Cell大综述：全方位解读疫苗

疫苗可以大大减轻传染病所带来的负担。1924年至2010年期间，仅通过接种疫苗，美国就预防了1.03亿例儿童疾病。特别是1980年，通过疫苗人类消灭了天花，这是医学史上最伟大的成就之一。在此之前，天花已经危害人类至少3000年，仅在20世纪就夺去了3亿人的生命。疫苗可以预防由大量病毒和细菌引起的疾病，而抗寄生虫的疫苗正在研制中。疫苗也是最有效的投资之一，通过确保儿童健康成长并使其充分发挥潜力，在疫苗上花费一美元估计可产生44美元的经济回报。

2020年，我们正处于百年一遇的大流行病之中。本文将讨论疫苗科学的诞生和发展、佐剂、疫苗的类型、疫苗的进展和挑战以及疫苗的发展前景【1】。

疫苗科学的诞生和发展

1798年，爱德华·詹纳（Edward Jenner）出版了他的著作《关于牛痘预防接种的原因与后果》（An Inquiry into the Causes andEffects of the Variolae Vaccinae），这是第一次对疫苗进行科学的描述，标志着疫苗科学的诞生。值得注意的是，在英国驻奥斯曼王朝大使的妻子玛丽·蒙塔古（Mary Montague）女士将天花病毒引入西方之前，天花接种已经在中国、印度和土耳其等地存在了几个世纪。疫苗本身，包括向健康的个体注射牛痘囊泡的物质，是由英国的农民本杰明·杰斯提(Benjamin Jesty)首次证明的，大约比詹纳疫苗早了25年。詹纳的疫苗接种技术在十九世纪得到了相对广泛的应用。

现代疫苗科学是由路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）发展起来的。巴斯德首先在实验室里开发了鸡霍乱疫苗。在1879/1880年，巴斯德使用鸡肉汤培养出一种可以在实验室中生产的鸡霍乱疫苗。5年后，他接着开发出一种人类狂犬病疫苗。

下一个重大创新来自美国科学家丹尼尔·埃尔默·萨尔蒙（Daniel Elmer Salmon）和西奥博尔德·史密斯（Theobald Smith），他们率先开发了能够杀死病原体的疫苗。随后，科学家们在十九世纪末研制出了抗伤寒、霍乱和鼠疫的疫苗。二十世纪，从流感到轮状病毒等越来越多的传染病都可以用疫苗预防。这些疫苗要么是减毒活疫苗，要么是全部灭活的病原体，要么是含有抗原(如蛋白质、多糖或结合物)但不含病原体其余部分的亚单位疫苗。1986年，第一个基因工程疫苗取得了重大进展——乙型肝炎表面抗原重组疫苗问世。直到最近几十年，疫苗都是使用经验方法开发的。随着测序和生物信息学工具的日益普及，人们更加注重合理的疫苗设计方法。

佐剂的历史

在人们了解疫苗的工作原理之前，疫苗就已经被成功地使用了。当使用减毒活疫苗时，单凭减毒活疫苗就足以产生强健而持久的免疫力。然而，在研制白喉和破伤风重组蛋白疫苗的过程中，分离注射这些蛋白引起的抗体反应很弱，并且持续时间短。担任过巴斯德研究所所长的法国兽医加斯顿·拉蒙(Gaston Ramon)，经过反复试验注意到，如果疫苗注射部位出现炎症，接种疫苗的马会产生更好的免疫反应。后来，拉蒙发现某些物质(如木薯粉、卵磷脂、琼脂、淀粉油、皂素或面包屑)可以添加到疫苗中以提高免疫反应。随后科学家们又发现用铝盐沉淀的白喉类毒素可导致免疫反应显著增强。此后，明矾(铝盐)成为佐剂的主要成分，直到20年前，佐剂分子机制的明确又进一步促进了新型佐剂的发展。

佐剂科学

我们现在知道，减毒活疫苗和某种程度上的灭活疫苗效果很好，因为它们提供了诱导免疫的两种必要信号：抗原和天然佐剂。抗原指示了对特定病原体的适应性免疫反应的特异性，而佐剂通过模式识别受体(PRRs)刺激先天免疫系统，PRRs识别病原体相关分子模式(PAMPs)。为了使抗原具有免疫原性，该抗原必须伴有能在抗原提呈细胞中触发PRRs的PAMPs。通过PRRs的先天免疫识别可以产生激活适应性免疫所需的信号，这一发现阐明了疫苗中需要加入佐剂的原因。PRRs包括Toll样受体(TLRs)，细胞质病毒核酸传感器（如RIG-I和cGAS），以及其他检测病原体活性的受体。基于拉尔夫·斯坦曼（Ralph Steinman）的开创性工作，我们现在也了解到树突状细胞是触发适应性免疫反应的关键细胞。

