新冠病毒的免疫性和新冠疫苗研發(fā)進展

蔣平平，王 汀

（安徽醫(yī)科大學 藥學院，安徽 合肥 230032）

2019 年 12 月，世界上出現(xiàn)一種新的傳染病，即新型冠狀肺炎（COVID-2019），患者的臨床表現(xiàn)包括發(fā)熱、干咳、呼吸困難等癥狀，嚴重時可能會發(fā)生急性呼吸窘迫綜合征、多器官衰竭等癥狀，引起該肺炎的病原體已被鑒定為新型包膜 RNAβ 冠狀病毒，WHO 將其命名為嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒 2（SARS-CoV-2）。新冠肺炎傳播速度極快，發(fā)病率高。新冠病毒的全球流行，給各國公共衛(wèi)生防御和醫(yī)療系統(tǒng)帶來巨大的挑戰(zhàn)。因此，盡快研發(fā)出安全有效的新冠疫苗對于遏制病毒發(fā)展、控制病毒在未感人群中持續(xù)傳播十分關鍵。目前全球正在研發(fā)的疫苗主要包括滅活疫苗、重組蛋白疫苗以及核酸疫苗等。本文簡要介紹了人體的兩種免疫反應，論述了新冠病毒的結構和免疫反應，總結梳理了新冠疫苗的研究進展。

1 免疫反應

1.1 非特異性免疫

病原體接觸人體后，會引發(fā)人體的兩種免疫反應。第一種是非特異性免疫反應，它是人一生下來就具有的，對入侵的病原體的清除沒有特異性。人體首先會用皮膚、消化道、呼吸道粘膜細胞等物理手段阻擋病原體入侵機體，但如果阻擋不成功，機體則會通過吞噬作用清除微生物或異物碎片來維持細胞內環(huán)境的穩(wěn)定，它是一種基本的防御機制，可以激活免疫和炎癥反應，抵御入侵的病原體[1]。在哺乳動物中，吞噬功能是由專職抗原提呈細胞（APC）介導的，包括樹突狀細胞、巨噬細胞、中性粒細胞[2]。這些細胞識別并消滅病原體。

1.2 特異性免疫

機體的第二種免疫是特異性免疫反應，特異性免疫反應分為 T 淋巴細胞引起的細胞免疫反應和 B 淋巴細胞引起的體液免疫反應。感染了病原體的細胞傳遞病原體抗原給淋巴細胞，產(chǎn)生抗體與細胞毒性 T 細胞，病原體被清除，最后產(chǎn)生記憶淋巴細胞。下次病原體再入侵時，即刻被記憶淋巴細胞識別，重新生成抗體和細胞毒性 T 細胞，通過細胞免疫和體液免疫消滅入侵的病原體。

特異性免疫反應首先激活的是淋巴細胞的輔助 T 細胞（T helper cells)，激活后的輔助 T 細胞一方面刺激 B 淋巴細胞分化成漿細胞[3]，漿細胞產(chǎn)生抗體和記憶 B 細胞；另一方面刺激細胞毒性 T 細胞生成，并獲得記憶 T 細胞。所以這個輔助 T 細胞也是疫苗能否產(chǎn)生作用的關鍵。

輔助 T細胞又分兩類，Th1 與 Th2 細胞[4]。Th1 細胞對細胞內細菌的防御尤為重要[5]，而Th2細胞更多參與清理細胞外病原體，而這主要靠體液免疫反應，促進抗體生成。但 Th2 細胞也參與到了疫苗引發(fā)的人體有害反應，這個現(xiàn)象叫抗體依賴的增強作用（Antibody dependent enhancement，簡稱ADE)，疫苗或感染導致的預先存在的、非中和的或中和能力差的抗體會增強隨后的感染[6]，也就是說疫苗產(chǎn)生的抗體與重新入侵的病原體結合后，不但不能消滅病原體，反而加快病毒進入人體免疫細胞，使病情更加嚴重。而 SARS-CoV-2 可能由于先前接觸其他冠狀病毒如嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒（SARS-CoV）而產(chǎn)生抗體依賴性增強（ADE）[7]?；谙惹笆褂?SARS-CoV 進行的體外研究和小鼠模型，ADE 阻礙了控制肺部等地方炎癥的能力，這可能會導致急性呼吸窘迫綜合征和其他炎癥后遺癥[8-9]。

