一文讀懂新冠疫苗研發五大技術路線及應用前景
2020年04月01日09:16

  來源:科普中央廚房 科學加

  各國展開新冠疫苗研發競賽,我國五條技術路線正在同步推進。這五大路線如何理解?應用了哪些轉基因技術?最快何時應用?

文/陶黎納(複旦大學公共衛生碩士,從事預防接種管理工作15年)
文/陶黎納(複旦大學公共衛生碩士,從事預防接種管理工作15年)

  3月11日,世界衛生組織宣佈,2019冠狀病毒已經構成全球性大流行。

  3月18日,著名遊戲《瘟疫公司》里最難被感染、只要被感染玩家就基本獲勝的格陵蘭島,也淪陷了。

▲遊戲《瘟疫公司》截屏,白色的是未感染的格陵蘭島
▲遊戲《瘟疫公司》截屏,白色的是未感染的格陵蘭島

  3月27日,美國累計確診病例8.5萬,超過中國的8.2萬,成為世界第一。

  截止3月底,全球共有超過200多個國家/地區出現疫情,有人的地方就有病毒。

  毫無疑問,人類已經面臨百年來最大的一場瘟疫。

  就像很多瘟疫災難片,最後的希望是某種神奇的解藥。現實世界里,這種神奇的解藥只可能是疫苗,但疫苗通常沒那麼快研發出來。

  和平年代,一種疫苗從開始研發到最終上市,至少需要5~10年時間。現在不是和平年代,現在是全人類與病毒短兵相接的大戰時刻,對疫苗的需求比以往任何時候都迫切。好在當前的疫苗技術也是今非昔比,完全有可能在保證安全和有效的前提下,用最快的速度研發出可供大規模人群使用的疫苗。

  最快的疫苗研發速度有多快?

  2月11日,世界衛生組織總幹事譚德賽說疫苗需要18個月,3月27日他再次表態說疫苗需要12~18個月。遠水解不了近渴,等疫苗研發出來,全人類都可能已經感染過病毒,災難已然發生,疫苗恐怕只能保護新生兒了。

  2月21日,在國務院疫情聯防聯控機舉行的發佈會上,國家衛健委宣佈:

  我國目前有5條疫苗研發技術路線在同步開展,分別是滅活疫苗,重組基因工程疫苗,腺病毒載體疫苗,流感病毒載體疫苗,核酸疫苗。估計最快在今年4月份可以有部分的疫苗進入臨床試驗。

  本來,疫苗在4月份進入人體臨床試驗已經是非常快的速度了。實際速度更快,我們的腺病毒載體疫苗於3月16日就開始人體臨床試驗,與美國的mRNA疫苗人體臨床試驗幾乎同時進行。

  然而疫苗還需要再快,筆者認為:我國的2019冠病疫苗最快可能在6月底前大規模人群使用,但這不算常規意義上的上市。

  為何有這樣的判斷?讓我們來瞭解一下2019冠病疫苗研發的若干種技術。

  下面把我國現役疫苗使用的技術和此次2019冠病疫苗研發使用的技術整合在一起介紹,讀者即可瞭解疫苗研發技術的全貌,又可以把握2019冠病疫苗研發的技術水平與成功可能性。我把疫苗的三個關鍵參數進行量化評估,分別是安全性、有效性和量產性,滿分為五顆★。

  01

  活疫苗

  安全性:★★★

  有效性:★★★★★

  量產性:★★★

  發明於1798年的預防天花的牛痘疫苗,是第一種人類公認的疫苗,這是一種活疫苗,含有活的牛痘病毒。人類通過接種牛痘疫苗以及改良後的天花疫苗,於1980年消滅了天花。現在,人類已經不需要接種牛痘/天花疫苗了,不過活疫苗技術還在廣泛使用。