了解了佐剂增强免疫反应的机制，我们就有可能设计佐剂以达到预期的效果。目前，有几种佐剂已获许可用于人类疫苗(见图1)。除了明矾，TLR激动剂、单磷酰脂质A (MPL，一种TLR4激动剂)和CpG 1018 (TLR9激动剂)已获批准用于疫苗佐剂。此外，目前正在使用的佐剂还包括病毒体、MF59、ISA51以及葛兰素史克公司开发的一系列AS佐剂，包括AS01 (MPL + QS- 21的脂质体)、AS04 (3-deacyl-MPL)、AS03(维生素E/表面活性剂聚山山酸80/角鲨烯)。对于SARS-CoV-2疫苗，还有其他一些佐剂正处于临床试验的各个阶段，包括Matrix M和Advax (见图1)。目前，大量的COVID-19疫苗临床试验为评估这些新型佐剂的安全性和有效性提供了极佳的机会。

▲图1 用于人类疫苗的佐剂时间表

疫苗的类型

病毒学、分子生物学和免疫学的进步创造了许多传统疫苗的替代品(见图2A)。现代疫苗的类型包括核酸(mRNA、DNA)疫苗、病毒载体疫苗、病毒样颗粒和重组蛋白(亚基)疫苗。COVID-19将所有类型的疫苗置于抗击大流行的最前沿(见图2B)。由于克隆和合成的速度较快，mRNA和DNA疫苗首先进入了美国的疫苗赛道。

根据疫苗的类型，它们含有内源性(例如，疫苗病毒基因组) 或疫苗固有成分(灭活病毒基因组)的PAMPs。其他不含PAMPs则需要佐剂。除了一些长时间产生抗原的减毒活疫苗外，大多数疫苗都需要加强注射，以提高抗体反应的水平和亲和力（见图2）。

▲图2 疫苗，PAMPs和佐剂

疫苗的进展和挑战

疫苗尚未征服世界上最致命和使人衰弱的感染：疟疾、结核分枝杆菌和HIV-1。这些病原体很难对付，因为我们仍然不知道如何引起保护性免疫或如何对抗病原体的逃避机制。然而，在对抗这些病原体方面正在取得有希望的进展。

疟疾是由具有复杂生命周期和无数抗原的疟原虫引起的。RTS,S/AS01疟疾疫苗是最先进的候选疫苗，已经完成了3期临床试验。该疫苗在4年的随访中预防了39%的疟疾病例和29%的严重疟疾病例，使其成为第一个显著减少感染和疾病的疫苗。该疫苗由恶性疟原虫的环子孢子蛋白和乙型肝炎病毒的包膜蛋白组成，辅助剂为AS01。基于这个令人鼓舞的结果，2019年在马拉维、加纳和肯尼亚这三个国家开始了试点疫苗接种。预计试点疫苗接种将持续到2023年。

据报道，另一种治疗性结核病候选疫苗M72/AS01E取得了突破。在肯尼亚、南非和赞比亚进行的一项2期临床试验中，该疫苗对潜伏结核病感染者具有显著的预防作用。M72是由两种MTB抗原(32A和39A)的亚单位融合蛋白疫苗，佐剂为AS01E。经过2年的随访，该疫苗的活动性肺结核的保护率为54.0%。

而在HIV-1疫苗方面，尽管投入了大量精力和资源，但许多候选疫苗在临床试验中未能显示效力。除了HIV-1之外，还有许多被忽视的热带病也需要疫苗。

疫苗科学将何去何从

系统疫苗学结合使用多学科高维数据集的系统生物学方法，从疫苗设计的发现阶段到临床试验反应预测和改进实施策略，均为疫苗提供了更好的信息。系统疫苗学已被应用于多种疫苗，包括流感病毒和黄热病，并揭示了基因标记和疫苗效力之间出人意料的相关性。此外，系统血清学方法已应用于HIV-1疫苗。

