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科学家开发出通用疫苗策略,可同时针对新冠SARS

时间: 2020年07月02日 | 作者: 杨心舟 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
近日,中国科学院微生物高福院士和严景华研究员合作团队,提出了一种针对MERS、SARS以及新冠肺炎的通用疫苗设计策略。


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图片来源:pixabay


论文以提前公开的形式发表在《细胞》上。基于该策略生产的疫苗已经在动物中获得远超同类型疫苗的免疫效果,目前已经获批进入临床试验。


撰文丨杨心舟


6月29日,根据世界卫生组织的数据,全球新冠病毒的感染者已经破千万大关,累计死亡病例达到50万例。但是,世卫组织发言人表示,这并不意味着疫情已经达到最高峰,确诊病例在未来还会继续上扬。以目前的防治措施和基础病例数来看,从1000万增加到2000万的时间只会更短。


由于传统措施比如隔离,只是阻断病毒传播,却不能建立免疫屏障,因此我们仍然需要有效的疫苗来增加自身免疫力抵御病毒。可能有人会提出,人体对冠状病毒并不能产生持久的免疫力,疫苗或许也帮不上什么忙。因为在过去的经验中,例如SARS和MERS病毒在感染人体后,人类不能产生长期的免疫保护能力,通常只有6个月到1年的时间,而人体对新冠病毒的反应可能类似。


但是,在感染人数如此庞大的基础下,疫苗仍然是保护健康人群的唯一希望。即使疫苗注射后只能给予1年的保护时间,也可以通过定期注射来弥补,又或者改造疫苗效率延长保护时间。而没有疫苗,人类在新冠病毒抵御中就只能徒手抗敌了。



疫苗设计思路


现在生产疫苗基本上有两种思路,一种是基于基因的疫苗,例如新冠病毒的DNA或者mRNA疫苗、重组载体疫苗,这些疫苗在进入人体后能利用宿主细胞复制病毒的相关基因,生成抗原来使人产生免疫力。


另外一种就属于比较经典的疫苗生产方式,利用病毒蛋白或者蛋白亚基制成疫苗,这些蛋白会直接在体外批量生产,注入人体后再提供免疫作用,乙肝疫苗就是以此方法制备的。这种以蛋白激活免疫的传统方法,相对要更有效和安全。


在冠状病毒中,最适合用于疫苗针对的就是S蛋白,也就是常说的刺突蛋白。常规的疫苗生产方式可以直接将S蛋白当作疫苗的抗原成分,完整的S蛋白因为很大(约600 kDA),通常具有很高的免疫原性,即能让人体产生很强的免疫反应。


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几年前,美国斯克利普斯研究所的研究人员就利用MERS病毒的S蛋白设计了一种针对MERS的疫苗,在他们的实验中,这种疫苗能激发产生大量中和抗体。这说明,传统的疫苗制备方法是足以应对冠状病毒入侵的。


但是,用S蛋白生产的疫苗有一点弊端,S蛋白包括了RBD(受体结合域)、和非RBD,例如N端结构域,这些区域都能使身体产生中和抗体,而另外的蛋白区域则有可能产生非中和抗体,导致ADE效应。ADE即所谓的抗体依赖的增强作用,这种情况下产生的抗体(多为非中和抗体),不仅无法消灭病毒,还能增强病毒侵入细胞的能力。这是曾在SARS和MERS病人中就观测到过的现象。



提升疫苗效率


因此,后续的疫苗生产都开始更注重免疫聚焦,也就是着重产生中和抗体的区域来开发疫苗。冠状病毒S蛋白的RBD就是适合免疫聚焦的区域。目前,针对MERS和SARS病毒都有一些基于RBD的疫苗,新冠病毒疫苗的开发工作也有相当一部分是针对SARS-CoV-2的RBD开发的。


尽管这类疫苗的免疫聚焦确实要更好,但是依赖单个RBD抗原作为疫苗成分的效率并不高,许多接种的动物产生的中和抗体滴度很低,这说明RBD单体的免疫原性不强。现在的一些增强免疫原性的策略,比如多聚化或者抗原提呈颗粒会引入额外的外源序列,增添临床应用的审批。而微生物所和高福院士所做的新工作就是在保证免疫聚焦的情况下,更简单和通用地提升RBD疫苗的免疫原性。


该设计主要思路并不复杂,拆分S蛋白三聚体,获得RBD单体后用二硫键将两个RBD单体连起来。以RBD二聚体(RBD dimer)形式作为疫苗成分时,既能显著提升免疫原性和中和抗体的滴度,又能保证高效地产生中和抗体。


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设计思路:拆分S蛋白三聚体,获得RBD,用二硫键连成RBD二聚体。以此作为疫苗成分,接种后的小鼠接受冠状病毒感染时,免疫系统能有效阻止病毒入侵,保护个体。


研究首先使用了MERS冠状病毒作为测试目标,在昆虫细胞中大量表达了MERS-CoV的RBD。这些被收集的RBD单体,通过二硫键处理后形成了RBD二聚体。通过纯化和调节浓度后,RBD二聚体就成了最后的疫苗成分。


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RBD二聚体的示意图


根据论文的文字描述(目前论文为提前发表形式,图片数据还不全),与常规注射RBD单体疫苗的小鼠相比,注射了RBD二聚体疫苗的小鼠获得的免疫力会要更强,体内中和抗体的滴度也更高。而那些本身对MERS病毒易感的小鼠,在接受了这种新型疫苗注射后,能持久地抵抗MERS病毒的感染。



一种通用设计策略


这一结果给了高福等研究者很大的启发,他们认为这种方法同样能应对SARS和新冠病毒。在后续研究中,他们设计了一个RBD二聚体升级版本,利用多个二聚体构成了RBD二聚体的串联形式(sc-dimer),sc-dimer与单个的二聚体免疫作用一样,但是免疫效率再次得到了提升。


除了MERS冠状病毒,这种改进的sc-dimer同样适用于SARS冠状病毒和新冠病毒。利用sc-dimer生产的疫苗在小鼠体内产生的中和抗体滴度,是传统单体RBD疫苗产生的10~100倍。这意味着,这种RBD二聚体串联方式,适用于各种β冠状病毒,可以说是SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2疫苗生产的通用设计方式。


基于这一通用设计策略,中科院微生物所已经设计开发出COVID-19重组蛋白疫苗。恒河猴攻毒保护试验结果显示,该疫苗免疫能诱导产生高水平的中和抗体,显著降低肺组织病毒载量,减轻病毒感染引起的肺部损伤,具有明显的保护作用。


国家药品监督管理局6月19日批准了微生物所和安徽智飞龙科马共同研发的新冠重组蛋白疫苗进入临床试验,这也是中国COVID-19疫苗五条技术路线中首个获得临床批件的重组蛋白疫苗,而疫苗的成分就是RBD二聚体抗原。新疫苗的I期临床试验将重点测试疫苗在人体的耐受性和安全性,而更多类型疫苗的出现也将给未来的健康人群提供多一份保障和希望。


原始论文:

A universal design of betacoronavirus vaccines against COVID-19, MERS and SARS

https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(20)30812-6.pdf