  現役疫苗中活疫苗有:卡介苗(預防結核病)、脊灰活疫苗、麻腮風疫苗(包括麻疹、腮腺炎和風疹疫苗的排列組合)、乙腦活疫苗、甲肝活疫苗、水痘疫苗、輪狀病毒疫苗、黃熱病疫苗、炭疽疫苗、鼠疫疫苗、布病疫苗。

  上面這些疫苗名稱中,有些沒有用[活疫苗],是因為該疫苗目前只有活疫苗,無需特別說明。疫苗名稱里提到[活疫苗]的,表示該疫苗還有未使用活疫苗技術生產者。

  活疫苗里含有活病原體,通常可以引起人體輕微/隱性感染。這種感染模擬了自然感染,所以活疫苗的預防效果通常優於非活疫苗。但是,活疫苗的缺點也比較明顯。

  首先,要得到不引起人體嚴重感染的病原體並不容易,通常要經過長期培養和不斷試驗才能偶得,這次2019冠病疫苗研發路線里沒有活疫苗技術,關鍵就是時間上不允許。

  其次,不同活疫苗里病原體的致病能力各不相同,總體來說安全性不如非活疫苗。有些活疫苗的安全性很好,比如乙腦活疫苗和甲肝活疫苗,沒有引發有症狀感染的報告。有些則會引起明顯的感染,比如90%的卡介苗接種者會有局部潰瘍,還有1‰的卡介苗淋巴結炎;脊灰活疫苗有幾十萬分之一的概率會導致肢體永久性癱瘓。麻腮風疫苗和水痘疫苗則可以引起輕症感染,但並不嚴重。

  活疫苗需要培養病原體,還需要提純,再加入穩定劑等,產量一般,並不適合緊急情況下的大量供應。

  02

  滅活疫苗

  安全性:★★★★

  有效性:★★★★

  量產性:★★★

  活疫苗之後的技術就是滅活疫苗,相對於活疫苗來說安全性更好,肯定不會導致人體感染。由於不能模擬自然感染,其效果略遜於活疫苗,但可以通過增加劑量和接種劑次的策略彌補。

  現役疫苗中滅活疫苗有:脊灰滅活疫苗、乙腦滅活疫苗、甲肝滅活疫苗、狂犬病疫苗、手足口疫苗、霍亂疫苗、鉤體疫苗、出血熱疫苗、森腦疫苗。

  上面這些疫苗名稱中,有些沒有用[滅活疫苗],也是因為該目前疫苗只有滅活疫苗,無需特別說明。

  滅活疫苗雖然不像活疫苗那樣需要擔心感染導致嚴重不良反應,但滅活疫苗工藝過於簡單粗暴,是把病原體整個殺滅後直接做成疫苗,疫苗關鍵成分就是整個滅活的病原體。然而滅活的病原體太大了,成分過於複雜,真正能讓身體產生免疫力的,其實只是其中一小部分,其餘部分非但沒用,還會增加不良反應。

  以流感疫苗為例,最初的流感疫苗叫做全病毒疫苗,就是含有整個滅活的流感病毒,然而因為不良反應太大而被淘汰了。目前最常用的流感疫苗叫做裂解疫苗,可以理解為把流感病毒大卸八塊後的碎片做成疫苗,效果還不錯,不良反應也小多了。還有一種流感疫苗叫做亞單位疫苗,可以理解為病毒碎片的碎片,不良反應更小了,但效果似乎也差了一點,所以並不主流。

  總體而言,滅活疫苗不需要找到病原體上那個關鍵的、可以產生免疫力的組分,所以容易實現。如果不良反應不是太大,這不失為一種簡單而低成本的疫苗技術。另外,如果病原體引發人體免疫的關鍵成分難以確定,也只能採用滅活疫苗技術了。

  這次2019冠病疫苗技術路線之一就是滅活疫苗,這其實是5條技術路線中最落伍的一條。在疫苗不良反應不明確的情況下採取這種技術,只是為了提高成功的保險係數。因為其他4條技術路線都針對2019冠狀病毒的S蛋白,萬一失敗呢?這種情況下,滅活疫苗或許還有成功的機會。

