每小时解剖300只蚊子的手速,才能做出这种疫苗

  抗疟疾疫苗的研发一向困难重重,如今我们终于看到了曙光。不过,一种疫苗的生产需要使用蚊子身上的疟原虫,为此技术人员需要手动操作,一只一只地解剖蚊子。为了提高操作效率,他们还开发了一种蚊子“断头台“。

  图片来源:Pixabay

  来源 Wired

  撰文 MATT SIMON

  翻译 祖玮佳

  审校 阿金

  编辑 戚译引

  人们设计断头台的初衷是这样的:如果要处决一个人的话,还是做得高效且人道一点比较好,至少按照 18 世纪的标准而言。一方面,用斧子或利剑斩下罪人首级,有时候可能需要刽子手多挥砍几下,这是“文明”社会中执行正义所无法接受的做法;另一方面,断头台是全然 “外科式”的处刑方法,一种标准得变态的夺命手段。

  现在,大批蚊子正在遭受同样的待遇,而人类此举的目的则是寻找疟疾疫苗,疟疾曾在 2016 年夺去了 440,000 人的性命。为了研发出能大规模应用的疟疾疫苗,生物技术公司 Sanaria 需要把蚊子的头切掉,以便解剖头部的唾液腺,这是疟疾寄生虫所在的地方,这一切需要对每只蚊子进行手工操作。为了加快这一繁琐的过程,他们与约翰·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的医疗机器人专家合作,设计出一种“斩蚊台”,借助它,技术人员可以一次切下 30 只蚊子的头。这仅仅是研究的第一步,最终目标是设计出全自动斩蚊台,以便大规模生产有效的疟疾疫苗。

  尽管努力了几十年,人们还是没能实现疟疾疫苗的广泛供应。第一个原因是引发疟疾的微生物——恶性疟原虫(Plasmodium falciparum)有着复杂的生命周期。不同于生命周期相对简单的细菌或病毒,恶性疟原虫能够同时在蚊子和人体内发育生长,所以蚊子和人类都是它的宿主。由于疟原虫的每个发育阶段都很短暂,疫苗面临的挑战就是在它“转移阵地”(比如从肝细胞转移到红细胞)之前就锁定它。

  卫生科技组织项目(PATH)疟疾疫苗行动( Malaria Vaccine Initiative)的负责人阿什利·比尔科特(Ashley Birkett)说:“没有任何疫苗能够被广泛应用于对抗寄生虫,因为寄生虫非常复杂。” 比尔科特没有参与这项研究。

  蚊子腺体提取设备设计图,包括分拣槽(蓝色)、刀具组(粉色)、挤压器(棕色)和工作台(浅绿色)。来源:Wired;翻译:科研圈

  疫苗没能实现大规模供应的第二个原因在于疫苗的原理,即调动人体自身的免疫系统来对抗入侵者。例如,流感疫苗利用灭活的病毒诱发机体免疫系统增加抗体产量,从而保护身体免受外来活病毒的入侵。但对疟原虫而言,研究人员发现我们需要远远高于细菌或病毒疫苗所能激发的免疫反应,才能抵抗疟原虫的入侵。

  比尔科特表示:“某些情况下,我们说的是更高数量级的免疫反应。”而这种能够发挥保护作用的免疫反应或许只能持续六个月。“开发更有效疟疾疫苗的另一个重要挑战是,我们需要真正了解如何才能诱发机体的免疫反应,并且让这种免疫反应维持在一定水平,从而在许多年中持续为人体提供足够的保护。”

  即使面临这样的挑战,一种由葛兰素史克(GSK)生产的疟疾疫苗在非洲进行了试验。这种疫苗名为 RTS,S,被认为大有希望。它利用了来自疟原虫的某种特定蛋白质,这种蛋白质被认为可以诱导机体产生抗体,从而阻止疟原虫进入肝脏细胞,这是它们发育成熟的地方。在对 5 到 17 个月大的儿童进行的临床试验中,RTS,S 减少了大约 40% 的疟疾病例,这意味着10 起疟疾病例中它可以预防最多 4 起。因此,世界卫生组织( World Health Organization,WHO)目前正在协调筹备一项疟疾疫苗试点引进工作,预计将在非洲的加纳、肯尼亚和马拉维等地向大约 100 万名儿童提供 RTS,S 疫苗。

