疫苗作為一類抵禦人類多種疾病，特別是傳染性疾病的強大武器，它的發展邏輯同樣是圍繞安全性、有效性和可及性來展開。本文梳理了新冠病毒疫苗的研發及其背後的技術發展。中美兩國的小型生物技術公司在新銳的疫苗開發技術的加持下，跑在了這個隊伍前列。衷心希望Moderna和康希諾的臨床試驗進展順利，為抗疫助力！
撰文 |Enron Medicine
2020年3月16日，來自美國的Moderna公司生產的新冠疫苗mRNA-1273完成了首次人體接種試驗，而mRNA-1273也成為了世界上最快的進入臨床並實施接種的新冠病毒疫苗品種。
緊接著在3月17日，國內的疫苗研發企業康希諾聯合軍事科學院陳薇院士團隊研發的重組新冠病毒疫苗Ad5-nCoV也宣佈進入臨床試驗，試驗時間從2020年3月16日到2020年12月31日。在這場人類與病毒競賽的新冠病毒疫苗研發中，中美兩國得益於新銳的疫苗開發技術平臺，雙雙進入疫苗開發的頭等位置，著實讓人期待又振奮。
疫苗作為一類抵禦人類多種疾病，特別是傳染性疾病的強大武器，它的發展邏輯同樣是圍繞著三大主題（即安全性、有效性和可及性）來展開的。自從1796年英國醫生Edward Jenner使用牛痘病毒來給人接種從而預防天花病毒感染以來，疫苗的開發經歷了200多年的發展，如今各種新技術仍然層出不窮。今天，我們就來盤點一下新冠病毒疫苗的研發及其背後的技術發展。
表1. 新冠病毒疫苗的開發企業（部分）
<table><tbody>疫苗類型
研發企業（部分）
滅活（減活）疫苗
北京科興
Codagenix/Serum Institute of India
重組亞單位疫苗
智飛生物/中國科學院微生物研究所，三葉草生物
賽諾菲、康樂衛士、Vaxil Bio、Generex/EpiVax、昆士蘭大學、Novavax
病毒載體疫苗
康希諾/軍事科學院、強生、Vaxart
DNA疫苗
Inovio，Zydus Cadila
mRNA疫苗
Moderna
CureVac AG
冠昊生物/ZY therapeutic
Arcturus Therapeutics
斯微生物
BioNTech SE
滅活（減活）疫苗：保持較高免疫原性
上文提到的人類最早的預防天花病毒感染的牛痘病毒就是從牛身上分離出來的活疫苗，由於它具有與人類天花病毒相同的抗原性質且對人的致病性很弱，因此在接種牛痘病毒之後，人體內可以產生抗天花病毒的抗體從而起到保護作用。
詹納接受牛痘疫苗防治天花（來源：密歇根大學）
然而這類活疫苗最大的特點就是它仍然保留病毒的各種特性，因此安全性不高。比如這種牛痘病毒對於正常人來說可能只是出現一些輕微的感染症狀，而對於那些免疫功能缺陷患者而言，它的感染卻可以是致命的。因此，為了擴大疫苗的接種範圍並提高它的安全性，減活的或滅活的病毒疫苗就應運而生。
病毒的滅活可以通過一些化學的（如甲醛）或物理的（如熱，紫外線等）手段使得病毒失去複製能力和致病能力。而獲得減活的病毒的方式是在體內或體外，在一定的條件下（如低溫）不斷的傳代培養，這種方法可以培育出致病性低，但仍然保持較高的免疫原性的減活病毒疫苗。
隨著基因重組技術的發展，如今可以通過基因編輯技術將病毒中某些與病毒的複製能力和致病能力相關的基因進行修飾從而降低病毒的毒力。如我們可以將流感病毒中解碼血凝素蛋白的基因進行修飾，使得解碼出的血凝素是通過胰彈性蛋白酶而不是類胰蛋白酶絲氨酸蛋白酶來裂解，從而極大的降低病毒的複製能力。
目前，開發滅活（或減活）新冠病毒疫苗的有北京科興和Codagenix等企業。北京科興成立於2001年，成立不到2年的時間就遇上了SARS病毒的肆虐，在國家科技部的牽頭下，北京科興與中國醫學科學院實驗動物研究所、中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所等單位組成了疫苗研製課題組，他們歷時8個月的時間成功研製出了用甲醛滅活的SARS病毒疫苗並在2004年1月進入了臨床試驗，然而這個時候SARS疫情已經結束，因此疫苗研發也就戛然而止。這回新冠病毒疫苗，科興也承擔了滅活疫苗的研發工作，目前尚沒有最新的進展消息。
重組亞單位疫苗：添加佐劑刺激免疫反應
雖然基於全細胞結構的滅活或減活的病毒疫苗取得了巨大的成功，然而它的缺點也很多，首先它需要處理高活性的病毒毒株，因此需要在特定規格的實驗室才能開展研製工作，比如滅活的SARS病毒疫苗的生產就需要在P3實驗室裡進行。再者，由於是全細胞結構，其抗原成分多樣，因此它引起的人體免疫反應也更為複雜和強烈。