  滅活疫苗也需要培養病原體,還需要提純,再加入穩定劑等,產量一般,而且由於效果略遜,所以需要的劑量通常要大於同種活疫苗。比如,脊灰滅活疫苗需要的病毒量大約是活疫苗的100倍。如果2019冠病疫苗的滅活疫苗和基於S蛋白的疫苗都成功了,那麼滅活疫苗在產能和安全性上也很可能處於明顯劣勢,當超級後備的可能性很大。

  03

  組分疫苗

  除了活疫苗和滅活疫苗,其他疫苗都是組分疫苗,只是技術實現方式不同,可以再細分為常規組分疫苗和轉基因組分疫苗,後者還可以再細分為體外表達和體內表達。2019冠病疫苗的其他4條技術路線,都屬於轉基因組分疫苗,但技術各不相同。

  組分疫苗不是活疫苗,因為沒有活病原體;組分疫苗也不算滅活疫苗,因為不含完整的病原體全屍。組分疫苗只是把病原體上那個關鍵的、可以產生免疫力的組分做成疫苗。從邏輯上來說,滅活疫苗和組分疫苗可以稱為非活疫苗,與活疫苗對應。

  上圖涵蓋了目前所有的疫苗研發技術,可以看到轉基因技術已在疫苗領域被廣泛應用。在食品領域,很多人談轉基因色變,然而在醫藥領域轉基因已經是一種不可或缺的技術。目前,所有合法上市的轉基因食品或藥品都非常安全,建議大家不要相信網上各種轉基因謠言。

  前面已經介紹了活疫苗和滅活疫苗,下面介紹最重要的組分疫苗技術。

  ▍常規組分疫苗

  安全性:★★★★★

  有效性:★★★★

  量產性:★★★

  現役疫苗中常規組分疫苗有:白百破疫苗(包括白喉、百日咳和破傷風疫苗的排列組合)、流感嗜血杆菌疫苗、流腦疫苗、肺炎球菌疫苗、傷寒疫苗。

  白百破疫苗里的白喉和破傷風成分都是類毒素蛋白;百日咳成分是百日咳毒素、絲狀血凝素等;流感嗜血杆菌疫苗就是莢膜多糖與蛋白的結合物;流腦疫苗和肺炎球菌疫苗有多糖疫苗和多糖與蛋白結合的結合疫苗;傷寒疫苗目前只有多糖疫苗。

  不同的組分疫苗選擇的病原體關鍵成分各不相同,但其作用機製主要有兩類,一類是中和毒素(白喉和破傷風),另一類是阻止病原體與人體細胞結合。

  除了滅活疫苗,全球所有2019冠病疫苗都是針對病毒表面的突觸蛋白(S蛋白) 。S蛋白被認為是2019冠狀病毒表面與人體細胞上ACE2受體結合的關鍵成分,所以組分S蛋白疫苗的機製就是讓抗體與S蛋白結合,使其喪失與人體細胞結合的能力,病毒無法進入細胞就不能感染人體了。

  常規組分疫苗也需要培養病原體,還需要提取出病原體上的疫苗關鍵成分。有時候,這種關鍵成分還需要加入佐劑或進行加工處理,才能取得較好的預防效果。常規組分疫苗產量不高,但好在成分比較精確,安全性明顯優於滅活疫苗。

  2019冠病疫苗技術路線中沒有常規組分疫苗,也並不意外。常規組分S蛋白疫苗需要培養病毒後,再從病毒顆粒上提取S蛋白,這個提取工藝並非現成,還需要研究,提取過程還會有損耗導致S蛋白產量不高,這樣折騰還不如直接把病毒滅活做成疫苗。