疫苗学的另一个新兴领域是T细胞疫苗。虽然抗体是几乎所有疫苗的焦点，但并非所有病毒都能适应抗体依赖性免疫。一些病毒有规避抗体的能力,包括HIV - 1(通过快速的突变从而逃避抗体识别)，流感病毒(通过抗原漂移，以避免抗体识别)和单纯疱疹病毒(通过病毒粒子表面evasin分子的表达使抗体失效)。对于这些逃避抗体的病毒，我们需要不同的疫苗接种方法。幸运的是，有一些保守的表位可以通过疫苗产生T细胞免疫。T细胞免疫的一个关键方面是，如果T细胞已经存在于入口部位，如粘膜表面，它的效果最好。然而，注射到肌肉中的疫苗往往不能诱导黏液中的记忆T细胞。两步疫苗策略，即初免-吸引（prime and pull）策略，可以通过使用趋化因子或趋化因子诱导剂，在选择的组织(病毒进入的主要途径)中招募和建立组织驻留记忆T细胞，从而解决这种分布问题。以T细胞为基础的疫苗有望用于抗体逃避病原体和没有表面抗原可靶向的癌症疫苗。

疫苗科学的另一个前沿领域是粘膜疫苗的开发。除媒介携带者外，大多数病原体都是通过粘膜表面进入人体的。与皮肤不同，粘膜上皮层由于缺乏角化而易受病原体侵入。粘膜表面有两种类型：1型粘膜表面是单层柱状上皮(如肠、肺、宫颈内)组成，而2型粘膜表面由层状鳞状上皮(如:眼睛、鼻子、阴道、宫颈外)组成。

这两种类型的上皮层使用不同的适应性免疫机制进行保护，因此疫苗必须引起相应类型的效应反应。值得注意的是，1型粘膜表面上皮细胞表达聚合免疫球蛋白(Ig)受体(pIgR)，它能够将二聚体IgA转运到管腔，从而中和进入的病原体或毒素。2型粘膜表面缺乏pIgR，依靠IgG进行保护。两种粘膜类型都可以承载组织驻留记忆T细胞。粘膜免疫提供了完全阻断感染或无菌免疫的机会。由于树突状细胞能够引导T细胞迁移到粘膜组织，通过粘膜表面传递疫苗(鼻内、口服)在建立局部免疫记忆和效应反应方面比肠外传递疫苗更有效。另外，基于粘膜树突状细胞促进粘膜归巢T细胞的机制，可以设计肠外疫苗来诱发粘膜免疫。然而，绝大多数已获批准的疫苗都是在没有任何促进粘膜免疫设计的情况下注射到肌肉中(见图2)。安全有效的疫苗如果能在病原体侵入部位建立强健的粘膜免疫，这将会改变疫苗的应用前景。

如何提高疫苗的接受度

最后，用疫苗建立和维持群体免疫的一大障碍是，由于错误信息和不信任，某些群体对疫苗的接受度低。疫苗让许多疾病的负担大大减轻，从而使得大批父母对麻疹等曾经常见的疾病不太熟悉。与此同时，人们经常通过社交媒体平台传播的信息来听到或感知到疫苗的不良事件。对可通过疫苗预防的疾病严重性认识的下降以及对疫苗安全性的担忧，使得人们在接受疫苗时更加犹豫不决。人们对政府和医疗保健提供者的信任度较低也与人们对疫苗接受度低有关。令人担忧的是，调查数据显示，相当大比例的美国成年人不太可能接受即将推出的COVID-19疫苗。

幸运的是，目前在开发和部署干预措施以提高疫苗接受程度方面取得了一些进展。据报道，假定沟通（presumptive communication）是一种提高疫苗接受程度的有效方法。假定沟通是一种依赖于口头默认的沟通方式，即假定接种疫苗并宣布儿童(或成人)将接种疫苗(例如，沟通时说“该是你接种流感疫苗的时候了”)，而不是将疫苗接种作为一种非例行的可选程序(例如，沟通时说“你想接受流感疫苗注射吗?”)。动机性访谈（Motivational Interviewing）是一种通过帮助个体探索和解决矛盾心理来引发行为改变的方法，它已经成为另一种提高疫苗接受程度的有效方法，医疗保健提供者可以使用它就疫苗进行交流。此外，事实证明，使疫苗接种变得容易和方便的结构性干预措施（structural interventions）可以提高免疫接种的普及率。

目前，疫苗仍然是预防地方病和紧急威胁造成的发病率和死亡率最有效工具之一。疫苗科学最近的进展可能预示着另一个疫苗黄金时代的到来。然而，错误的信息和随之而来的对疫苗接种的不信任对疫苗的成功和对全球人类健康的积极影响构成了威胁。现在比以往任何时候都更重要的是，科学家要传播科学真理，并利用传统媒体和社会媒体向公众宣传疫苗接种的安全性和益处。因此，在未来，疫苗科学不仅必须借鉴病毒学、免疫学、生物信息学和系统生物学等学科，而且还必须借鉴社会科学。

参考文献

【1】Why and How Vaccines Work. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.040

来源：美柏医健