為了解決這些問題，人們把病原體上一些可以引起人體特異性免疫反應的亞單位制備成疫苗，從而避免了病毒的複製能力和其他病原體的結構引起的不需要的免疫反應帶來的副作用，極大提升了疫苗的安全性。
最早這類疫苗需要從康復者血漿中分離並純化出這些亞單元（如默沙東於1981年研發的血源性HBV疫苗Heptavax-B），這個工藝最大的問題就是疫苗的來源無法得到保證。在1986年，默沙東利用基因重組技術，將編碼HBsAg的DNA整和進酵母質粒中，而後在酵母菌中表達出這些HBV的S抗原，最後經歷複雜的純化過程製備得到了人類首個用基因工程技術疫苗Recombivax HB。
然而，這些高純度的亞基單元疫苗也有一個缺點就是由於缺乏很多病原體的內在病原性特點而導致它們的免疫源性普遍不高，從而導致在體內很難引起特異性的免疫反應。因此，這類疫苗需要添加一些佐劑（如氫氧化鋁等）來刺激人體的免疫反應，從而提高人體對這類亞單位疫苗的響應能力。
目前，宣佈開發重組亞單位新冠病毒疫苗的企業和機構有很多，國內的有智飛生物、三葉草生物等，國外的有賽諾菲，昆士蘭大學，Novavax等。上面我們提到亞單位疫苗的免疫原型的缺失是因為它失去了就很多病原性的特徵，如這些亞單位的結構在結構和構象上失真就是一個方面。因此，目前有很多新技術來模擬原始的病原體蛋白結構從而增加亞單元疫苗的免疫原性。
三葉草生物則利用其獨有的Trimer-Tag技術平臺製備出了三聚體的新冠病毒S蛋白疫苗，因為在體內新冠病毒的S蛋白通常是以三聚體的形式與宿主細胞相互作用的，因此這樣製備出來的三聚體S蛋白理論上有更好的免疫原性。而來自澳大利亞的昆士蘭大學則利用所謂的分子鉗技術（Molecular Clamp）來製備新冠病毒的S蛋白，它們利用一種稱為分子鉗的多肽來穩定利用基因重組技術而表達出來的新冠病毒S蛋白，從而使得這種嵌合蛋白更加容易被人體的免疫系統所識別。
病毒載體疫苗：免疫原性更豐富和強烈
重組的亞單位疫苗通過直接將病原體的亞單位輸入人體內而引起人體的免疫反應，這樣的方式一般免疫原性不高且只能引起人體的血液免疫反應。因此為了能夠同時引起人體的血液免疫和細胞免疫過程從而提高疫苗的免疫原性，人們開發了幾類直接在人體內產生病原體抗原蛋白的技術平臺，包括重組病毒載體疫苗和核酸疫苗（DNA疫苗和mRNA疫苗）。
這類疫苗的優勢在於，相比於每次只能輸入一次亞單位抗原，這類技術直接在體內產生抗原的時間更為長久；合成出的抗體可以分泌出宿主細胞外而引起血液免疫或者被MHC-I分子提呈而引起細胞免疫反應；表達出的抗原分子可以是多種類型而且整個過程類似於病原體的自然感染過程，因此這類疫苗的免疫原性更為豐富和強烈。
目前用作疫苗載體的病毒包括腺病毒（雙鏈DNA病毒）、甲病毒（單鏈RNA病毒）、痘病毒（雙鏈DNA病毒）和皰疹病毒（雙鏈DNA病毒）等。將編碼病原體的亞單位基因整和進這些病毒的基因組後，在合適的細胞載體下擴增病毒，最後經歷純化而重組病毒載體疫苗，這類疫苗由於本身帶有免疫原性的病毒載體，因此可以不需要佐劑就可以在體內引起特異性的免疫反應。
EBOV疫苗在2017年獲批 (來源：viralportal.net）
利用這類技術走在最前面的是來自國內的康希諾和軍事科學院聯合研製的基於複製缺陷性腺病毒為載體的Ad5-nCoV,它可以在體內表達新冠病毒的S蛋白，從而引起體內的免疫反應，目前這款疫苗已經接種了一批志願者來評估它的安全性。值得一提的是，2017年康希諾和軍事科學院利用同樣的技術研發出來的艾博拉病毒疫苗Ad5-EBOV獲得了國家藥監局的批准上市，這也是世界上首個被國家機構批准的EBOV疫苗。這一次，他們又走在了新冠病毒疫苗的研發前列，著實令國人驕傲。
DNA疫苗：合成工藝簡單
DNA疫苗就是將編碼病原體抗原蛋白的基因整合進質粒中，而後在酵母或或其他細胞內擴增培養，而後提取純化得到含有目前抗原的重組DNA質粒。這類疫苗的合成工藝簡單，而且質粒DNA在室溫下比較穩定的特點也增加了它的可及性。然而由於是外源性DNA，這類疫苗會引起抗DNA抗體，且有插入宿主細胞基因組的風險。還有一個缺陷就是這類疫苗的免疫原性不高，因此這類疫苗會添加一些佐劑，或者是在質粒DNA中引入IL-4和NF-κB p65等基因性佐劑來刺激人體的免疫反應。