  轉基因組分S蛋白疫苗則是另一番景象。

  ▍體外表達疫苗-重組疫苗

  安全性:★★★★★

  有效性:★★★★

  量產性:★★★★

  現役疫苗中重組疫苗有:乙肝疫苗、戊肝疫苗、宮頸癌疫苗。

  轉基因技術分為體外表達和體內表達兩種。體外表達技術指在人體外合成疫苗關鍵成分,體內表達就是在人體內合成疫苗關鍵成分。

  體外表達技術在乙肝疫苗、宮頸癌疫苗和戊肝疫苗上使用的歷史有30年、14年和8年。乙肝疫苗的關鍵成分是乙肝表面抗原。歷史上,最早的乙肝疫苗需要從乙肝攜帶者血液中提取乙肝表面抗原,產量不高且有潛在的安全風險,現在已經全都是轉基因疫苗,產量高,質量好,競爭激烈,已然白菜價,我國政府採購給嬰幼兒免費接種的乙肝疫苗價格只有3.1元/支。

  體外表達技術在疫苗領域已經非常成熟,所以2019冠病疫苗技術路線第2條就是[重組基因工程疫苗],這很容易理解。這種技術是把編碼疫苗成分的基因轉到特定微生物,後者很容易大量培養,順便就把疫苗成分批量生產出來了,提純一下就是疫苗了。

  乙肝疫苗的轉基因技術用到了3種微生物,分別是釀酒酵母、漢遜酵母和CHO細胞。釀酒酵母有時也稱啤酒酵母,對!就是生產啤酒發酵用的酵母。

  戊肝疫苗的轉基因技術用大腸杆菌,宮頸癌疫苗則用了釀酒酵母、大腸杆菌和昆蟲粉紋夜蛾的細胞。

  目前,天津大學生命科學學院黃金海團隊已經用釀酒酵母生產出組分S蛋白疫苗,還有重慶智飛旗下的龍科馬公司用CHO細胞生產出了組分S蛋白疫苗,預計4月份開展人體臨床試驗。

  釀酒酵母和CHO細胞的組分S蛋白疫苗獲得初步成功,這意味著,我國其他具備這些技術的疫苗企業(深圳康泰、華蘭生物、北京天壇、大連漢信、華北金坦),都有可能略作調整就能大批量生產組分S蛋白疫苗,成為我國2019冠病疫苗供應的最大保障。

  ▍體外表達疫苗-病毒載體疫苗

  安全性:★★★★★

  有效性:★★★★★

  量產性:★★★★

  現役疫苗中尚未應用這種技術。

  然而,衛健委提到的5條技術路線有1條就是流感病毒載體疫苗,並解釋其機製是:

  用減毒的流感病毒疫苗作為載體,我們已經有批準上市的減毒的流感病毒疫苗,在這個流感病毒上面,增加一個新冠病毒的蛋白。

  減毒的流感疫苗就是流感活疫苗,採用噴鼻方式接種,其中含有適應低溫的流感活病毒。這種活病毒在低於37度的上呼吸道內能有限複製但不致病,在37度的肺內則無法複製。從理論上說,這種流感活疫苗可以模擬自然感染,產生較為全面的免疫力,效果略優於流感裂解疫苗或亞單位疫苗,但還需實踐檢驗。

  我國內地目前有一種批準上市的噴鼻劑型流感活疫苗,香港大學也有一款同類疫苗。根據筆者瞭解,衛健委提及作載體的流感活疫苗,應該是指香港大學的疫苗。

  2019冠病疫苗的流感病毒載體技術,應該是把S蛋白基因轉入載體流感病毒的基因內,讓載體流感病毒表面長出S蛋白,人體對這種流感病毒產生免疫力的同時,也能對2019冠狀病毒免疫,可謂一箭雙鵰。

