ; 研发平台

Abstract

The COVID-19 pandemic caused significant losses to the global community. The pathogen, called SARSCoV-2, showed high infection rate and certain case-fatality rate, which bring great challenges to treatments. Vaccination is the major way for epidemic prevention which attracts several developers to conduct COVID-19 vaccine studies. This paper presents the design principle of a COVID-19 vaccine and summarizes the latest research progress on vaccine development. The authors hope to provide insights for understanding vaccine study of COVID-19.

Keywords: COVID-19 ; Vaccine ; Platform

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本文引用格式

李文浩, 李艳梅. 新型冠状病毒疫苗设计原理与研究进展. 大学化学[J], 2020, 35(12): 29-34 doi:10.3866/PKU.DXHX202007015

Li Wenhao. Design Principle and Research Progress of COVID-19 Vaccine. University Chemistry[J], 2020, 35(12): 29-34 doi:10.3866/PKU.DXHX202007015

新型冠状病毒(SARS-CoV-2)具有极高的传染性和快速的人群间传播能力,可导致一定比例人群出现新冠肺炎(Corona Virus Disease 2019,COVID-19)。截止2020年7月2日,全球累计新冠确诊数已突破1000万人[1],世界卫生组织总干事谭德塞表示未来数月世界范围内将面临与病毒共存的“新常态”。面对疫情挑战,安全高效的疫苗研发是重大工程之一。目前全球新冠疫苗研发已经过百,我国的疫苗研究率先进入三期阶段,位于世界领先地位[2, 3]。种种迹象表明,在全人类的共同努力下,新冠疫苗的开发已进入“快车道”,有望在不远的将来惠及人民。本文重点总结了新冠疫苗的研发原理以及最新研发进展,尤其是疫苗研发中的多学科特别是化学方法的助力,以增进对新冠疫苗的认识和思考。

1 新冠疫苗的设计原理

在人类预防传染病的历史中,疫苗的发明具有里程碑意义,在百年间挽救了无数生命。预防性疫苗的本质是“以毒攻毒”,即通过人为引入病毒抗原,利用人体自身免疫系统,对靶抗原进行表位识别、免疫放大及记忆,进而产生持久且特异的体液及细胞免疫[4]。根据靶抗原携带的表位序列,抗原呈递细胞将表位呈递给不同的T细胞亚群,并将之进一步活化为辅助性T细胞(Th细胞)和细胞毒性T细胞(Tc细胞)。Th细胞会协助B细胞识别抗原、产生以抗体为代表的体液免疫,而Tc细胞则能直接识别抗原,裂解被感染的宿主细胞,实现细胞免疫[5, 6]

1.1 基于SARS-CoV-2致病机制的靶抗原选择

同种病毒的致病机理往往有相似之处,常用来借鉴比较。遗憾的是,同属冠状病毒家族,对于严重急性呼吸道综合征冠状病毒(SARS-CoV)和中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV),人类至今未能开发出有效的疫苗。类似的,SARS-CoV-2内部的RNA携带遗传信息,主导病毒的复制,而蛋白体由四部分组成,包括了S蛋白(Spike protein)、E蛋白(Envelope protein)、M蛋白(Membrane protein)和N蛋白(Nucleocapsid protein) [7]。其中,SARS-CoV-2表面的S蛋白能介导病毒入侵宿主细胞,机理是S蛋白上的受体结合区(Receptor- binding domain,RBD)能识别宿主细胞上的血管紧张素转化酶2 (Angiotensin-converting enzyme-2,ACE2) [8-10] (图1)。研究发现利用小分子抑制剂和病人体内的血清能够阻断S蛋白与ACE2的识别以及细胞入侵[9]。而且,SARS-CoV-2 S蛋白诱导的中和抗体能够显著阻断识别途径,降低病毒的侵染能力[11]。这些研究充分说明了S蛋白中和抗体对于预防病毒入侵的重要作用,为基于B细胞体液免疫的疫苗设计提供了重要指导。与此同时,T细胞免疫则对清除被感染细胞和病毒至关重要。因为一旦少数病毒逃脱了中和抗体的围捕,被感染的宿主细胞将成为病毒复制乃至变异的温床,而此时抗原特异性的Tc细胞能够识别被侵染的宿主细胞,进一步清除病毒。研究发现,严重的COVID-19病人体内出现了T细胞耗竭以及功能多样性降低的现象,这反映了T细胞免疫对于病情控制的重要性[12]