2 SARS-CoV-2對免疫系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

已確定患者感染了新冠病毒能產(chǎn)生中和抗體，在癥狀出現(xiàn)后 10 天產(chǎn)生很高的抗體水平[10]。中和抗體是能與病毒結合并消除病毒感染能力的抗體，它們的產(chǎn)生是由感染和針對感染的疫苗觸發(fā)的，是人體自然產(chǎn)生的免疫反應的一部分，中和抗體在殺滅細胞外的游離病毒中起主要作用。中和抗體可以導致對某些感染的終生免疫力，并且可以用來查看人們從感染中恢復后是否對感染產(chǎn)生了免疫力[11]。很大比例的恢復期血漿樣本具有適度的抗體水平[12]，說明抗體保護時間很長。強的抗體反應與更嚴重的臨床癥狀相關，而 T 細胞反應與不太嚴重的癥狀相關[13]，新冠病毒主要刺激 Th1 細胞的產(chǎn)生，CD8+T 細胞能夠非常有效地清除冠狀病毒[14]，但在重癥病人身上檢測到更多的 Th2 細胞[15]。血清中和抗體滴度與新冠肺炎病情呈正相關[16-17]。輕癥與無癥狀病人有可能檢測不到中和抗體，但是產(chǎn)生了強烈的 T 細胞免疫應答。感染了新冠病毒的人 100% 產(chǎn)生了輔助性 T 細胞，70% 的病人還產(chǎn)生了細胞毒性 T 細胞，在40～60%的未暴露個體中檢測到非典型肺炎冠狀病毒效應 T 細胞，并且都攜帶輔助 T 細胞[18]。大約一半的健康人還具有識別SARS-CoV-2 殘基的輔助 T 細胞，而大約三分之一具有細胞毒性 T 細胞。

為什么一些人從未接觸過這種病毒也有能識別該病毒的 T 細胞呢？這是因為冠狀病毒是一個大家族，如四種普通感冒冠狀病毒株（common cold coronaviruss strains, CCC）—OC43、HKU1、229E 和 NL63 所致的普通感冒約占人類普通感冒的 15%，這些病毒與 SARS-CoV-2 有不同程度的氨基酸同源性[19]，抗 CCC 的記憶 T 細胞可能已經(jīng)存在很多人身體中，這些人有了對SARSCoV-2 的交叉保護反應，所以當這些人感染 SARS-CoV-2 才會只有輕癥甚至無癥狀。但這只是一個假設，尚未被證實，這可能會對新冠肺炎的嚴重性、群體免疫和疫苗開發(fā)產(chǎn)生影響，這些問題仍有待于實際數(shù)據(jù)來解決[20]。

3 新冠病毒疫苗

這種疫苗可能不是傳統(tǒng)疫苗，傳統(tǒng)疫苗以抗體疫苗為主，新冠疫苗可能更多的是由細胞免疫主導。因此我們對新冠疫苗的評估不僅要證實其產(chǎn)生中和抗體，還要了解它能否具有較強的細胞免疫反應。總之，好的新冠病毒疫苗必須能夠產(chǎn)生體液和細胞免疫應答。

3.1 SARS-CoV-2的結構

嚴重急性呼吸系統(tǒng)綜合癥冠狀病毒（SARS-CoV）是一種包膜病毒，具有單鏈正鏈 RNA 基因組[21]，長度一般約為 30 kb[22]?；蚪M能夠編碼四種結構蛋白，刺突（S），包膜（E），基質（M）和核衣殼（N）[23]和非結構蛋白，以及一組輔助蛋白，刺突蛋白（spike protein）是病毒感染和致病的主要決定因素[24]，它有 S1 和 S2 兩個亞單位，S1 上有受體結合部位（receptor binding domain, RBD)，識別并結合宿主細胞膜的血管緊張素轉化酶 2（ACE2）受體[25]，隨后 S2 的構象發(fā)生變化促進病毒脂膜融入宿主細胞膜，從而讓病毒的 RNA 進入宿主細胞中進行復制。這個刺突蛋白，尤其 RBD 部位是誘導宿主免疫應答的主要抗原部位[26]。

