像SARS、MERS和新型冠狀病毒這一類的病毒，存在於自然界，除人類之外還有其他的宿主，即使有疫苗，我們也可能永遠無法將其消除。遏止吃野味的陋習、加強市場管理和檢疫、提高人們的公共衛生意識，才是避免災難再次發生的關鍵。
撰文 | 李大鵬
世界上第一支疫苗誕生於18世紀末的英國。英國醫生愛德華·詹納 (Edward Jenner) 注意到感染過牛痘病毒的擠奶女工不會感染天花，於是推測牛痘病毒可以預防天花。通過實驗他證明了牛痘病毒接種可以有效預防天花病毒感染。1881年，法國科學院院士路易·巴斯德 (Louis Pasteur) 紀念詹納，提議根據拉丁語“Variolae vaccinae (牛痘) ”將這種預防接種製劑命名為“Vaccine” (疫苗) ，並這一過程命名為“Vaccination” (疫苗接種) [1]。
二百多年來，科學家們相繼發明了針對狂犬、結核、小兒麻痺症等幾十種傳染性疾病的疫苗。最開始的疫苗是將病毒用甲醛等進行滅活處理，使其失去感染力，稱之為滅活疫苗，例如小兒麻痺症 (脊髓灰質炎病毒) 疫苗、狂犬疫苗、甲肝疫苗等。另外，毒力減弱的病毒或細菌也被用作疫苗，例如麻疹疫苗、風疹疫苗、結核疫苗 (也就是我們所熟知的“卡介苗”) 等，被稱為減毒活疫苗。儘管當時人們並不完全清楚疫苗如何保護機體免受病原感染，但隨著免疫學和微生物學技術手段進步，科學家們逐漸認識到，預防性疫苗通過誘導機體產生特異性免疫反應，從而起到預防疾病的效果。
後來，分子生物學技術的發展促使更安全的亞單位疫苗被髮明出來，所謂亞單位疫苗，是指對一個病毒或細菌，只利用其中的有效成分——往往是1-2個蛋白——來誘導機體產生免疫保護。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範。
以上三類疫苗涵蓋了目前上市的絕大多數細菌和病毒疫苗。此外，隨著基因工程技術的發展，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處於臨床試驗階段。
儘管人們已經對疫苗有了深入瞭解，還有很多傳染性疾病難以被人類攻克。最具有挑戰性的莫過於人類傳染病領域的“Big 4”：艾滋病 (HIV)、流感 (influenza virus)、結核 (M. tuberculosis)、瘧疾 (malaria)。僅美國政府每年投入數十億美元用於這四種病原體的研究 [2]，然而除了流感病毒每年有季節性流感疫苗以外，其他疫苗的開發依然舉步維艱。隨著近年來免疫學、基因組學和蛋白組學的進步，人們試圖解答一個問題：為什麼有些疫苗難做，有些疫苗卻相對容易？
經典疫苗成功的關鍵
簡言之，打一針可以保護一輩子的疫苗是理想的疫苗。例如麻疹、風疹和流行性腮腺炎疫苗都可以通過一針免疫實現十年以上的保護效力。其中，麻疹疫苗更是對96%的接種者都能夠實現終身保護[3]。脊髓灰質炎病毒疫苗，也就是很多人小時候吃過的“糖丸”，已經接近實現全球範圍內脊髓灰質炎的消除。亞單位疫苗中，乙肝疫苗是最經典的成功案例，它的有效成分為乙肝表面抗原 (HBsAg) ，通過三針免疫，有效性可達80%-100%，可以提供長達20年以上的保護[4]。
以上這些長效的病毒疫苗往往具有一個共同的特點，就是通過誘導機體產生中和抗體來抵禦病毒的入侵。對於急性感染的傳染病來說，這一點顯得尤為重要。具體來說，長效疫苗可以誘導人體的免疫系統產生出長效漿細胞和記憶B細胞。長效漿細胞可以長期產生抗體；記憶B細胞雖然不直接製造抗體，但可以長期保持對該病毒的“記憶”，一旦發生病毒入侵，記憶B細胞就會被激活產生漿細胞，從而分泌大量中和抗體來對抗病毒。具體來說，中和抗體可以緊緊附著在病毒表面，阻止病毒與人體細胞結合（圖1）；有的中和抗體即使在病毒與細胞發生接觸以後，仍然可以阻斷病毒釋放遺傳物質進入細胞從而防止病毒感染。
圖1. 中和抗體阻斷病毒感染示意圖。圖中紅色表示病毒，黃色表示細胞，細胞表面黃色突出狀表示細胞表面受體。病毒感染過程中首先通過膜蛋白與細胞表面受體結合（A），之後通過細胞內吞作用進入細胞（B） ，隨後釋放遺傳物質進入細胞（C）。當體內存在中和抗體時，中和抗體可以緊密結合在病毒膜蛋白表面，從而阻止病毒與細胞受體結合(D)。圖片來源自Janeway's Immunobiology, Ninth Edition.