图1

图1   SARS-CoV-2结构组成及侵染示意图


1.2 靶蛋白的表位分析及其重要性

由于免疫反应的特异性,靶抗原表位序列(包括B细胞表位和T细胞表位)直接决定了免疫反应的种类。鉴于B细胞免疫和T细胞免疫都在SARS-CoV-2的清除中不可或缺,尽可能去选择合适的免疫原性片段,是新冠疫苗设计的关键一步[13, 14]。由于含有多个B细胞表位和T细胞表位,全长的S蛋白依然是目前新冠疫苗设计中最重要的靶抗原选择。然而,对SARS-CoV-2与SARS-CoV侵染后病人和小鼠的抗体种类进行评估后,人们发现S蛋白中的保守表位会诱导出非中和抗体的产生[15]。根据以往SARS-CoV候选疫苗的研究,这类的抗体并不能起到有效的保护型免疫,反而有可能会加重抗体依赖感染增强效应(Antibody-dependentenhancement,ADE),引发病毒的扩大感染[16]。值得注意的是,近期我国研究人员分析了COVID-19病人体内的血清并发现:S蛋白的RBD片段含有多个B细胞和T细胞表位,并能够引发强烈的保护性抗病毒免疫;N蛋白同样具有较高的免疫原性,是疫苗潜在靶点之一[17]。这一发现为RBD作为S蛋白重要免疫原性区域提供有力支撑,为后续的亚单位疫苗设计提供思路。尽管全球疫苗研究正高速开展,人们对SARS-CoV-2的表位分析却报道较少。深入理解S蛋白等蛋白靶标的表位分布及种类将为新冠疫苗设计提供重要理论基础。

2 新冠疫苗的研发平台及最新进展

通常的,疫苗设计步骤包括了靶抗原的合理选择、免疫增强佐剂的设计、体液免疫及细胞免疫类型的调控以及免疫流程的临床学优化[18]。合适的研发平台是整合诸多设计步骤的重要基础。基于前期在SARS-CoV以及MERS-CoV疫苗上的安全性以及有效性验证,新冠疫苗拓展了新的平台技术,具体的开发策略包括了灭活及减活病毒疫苗、腺病毒载体疫苗、重组蛋白疫苗、核酸疫苗和其他疫苗(图2)。据报道,全球在研的疫苗至少有142种,其中已有13种候选疫苗进入了临床阶段[19]。作为疫苗研制“第一梯队”,截止2020年6月24日,我国已有6种疫苗进入临床研究,其中更是有3款疫苗即将进入临床Ⅲ期试验[3]

图2

图2   当前新冠疫苗设计及研发平台示意图(S蛋白三维结构图来源[20])


2.1 灭活及减活疫苗

灭活和减活疫苗本质上是对病毒进行毒性消弭或降低的同时,保有一定的免疫原性,从而尽可能地模拟完整的病毒结构,实现免疫保护。从制备方法上,灭活病毒疫苗的生产流程大致包括:(1)合适的毒株选择及细胞培养,(2)化学或物理方法灭活及纯化工艺探索,(3)佐剂添加。而减活疫苗制备则包括:(1)传代筛选或人为突变致病位点获得减毒毒株,(2)毒株的安全性以及免疫原性验证[21]。两者各有利弊:灭活疫苗制备周期短、安全性高,是传统的抗病毒疫苗开发主力,然而其免疫原性较低,诱发的主要为体液免疫;而减活疫苗免疫原性更强,不需要添加额外佐剂,能够同时诱发体液免疫和细胞免疫,但在减毒株筛选上更为耗时,此外,由于病毒依旧具有活力,可能会在体内出现毒力返强的情况,所以其安全性评估格外重要。