INO-4800預計4月進入臨床試驗(來源：haberdar.com)
針對新冠病毒DNA疫苗開發最為迅速的是來自美國的Inovio生產的INO-4800，它正在進行臨床前的測試並預計4月份進入臨床試驗。需要注意的是，這類疫苗除了在動物身上成功運用之外（如第一個DNA疫苗是用於馬來預防西尼羅河病毒感染），目前尚沒有DNA疫苗獲准在人身上使用。
mRNA疫苗：大大縮短流程
mRNA疫苗相比於DNA疫苗的優點在於它只需要在細胞質內就可以翻譯出目標抗原，因此沒有整合進宿主細胞基因組的風險。
然而mRNA疫苗起初並沒有引起人們的廣泛關注，主要原因是相比於DNA疫苗而言，它的穩定性更差，而且缺乏有效的體內遞送系統。然而近些年這個領域發展速度十分迅猛，目前已有很多mRNA疫苗進入了臨床試驗。在mRNA穩定性方面，人們可以在mRNA中引入5'-Cap和Poly-A尾部，或提升整個序列的G:C比例等手段提升它的穩定性。
在體內的遞送系統方面，人們開發了多種陽離子納米乳液、陽離子多聚物脂質體和多糖顆粒等高分子遞送系統，這些手段不僅可以使得mRNA更加穩定，而且可以增加它進入細胞內的能力。mRNA只需要重組酶、三磷酸核糖核苷酸和DNA模板就可以在體外的反應器中合成出來，而後經過純化和組裝進遞送系統就完成了整個mRNA疫苗的生產。根據這個流程，理論上可以在很短的時間內生產出任何給定的蛋白抗原，因此這類疫苗很適合用來應對那些突然爆發的感染性疾病。
Moderna的mRNA疫苗進入臨床試驗（來源：亞特蘭大商業系統）
目前，Moderna是這場新冠病毒mRNA疫苗研發中的佼佼者，它旗下的mRNA-1273已進入了臨床試驗並完成了首例人體試驗接種。此外還有來自德國的CureVac AG和BioNTech SE也處於前列。國內在這個領域最快的是斯微生物，目前正在動物模型上評估疫苗的有效性，預計今年4月份進入臨床試驗。
當下，新冠疫情在國內基本控制住了，而國外卻有愈演愈烈的趨勢，截至2020年3月26日17點，國外累積確診近40.7375萬人，死亡18,854人。WHO總幹事譚德塞稱歐洲現在已成為新冠肺炎這一大流行病的疫情中心，目前尚無法確定這一大流行病在全球何時達到頂峰。在這樣的大背景下，新冠病毒疫苗的研製工作顯得尤為重要。
中美兩國的小型生物技術公司在新銳的疫苗開發技術的加持下，跑在了這個隊伍的前列。傳統的疫苗生產工藝，尤其是重組亞單位疫苗的技術工藝極為複雜，行業壁壘很高，這些技術都掌握在歐美一些大型的製藥企業手裡（如默沙東、GKS、賽諾菲等）。面對這場突如其來的新冠疫情，小型生物技術企業利用先進的技術來搶得疫苗研發的頭等位置，從而實現彎道超車，令人鼓舞。在此希望Moderna和康希諾的臨床試驗進展順利，為抗疫助力！
3月20日
參考文獻
1. Biotechnologyand Bioengineering. 2012, 109, 1443 - 1460.
2. Advances in Delivery Science andTechnology. Springer Science+Business Media, 2015.
3. The Journal of Infectious Diseases.2019; 219(S1):S88–96.
4. Human Vaccines & Immunotherapeutics. 2017, 13, 2837–2848.
5. Lancet. 2011; 378:360–68
6. Asian Pac J Trop Biomed. 2015; 5(5): 344-353.
7. Int J Mol Sci. 2018, 19, 3605.
8. Nature Reviews Drug Discovery. 2018, 17,261 - 279.
9. Clin Exp Vaccine Res. 2013;2:97-105.
10. Nature Medicine. 2005, 11, 683 - 689.
Enron Medicine是一個初入職場的醫藥人，讀博期間養成了閱讀文獻的習慣，手上做的是化學，腦子裡想的是信號通路，說出來的都是前人的足跡。希望有生之年可以做出讓老百姓用得起的好藥。
總第1003期
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