  由於通過流感活病毒模擬感染來預防2019冠狀病毒,每劑疫苗需要的流感活病毒量不會太大,相當於提高了疫苗的產能。

  不過這種技術還未有人用疫苗上市經驗,研發和生產過程中會遇到怎樣的問題上無法估計,時間上存在很大的不確定性。

  ▍體內表達疫苗-病毒載體疫苗

  安全性:★★★★★

  有效性:★★★★★

  量產性:★★★★

  現役疫苗中,非常規使用的伊波拉疫苗已經使用該技術,目前已知的有天津康希諾、美國默沙東、美國強生的伊波拉疫苗均使用了腺病毒載體技術。默沙東的伊波拉疫苗已經於2019年底通過了世界衛生組織的預認證。

  這也是衛健委提到的5條技術路線,而且是我國最早(3月17日)上人體臨床試驗的2019冠病疫苗。據誌願者們透露,陳薇院士團隊的11人,早在2月29日就已經接種該疫苗。

  腺病毒載體技術也把S蛋白基因轉入載體腺病毒的基因內,但與流感病毒載體疫苗不同的是,腺病毒表面不會長出S蛋白。接種該疫苗後,腺病毒載體會進入細胞,由於基因缺陷,腺病毒本身無法複製,但其基因內的S蛋白基因會啟動產生S蛋白,這種S蛋白會從細胞內轉移到細胞外,這個過程也類似感染過程,所以也能產生良好的免疫效果。

  腺病毒載體技術相當於把人體細胞當作了疫苗工廠,大大簡化了疫苗生產過程。無法自我複製的腺病毒會被人體免疫機製清理掉,安全性非常好,人體內S蛋白的生產過程可以維持1~2周,持續刺激人體產生免疫力。

  腺病毒載體2019冠病疫苗的人體試驗只安排了1劑,美國同時開展的mRNA疫苗,則需要間隔1個月接種2劑。就筆者目前掌握的信息,其他技術路線的2019冠病疫苗估計都至少需要2劑。所以,腺病毒載體疫苗在節約疫苗、節約醫療資源、減少受種者就醫成本方面具有明顯優勢。

  腺病毒載體疫苗可以利用人體工廠產生S蛋白,所以每劑疫苗需要的病毒量不太大,目前試驗用劑量是500億~1500億個腺病毒顆粒,重約50~150微克。假定10微克S蛋白疫苗可以與1000億個腺病毒的疫苗效果相當,那麼這些S蛋白對應的2019冠狀病毒量估計是腺病毒量的250倍,可以認為腺病毒載體疫苗的產能優勢也很明顯。

  ▍體內表達疫苗-mRNA疫苗

  安全性:?

  有效性:?

  量產性:★★★★★

  DNA和mRNA都是核酸,基於這兩種技術的疫苗都是核酸疫苗。

  核酸是生命的遺傳物質,核酸里帶有編碼生命各種成分信息的那部分又被叫做基因,基因可以理解為生命的圖紙。DNA是原始圖紙,mRNA是從複製版圖紙,圖紙可以生產出各種蛋白質,實現生命的各種功能。

  mRNA前的m是message的意思,通常被稱為信使RNA。mRNA的功能是將DNA的編碼信息從細胞核中複製出來,然後與另外兩種RNA一起合成蛋白質。

  腺病毒載體疫苗需要把疫苗圖紙通過載體帶入人體細胞,mRNA疫苗則簡單粗暴,直接把疫苗圖紙注入人體,讓人體細胞用這段外來圖紙合成疫苗成分。

  核酸疫苗相比非核酸疫苗,有一個突出優勢,就是可複製,產量驚人。非核酸疫苗,無論是活疫苗還是滅活疫苗還是組分疫苗,其成分是多糖或蛋白質或者病原體,都無法直接複製,必須有一個培養和提取的過程。