作为两种经典的研发平台,针对COVID-19的灭活和减活疫苗也在筹备扩展中。从疫苗研制时间线上看,灭活疫苗在本次新冠疫苗研究中处于领先地位,是临床上研究最深入的一种。我国团队是目前灭活疫苗的主力研发机构。例如,在今年5月份,我国团队首次报道了一种灭活疫苗在非人灵长动物模型中具有有效保护能力[22]。该方案同时提供了一种完善的疫苗制备工艺流程:在利用β-丙内酯灭活病毒,添加传统铝佐剂进行免疫强化后,为期三次的接种能够在恒河猴体内产生高强度的中和抗体,并预防病毒入侵。尽管减活疫苗还没有进入临床研究,考虑到对SARS-CoV-2的自然突变性质以及侵染机制的不断深入研究,制备低毒安全的毒株依然具有希望,并在未来带来临床上的突破[23, 24]

2.2 腺病毒载体疫苗

腺病毒载体疫苗是将病毒的靶基因整合到载体的基因组中,借助病毒载体实现细胞内化过程并实现体内的抗原生产。由于腺病毒的关键基因被人为清除,腺病毒载体虽然会进入细胞却不会将基因整合到宿主基因组中,而是在胞质中表达靶抗原,诱导机体产生体液和细胞免疫。相比于灭活病毒和减活病毒疫苗,腺病毒载体疫苗可以对病毒的靶基因大小进一步缩减,保留关键保护性序列,在新一代抗病毒疫苗上具有广阔前景[25]

基于S蛋白基因整合的腺病毒载体疫苗已被全球多所机构开展了临床试验。例如,英国牛津大学团队开发了新冠候选疫苗ChAdOx1,令单次接种后的恒河猴体内产生了保护性的体液与细胞免疫,初步证明了腺病毒载体疫苗的研发前景[26]。我国陈薇院士团队[27]报道了全球首例腺病毒载体疫苗的临床Ⅰ期研究,发现志愿者在单次接种14天后产生了S蛋白特异性的中和抗体以及T细胞免疫,在28天后的抗体达到峰值。尽管其有效性依然需要大量样本进行验证,研究证明了腺病毒载体疫苗的良好耐受性和安全性,为后期的临床Ⅱ/Ⅲ期研究铺平道路。随着人们对SARS-CoV-2保护性表位的不断探索,腺病毒载体作为研发平台的多样性就愈发体现出来,其能够灵活地整合保护性抗原序列,在新冠疫苗开发中具有较大优势。

2.3 重组蛋白疫苗

重组蛋白疫苗本质上是利用生物工程方法大量表达靶蛋白抗原,并基于纯化后的蛋白进行疫苗构建。这种疫苗的安全性非常好,量产流程也比较成熟,但由于其免疫原性较弱,同样需要进行疫苗组分和构建方式的优化[28]

针对新冠疫苗,我国近期宣布开展基于重组蛋白的疫苗的临床试验,进一步完善了基于不同研发平台的新冠疫苗开发[29]。根据高福院士团队[30]的最新报道,纯化后的RBD蛋白片段连接形成的二聚体在配合免疫佐剂时诱导实验小鼠产生大量中和抗体。这种二聚化免疫原策略不仅能实现扩大化生产,而且适用于SARS-CoV以及MERS-CoV等其他冠状病毒疫苗开发,提供了一种广谱化设计思路。

2.4 核酸疫苗

从分类上看,核酸疫苗包括DNA疫苗和mRNA疫苗,并能利用宿主细胞翻译表达靶抗原。由于剔除了蛋白结构只保留部分基因序列,核酸疫苗在生产产能以及安全性能上具有很大优势。然而核酸抗原的细胞内化能力以及免疫原性均较弱(由于核酸骨架的磷酸二酯键带负电,与带负电性的细胞膜相互排斥,不利于细胞摄取),需要设计合理的疫苗递送/接种方式以及添加免疫佐剂[31, 32]

核酸疫苗是新兴疫苗的代表,但研发难度较大。对于DNA新冠疫苗,美国哈佛大学医学院报道了编码不同区域S蛋白的DNA疫苗能够在恒河猴模型里诱导中和抗体应答,并产生与抗体正相关的免疫保护,为DNA疫苗临床推广提供了重要基础[33]。对于mRNA新冠疫苗,Moderna公司的临床研究走在前列,其候选疫苗(mRNA-1273)正处于临床Ⅱ期。据先前报道,两次接种后的小鼠可以同时诱发中和抗体和杀伤性T细胞反应,对黏膜和肺部病毒产生了有效预防[34]。德国BioNTech公司、美国辉瑞公司与我国上海复星医药公司合作开发的mRNA疫苗(BNT162b1)已处于临床Ⅰ/Ⅱ期合并进行阶段,并在人体内展现较好的安全性和中和抗体诱导能力。近日,我国首例mRNA新冠疫苗临床实验获批[35],这对于发展我国mRNA疫苗产业,攻克mRNA制备技术难点具有重大意义。