  Sanaria 公司正在研发的疟疾疫苗和 RTS,S 有些不同。他们在疫苗中使用的不是疟原虫的某个特定蛋白质,而是经过低剂量辐射灭活处理的完整疟原虫,含有超过 5000 种蛋白质。Sanaria 研发的这种疟疾疫苗叫做“恶性疟原虫孢子体”(Plasmodium falciparum and sporozoites,简称 PfSPZ)。研发者认为,PfSPZ 可以诱导杀伤性 T 细胞(即细胞毒性 T 细胞,cytotoxic T cells,简称 Tc)攻击在人体肝脏中发育的疟原虫。一项在疟疾肆虐的马里进行的研究发现,66% 的成年受试者在接种 PfSPZ 疫苗后依旧染上了疟疾,但相比之下,另一组接种安慰剂的成年受试者的疟疾感染率为 93%。研究结果于 2017 年发表。(疟疾疫苗专家警告说,很难直接比较两种疫苗的疗效,因为试验进行的地点和受试者群体是不同的。)

  PfSPZ 目前正处于 Ⅱ 期临床试验阶段,生产这种疫苗需要完整的疟原虫。因此,Sanaria 公司的技术人员在人工解剖蚊子这一精细操作方面接受了深度培训。“一只接一只,我们捏住每只蚊子的腹部,然后切断它的头,挤出腺体,”Sanaria 公司的疫苗提取、免疫学和模型系统总经理苏马纳·查卡拉瓦提(Sumana Chakravarty)说,“这样的挤压流程能够保证挤出来的只有所需腺体与其周围的邻接物质,也就是这些宝贵的疟原虫的寄生场所,没有其它物质。”

  这些蚊子“刽子手”需要进行为期两个月的培训,每周 3 天,每天 6 小时,才能充分掌握这门手艺。Sanaria 公司刚开始生产 PfSPZ 时,解剖人员每小时大约可以提取 60 只蚊子中的寄生虫。现在,接受了各种训练之后,有的解剖人员平均每小时能搞定 300 只蚊子。

  理论上,将这一解剖过程自动化能大幅提高效率,哪怕是部分自动化也好。而且考虑到每剂 PfSPZ 疫苗都需要 1 只蚊子提供疟原虫时,自动化这件事情就更加重要了——全球有 32 亿人受疟疾威胁,每年约有 2 亿人感染疟疾。

  这使我们转向了斩蚊台。约翰霍普金斯大学的工程师拉斯·泰勒(Russ Taylor)协助研发了这个系统,他说:“我们设想,如果能把蚊子安放到斩蚊台上的这些凹槽里,让蚊子的头、颈和胸处于经过精心计算的位置,就可以一次斩下多只蚊子的头,然后批量挤出腺体并收集起来。”这一设备可以大幅缩减培训技术人员所需的时间:如果纯手工操作,技术人员需要经过 60 到 120 个小时的培训,才能达到每小时处理 300 只蚊子的速度;而借助该设备,实现这一目标只需大约 4 到 6 小时。

  (上图)凹槽中排列整齐的蚊子,头处在刀刃之间;

  (下图)被斩首后的蚊子。图片来源:Wired

  这是不是说明没有不能被机器人取代的工作?其实,自动化工作并不完全是这样的,尤其是在这个场景。短期内,机器人更有可能只是接管部分工作。想想文字处理器吧,它的出现使工作人员更有效率,而并非使人工成为冗余。蚊子断头台也一样,这个流程仍需要人类某种程度的参与,并且很可能长期如此。Sanaria 公司的首席执行官兼首席科学家史蒂夫?霍夫曼(Steve Hoffman)表示:“公司的目标是做到尽善尽美,以便当我们真正采纳机器人的时候能够实现大规模生产。”

  不过,为什么要费这么大力气?如果这两种疫苗都有疗效,何必还要研制两种,而不是专注其一?这是因为这两种疫苗各有优势。来自美国国立卫生研究院(National Institutes of Health,NIH)的帕特里克·达菲(Patrick Duffy)说:“PfSPZ 疫苗已被证明可以在整个疟疾流行季为成年人预防感染风险,这点是 RTS,S 未被证明能够做到的。”达菲在 NIH 研究疟疾,并且曾经和 Sanaria 公司在疫苗有效性现场试验(field efficacy trial,即在真实社区环境中进行的试验)中合作。他还补充说,另一方面,RTS,S 疫苗已被证明可以减少儿童的疟疾感染,这是 PfSPZ 未被证明能做到的。

  事实上,在抗疟疾战争中,现在我们所达到的地步已经是一项科学的丰功伟业了。就在几十年前,还有相当一部分人对疟疾疫苗能否研制成功持怀疑态度。达菲说:“我想到了现在这个程度,我们的问题已经不是能不能成功研制疟疾疫苗,而是我们的疫苗能达到多高的防护水平。”