目前，SARS-CoV-2 的疫苗技術平臺基本上都是針對 S 蛋白的，包括滅活疫苗、病毒載體重組蛋白疫苗、核酸疫苗等。

3.2 滅活疫苗

滅活疫苗是利用物理或化學方法將病毒殺死，使其毒力喪失，但仍具有免疫原性。其安全性好，免疫原性最全，這是其他疫苗技術平臺所不能比的。也因為任何免疫反應都能產(chǎn)生，所以對人體有害的免疫反應也可能出現(xiàn)，包括 ADE 反應。由中國醫(yī)學科學院秦川團隊領銜，聯(lián)合北京科興生物制品有限公司等多家單位合作開發(fā)了新冠病毒滅活疫苗 PiCoVacc，并進行了中試生產(chǎn)，PiCoVacc是一種純化的 SARS-CoV-2 病毒候選滅活疫苗，可以在小鼠、大鼠和非人靈長類動物中誘導SARS-CoV-2 特異性中和抗體。這些抗體能夠中和 10 個具有代表性的 SARS-CoV-2 毒株，而且沒有觀察到 ADE 反應[27]。用紫外線、甲醛等滅活的 SARA-CoV 可在 BALB/c 小鼠模型中誘導中和抗體產(chǎn)生[28]。由于滅活疫苗的生產(chǎn)需用高熱、紫外線、化學制品等手段來處理，監(jiān)管部門對此種疫苗有嚴格的監(jiān)控，不容易被批準。此外，在制備滅活疫苗時如果高濃度的病毒沒有被完全滅活，可能會使接種的人感染病毒[29]。雖然滅活疫苗引起了強烈的抗體反應，但它能否保護個人免受新冠肺炎的感染仍是個未知數(shù)[30]。PiCoVacc 疫苗已經(jīng)完成臨床 I/II 期試驗，能夠產(chǎn)生很好的中和抗體滴度，但因滅活疫苗主要引起體液免疫，此疫苗沒有細胞免疫數(shù)據(jù)，III 期臨床試驗也已經(jīng)基本完成，初步中期數(shù)據(jù)分析顯示，其疫苗的有效性達 91.25%，臨床試驗期間未發(fā)現(xiàn)嚴重不良反應。我國的另一款新冠病毒滅活疫苗是由國藥集團中國生物研發(fā)的，該疫苗是在國際上獲批上市的首個我國新冠疫苗，并已獲得國家藥監(jiān)局批準附條件上市，數(shù)據(jù)顯示保護率為 79.34%。

3.3 重組蛋白疫苗

病毒載體重組蛋白疫苗是一種成熟的疫苗制作技術，其原理就是將抗原核酸序列插入到已知的病毒載體，由病毒帶入宿主細胞進行復制，此病毒可以保留病毒載體的部分特性，誘導持續(xù)有效的體液免疫和細胞免疫反應。但是以水皰性口炎病毒為載體的埃博拉疫苗會使一些人患上類似流感的輕度疾病，它不能用于免疫功能低下的人。以腺病毒為載體會導致疫苗效率降低，許多人已經(jīng)暴露于腺病毒并增強了其免疫力[31]，一旦將它們傳遞到人體內，它們就很難繁殖，這表明需要大量的病毒載體。

全球第一款進入臨床試驗的新冠疫苗是來自中國的人體腺病毒載體新冠疫苗（Ad5-nCoV），此疫苗是由陳薇將軍及其團隊設計，以 Ad5 為載體的新冠肺炎疫苗是安全的，單次免疫后在大多數(shù)受試者中誘導了顯著的免疫應答[32]。健康成人對 SARS-CoV-2 的體液應答在接種后第 28天達到高峰，并在接種后第 14 天觀察到快速的特異性 T 細胞應答[33]。目前，此疫苗的Ⅲ期臨床試驗正在世界各國進行中。

另外還有英國牛津大學與阿斯特捷利康藥物制品公司合作生產(chǎn)的黑猩猩腺病毒載體疫苗ChAdOx1 nCoV-19，采用 ChAdOx1 作為病毒載體可誘導很高的中和抗體和特異性CD8+T細胞免疫應答[34]。該疫苗臨床前研究沒有觀察到ADE效應。ChAdOx1 nCoV-19疫苗接種后，第7天SARS-CoV-2 刺激性效應 T 細胞反應顯著增加，第 14 天達到高峰，并維持到第 56 天。在第二次 ChAdOx1 nCoV-19 接種后，沒有觀察到細胞反應的增強[35]，抗體水平有顯著提高。2020年5 月進入臨床Ⅲ期，2020 年 9 月兩名試驗參與者（美國一名，英國一名）出現(xiàn)嚴重的神經(jīng)系統(tǒng)反應，該試驗被暫停，2020 年 10 月試驗恢復進行。

美國疫苗制品公司 Novavax 在八月初也公布了他們的鈉米顆粒重組蛋白疫苗的 I 期臨床試驗結果，該疫苗 I 期臨床試驗中沒有明顯的不良反應，產(chǎn)生的血清抗體滴度高于康復者，且產(chǎn)生了強烈的細胞免疫應答。在首次接種 35 天后，抗體水平達到最高峰。該疫苗于 2020 年 9 月進入臨床 III 期，此疫苗可能是目前在研的最安全有效的疫苗。