  核酸疫苗的生產過程也可能是顛覆性的,很可能只需要一個房間就夠了。非核酸疫苗則通常需要一個車間、一條流水線去培養微生物、收穫蛋白質/多糖、提純等。

  如果mRNA疫苗真的成功了,還有一個碾壓傳統疫苗的優勢。mRNA就是一根鏈條,可以把預防A病、B病、C病……的鏈條串在一起,做成一條長鏈條,這就相當於多聯疫苗。接種這種多聯mRNA疫苗就可以預防N種疾病,預防接種將變得非常簡單高效,那可以說是疫苗革命。

  美國最先開展人體試驗的2019冠病疫苗,來自mRNA疫苗巨頭Modena公司。該公司在過去的四年中開展了9項mRNA疫苗的第1期人體臨床試驗,有超過1000人接受了該技術的疫苗。

  Modena公司的mRNA技術2019冠病疫苗,未開展動物試驗即上人體臨床試驗了,這種極不尋常的做法基於該公司多年的經驗積累,實際風險並不大。

  國內上海的斯微生物也正在研發mRNA的2019冠病疫苗,但還需要經過動物試驗,預計將在4月中旬後開展人體臨床試驗。

  mRNA疫苗最大的缺點是容易降解,Modena公司的核苷修飾技術能極大提高mRNA的穩定性,還能調節mRNA藥物在體內的半衰期,不過其2019冠病疫苗仍然需要間隔1個月接種2劑。我國的腺病毒載體疫苗只需接種1劑,比Moderna的疫苗節約1個月。3期人體臨床試驗下來,我國理論上至少比美國快3個月。

  mRNA疫苗前景很美好,但目前全球還沒有mRNA疫苗進入第2期人體臨床試驗,更不要說上市的成熟疫苗了。所以,mRNA技術研發2019冠病疫苗是否一定能成功,還存在較大的不確定性。

  ▍體內表達疫苗-DNA疫苗

  安全性:

  有效性:?

  量產性:★★★★★

  mRNA是把複製版圖紙送入人體,DNA疫苗是把原版圖紙送入人體。

  但是,與mRNA疫苗不同的是,DNA疫苗需要把DNA送入到細胞核內,再拷貝到mRNA上,之後的疫苗組分生產過程就和mRNA疫苗很相似了。如果這種外來DNA與細胞自己的DNA整合,會有怎樣的安全性風險?這是目前最擔心的。

  1月28日媒體報導,美國Inovio公司與蘇州的艾棣維欣生物合作用DNA技術研發2019冠病疫苗,但沒有後續消息。

  3月8日媒體報導,上海公共衛生臨床中心的徐建青團隊正在用DNA技術研發的2019冠病疫苗,他本人於2月26日給自己接種了1劑,兩週後接種第2劑(這個不能算人體臨床試驗)。當時該疫苗已完成小鼠動物試驗,針對靈長類動物的動物試驗正在進行。

  mRNA疫苗至少有1000人的第1期人體臨床試驗經驗,但DNA疫苗還沒有人體臨床試驗的報導,其成熟度還不如mRNA疫苗,不應對DNA技術抱太高的期望值。

  04

  總 結

  我國的2019冠病疫苗研發技術路線,除了傳統的滅活疫苗,其他都是基於轉基因技術的高科技路線。其中,組分疫苗和腺病毒載體疫苗在技術和生產方面最成熟,取得成功的可能性最大。

  全球2019冠狀病毒疫情進展速度驚人,急需疫苗解圍。在這種危急形勢下,筆者認為疫苗研發速度還可以加快:

  第1期人體臨床試驗確認安全性和觀察抗體可以壓縮到1個月左右(到4月中旬);

  之後盡快開展數百人對照的第2期人體臨床試驗,進一步驗證安全性和抗體水平,再需要1.5個月左右(到6月初);

  完成2期人體臨床試驗的疫苗,已經具備了相當可靠的安全性和有效性,可以嚐試量產,最快6月底前可以準備出上百萬支疫苗用於醫務人員、警務/邊檢人員的應急接種。

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