2.5 其他平台疫苗

除了上述提到的诸多技术平台,病毒样颗粒(Virus-likeparticle,VLP)疫苗、多肽疫苗也成为临床前研究热点。VLP是不含核酸的病毒蛋白体,具有安全性、稳定性、结构有序性、尺寸合适、可进行表面修饰的诸多优点,是疫苗开发中非常有前景的平台以及载体[36-38]。由于保持了病毒蛋白的组装性质,VLP疫苗在充分保留了靶抗原信息的同时能够实现高效率的疫苗递送,有助于免疫系统识别。我国团队开发了一种基于S蛋白的VLP载体并包载了mRNA靶抗原进行疫苗递送,最大化模拟了SARS-CoV-2,同时具有极高的安全性[39]。和重组蛋白疫苗相比,多肽疫苗尺度更小,其本质是已鉴定的B表位或是T表位序列。多肽疫苗制备快速且安全性高,是非常有研究前景的候选平台。而且多肽的骨架由酰胺键组成,相比于核酸疫苗,更有利于被细胞摄取。考虑到多肽表位的高度专一性,合理的靶标序列选择是重中之重,同时为提高多肽的免疫原性,佐剂以及递送系统的选择在多肽疫苗设计中必不可少。

3 多学科交叉与新冠疫苗研发

多学科间合作推动新冠疫苗的研发。化学学科作为其中重要一员大大推动了人们对新冠病毒的致病机制以及新冠疫苗免疫性质的理解。例如,2017年的诺贝尔化学奖归属——冷冻电镜技术就为新冠病毒的结构解析以及抗原性质理解提供了重要支撑:(1)通过结构比较研究SARS-CoV-2与其他冠状病毒的药理差异,(2)提供超微尺度的影像研究病毒侵染机制,(3)研究关键靶点的构象用于疫苗以及小分子抑制剂设计[11, 20, 40]。在疫苗构建阶段,化学佐剂的设计具有代表性,其不仅有助于免疫反应扩大,更能够调节免疫系统对体液免疫和细胞免疫的偏好[41]。随着化学合成及筛选技术的发展,人们发现了一些糖类、脂质类、核酸类以及含芳香环的小分子类物质的免疫激活能力,对其进行了构效关系研究和临床研究推广,这为新一代疫苗的设计提供了重要的佐剂化合物库[42, 43]

4 总结与展望

自2020年1月以来,我国采取果决措施大大延缓了新冠病毒扩散,为新冠肺炎药物及疫苗研究赢得了宝贵时间。相比于SARS-CoV和MERS-CoV,SARS-CoV-2具有更强的传播性以及较长的人群潜伏期,系统且完整的新冠疫苗开发具有极高的实用价值以及深远意义,并为未来类似疫苗开发提供宝贵指导。我国作为疫苗生产消耗大国,在传统疫苗(如灭活病毒和减活病毒)上具有完备的生产车间和研发经验,然而在一些新型疫苗(如核酸疫苗)上还在不断追赶国际一流水准。由于技术等不确定性,基于不同平台疫苗研究的百花齐放是提高研制成功率的关键。随着病理学研究发现一些新冠病人体内出现了严重的免疫系统失调,如细胞因子风暴、T细胞水平下降等现象[44],临床研究应更加关注疫苗的安全性,尽可能在疫苗设计上避免ADE现象以及免疫副反应。

COVID-19既是一次挑战,也是一次发展机遇。在这次疫苗研发中,公众不仅看到了我国研究团队的独立设计与研发,也看到了国内外的交流合作。在时间线上,尽管我国走在了世界新冠疫苗研发前列,却依然离不开区域间的数据分享、临床志愿者招募以及研发合作。这充分说明了新冠疫苗是全人类的重大研发工程,需要不同地区、不同文化的人理解差异,团结抗疫。相信在不远的将来,新冠疫苗一定能成功研制出来,造福人类社会。

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