3.4 核酸疫苗

核酸疫苗是將編碼抗原蛋白的基因導入宿主細胞，利用宿主細胞的表達系統(tǒng)合成抗原蛋白，誘導宿主產(chǎn)生對該抗原的免疫應答，從而達到預防疾病的目的[36]。核酸疫苗分為 mRNA 疫苗和DNA 疫苗。mRNA 疫苗研發(fā)周期短，知道病毒的核酸序列，疫苗很快就被研制出來。該疫苗設計靈活，可以將多個抗原 mRNA 疊加起來以增強免疫性，并且外源性 mRNA 本身就具抗原性，不需佐劑強化免疫反應。mRNA 疫苗需進入細胞質才能發(fā)揮其抗原作用，將 mRNA 疫苗成功地遞送到細胞是其發(fā)揮作用的基礎。但 mRNA 的單鏈結構不穩(wěn)定，在進入細胞之前可能就被降解，因此 mRNA 在疫苗中通常被脂質體包裹制成納米粒子，通過胞吞作用進入樹突細胞。mRNA 疫苗已誕生四五年時間，但尚無基于 mRNA 技術研發(fā)的疫苗獲批上市。

美國的 Moderna 疫苗公司生產(chǎn)的 Moderna-1273 mRNA 疫苗 2020 年 1 月 11 日開始研發(fā)，3 月 2 日即進入 I 期臨床試驗，是全球首個進入臨床研究的 mRNA 疫苗。45 名受試者分為三個劑量組，25μg、100μg 及 250μg，首次注射后 15 天，三個劑量組的受試者免疫原性都增強，中和抗體反應呈劑量依賴性[37]。28 天后注射第二針，25μg 組受試者就產(chǎn)生了高于康復者的血清抗體滴度，100μg 組超過這一水平，而且免疫反應偏向 Th1 細胞反應。

緊隨美國 Moderna 之后，輝瑞公司與德國 BioNTech 合作開發(fā)的 mRNA 疫苗 BNT162于2020 年 4 月 22 日獲德國相關部門批準，開始臨床試驗，這項試驗是在德國開始的第一次新冠肺炎候選疫苗臨床試驗。該疫苗劑量低于 Moderna-1273，卻產(chǎn)生了更強的免疫效果，并且副作用也更小。

除了 mRNA 疫苗，DNA 疫苗也已應用到新冠疫苗的研發(fā)中了。DNA 疫苗是把目的抗原DNA 片斷植入質粒中，由質粒帶入宿主細胞，DNA 分子很穩(wěn)定，可在宿主細胞中存在很長時間，能夠不斷地生成體內自然抗原引發(fā)持續(xù)有效的免疫效應，但也可能整合到宿主細胞的染色體上造成突變。第一種進入臨床的 DNA 新冠疫苗是美國 Inovio 醫(yī)藥公司生產(chǎn)的 INO-4800,該疫苗能夠誘導強烈的 S 蛋白特異性 T 細胞應答，并產(chǎn)生中和抗體[38]。

4 總結

新冠肺炎爆發(fā)以來，在世界各國的共同努力下，快速掌握了新冠病毒的結構特征、致病機制，并且快速研制了新冠疫苗。截至 2020 年 12 月，全球已有 60 種新冠疫苗進入臨床試驗不同階段，其中 7 種疫苗獲批緊急使用或附條件上市。15 種已進入了臨床Ⅲ期（包括 II/III 期），中國有 5 種進入 III 期臨床試驗，處于領先狀態(tài)。在這個多國致力攻克新冠疫苗的時期，疫苗的安全性和有效性是疫苗成敗的關鍵，疫苗的安全性、免疫原性及免疫持久性需要在研發(fā)過程中被關注，新冠疫苗的研發(fā)及臨床評價仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。第一，臨床試驗時間短，還沒有確切數(shù)據(jù)證明是否有罕見的不良反應發(fā)生，以及對人體是否有長期的保護性；第二，沒有一個標準可以比較疫苗的免疫測試，尤其是不同的疫苗技術平臺；第三，疫苗的大規(guī)模生產(chǎn)存在一些工業(yè)化問題。但是，在各國的共同努力下，相信將來一定會有安全有效的新冠疫苗幫助人類戰(zhàn)勝新病毒。