一項研究表明，注射乙肝疫苗免疫30年後，再進行一針免疫，有88%的受試者可以產生高滴度的抗體，這證明乙肝疫苗誘導出的記憶B細胞可以提供長期保護[5]。另一個經典的案例是黃熱病疫苗，YFV-17D，一針免疫40年後，接種者體內仍然存在特異性抗體[6]。目前，上市的絕大多數病毒疫苗都是通過誘導高滴度的中和抗體來保護人體免受病毒感染。
為什麼有些病毒我們開發不出疫苗？
第一是技術上的原因。與上述經典疫苗相反，如果疫苗不能誘導特異性針對某種病毒的中和抗體，那麼該病毒就很難通過疫苗免疫來預防。以艾滋病為例，儘管美國國立衛生院（NIH）每年投入約6億美元經費用於研發HIV疫苗[7]，目前的HIV候選疫苗依然難以在體內誘導中和抗體。首先，HIV候選疫苗容易誘導機體產生大量“非中和抗體”，這種抗體沒有中和活性，因此無法抵禦病毒感染細胞。其次，HIV病毒表面的結構蛋白帶有大量的糖 (約和蛋白自重相等) ，人體內即使存在中和抗體，也難以通過重重阻隔，無法觸碰到病毒。最後，能夠產生中和抗體的B細胞往往被自身免疫系統誤認為是過敏反應B細胞，從而在早期階段就被扼殺在搖籃之中[8]。這些技術上的原因往往是病毒本身的性質所決定的。
第二是經濟和社會學的原因。疫苗需要通過臨床前試驗、I、II、III期臨床試驗證明安全有效才能上市，因此開發一種疫苗需要耗費大量的財力和人力。尤其是大規模III期臨床實驗，往往需要上萬名受試者，持續3-5年時間，花費大約1.5億~15億美元
[9]，而且要承受失敗的風險。因此，如果公司規模不夠大，又沒有政府參與和投入，一個製藥公司往往難以承擔如此昂貴的成本和如此高的風險。即使疫苗通過了III期臨床試驗得以上市，如果疾病的流行只是區域性的，那麼未來該疫苗的市場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短暫流行[10]，因此，儘管目前MERS的疫苗已經上了I/II期臨床試驗，且效果可觀，但預計完成整個臨床試驗直至疫苗上市可能還需要十年以上的時間[11]。為什麼冠狀病毒疫苗可以“拍著胸脯”講能成功？
針對新型冠狀病毒的疫苗，中國疾病預防控制中心主任高福院士在近期接受採訪時說：“大家知道，研發一個疫苗、研究一個疫苗是需要很長很長時間的，但是從我們過去對SARS或者對這一類病毒的認知，我可以拍著胸口講，這個疫苗肯定會成功的。”
[12]美國國立衛生院國家過敏和傳染病研究所（NIAID）院長Anthony Fauci也向媒體宣佈，NIAID將於mRNA疫苗巨頭Moderna合作，希望在三個月將新型冠狀病毒疫苗推向臨床試驗。[13] 為什麼中美兩國的高層科學家都對新型冠狀病毒的疫苗開發信心十足呢？ 圖2. SARS病毒在電子顯微鏡下呈現類似”王冠”狀的形態(a)，以及SARS病毒結構示意圖(b). 棘突蛋白 (spike蛋白，又稱S蛋白) 在a中可見於病毒表面，在b中用橙色標示。圖片來自參考文獻[14]
根據最近中科院武漢病毒研究所石正麗實驗室發表的結果，新型冠狀病毒的基因序列與SARS有79.5%的相似度，並且，和SARS病毒一樣，是通過病毒的棘突蛋白 (spike蛋白，又稱S蛋白；圖2) 結合細胞表面的ACE2 受體來感染細胞的[15]，這進一步說明，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構。因此，新型冠狀病毒的疫苗開發可以借鑑SARS疫苗的研究。
根據SARS疫苗的臨床前試驗結果，可以看到它並不像HIV疫苗開發那樣困難——基於全長S蛋白的病毒載體疫苗、亞單位疫苗和DNA疫苗都能在動物模型上誘導SARS中和抗體，並提供良好的保護效果[16]。如果進一步改造S蛋白，只截取其有功能的受體結合區，還有可能進一步降低疫苗毒性，並誘導出更高質量的中和抗體
[17]。此前，高福領導的團隊在SARS和MERS的S蛋白受體結合區的結構方面做出了很漂亮的工作[18]，加深了研究人員對這一疫苗候選蛋白的瞭解。美國NIH疫苗研究中心 (VRC) 的Barney Graham和Gary Nabel團隊開發的基於SARS病毒S蛋白的DNA疫苗也在動物實驗和臨床I期中取得了良好的效果[19-20]。相信這也是中美兩國科學家對新型冠狀病毒疫苗研製如此有信心的原因。綜上，開發新冠疫苗在技術上應該不會有太大難度。且目前的病例數量較多，易感人群更是數量巨大，不難招募到足夠的志願者參與臨床試驗。如果能儘快開發出新冠病毒的候選疫苗，並在動物模型上證明有效，相信國家會大力優先推進該疫苗的臨床試驗。不過，我們還是要牢記，即便技術上沒有太大難度，政策上也一路綠燈，科學、嚴謹的臨床試驗也不可能在短期內完成。
任 重 道 遠
事實上，要解決這次疫情，無論是中國還是美國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，隨著天氣的轉暖而消失。然而，那時南半球即將進入冬天，沒有人能預測新冠病毒會如何蔓延發展。因此，開足馬力加快新冠病毒的臨床前研究和臨床研究，仍然是對全人類健康最為有利的選擇。
最後，天花和脊髓灰質炎的例子證明，安全有效的疫苗是消除疫情、甚至最終從地球上消除這種病毒的利器。然而，像SARS、MERS和新型冠狀病毒這一類的病毒，存在於自然界，除人類之外還有其他的宿主，即使有疫苗，我們也可能永遠無法將其消除。遏止吃野味的陋習、加強市場管理和檢疫、提高人們的公共衛生意識，才是避免災難再次發生的關鍵。
參考文獻
[1] Pasteur L (1881). "Address on the Germ Theory". Lancet. 118 (3024): 271–72. doi:10.1016/s0140-6736(02)35739-8.
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[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.
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[10] https://www.cdc.gov/coronavirus/mers/about/index.html
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[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.
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[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.
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