COVID-19：当前疫苗策略详解
本文节选自《COVID-19 vaccine development and a potential nanomaterial path forward》，详细内容，请参考原文。
2019年12月，出现了一种新型冠状病毒(nCoV或SARS-CoV-2)，其属于β-冠状病毒家族。所有的人类β-冠状病毒都是独一无二的，但它们仍具有一定程度的遗传和结构同源性。SARS-CoV-2基因组序列与SARS-CoV和MERS-CoV的同源性分别为77%和50%。与2002年SARS-CoV和2012年SARS-CoV相对较小规模的暴发相比，SARS-CoV-2表现出了前所未有的感染规模，导致世界卫生组织(WHO)于2020年3月11日宣布全球冠状病毒传染病(COVID-19)大流行。2020年6月1日，世界卫生组织报告称，全球有600万确诊病例和37.1万人死亡。值得注意的是，在1918年流感大流行期间，在爆发的第二阶段发生了更多的死亡案例。与流感类似，COVID-19也有可能成为一种季节性疾病。高感染率、长潜伏期以及许多人经历的轻到中度症状，使COVID-19成为一种棘手的疾病。
鉴于此，疫苗至关重要，特别是因为数据证实了COVID-19的无症状传播。10多年前，科学家就预测了冠状病毒大流行的可能性。在过去的30年里，每十年一次的新型冠状病毒爆发把我们的公共卫生系统推到了极限，其中最严重的就是SARS-CoV-2。尽管一再发出警告，但世界并未对这一流行病做好准备。针对全球人口迅速研制、分发和接种疫苗是遏制这一流行病的最有效办法，也是唯一推动全面取消目前使用的隔离措施的办法。而挑战包括疫苗设计本身，以及疫苗的生产和全球分发；冷链的要求为全球资源贫乏地区获得重要的“救生”疫苗造成了物流和财政障碍。因此，可打破冷链限制的创新疫苗供应平台，是保障富裕国家和低收入国家都能有效接种疫苗的有效解决方案。
疫苗策略
设计疫苗时，主要是需要确定抗原、佐剂、生产系统和递送策略。由于已经在创纪录的时间内获得了SARS-CoV-2的基因组和结构信息，因此疫苗的快速开发是可能的。这些数据，以及生物信息预测和表位定位的快速交流，提供了关键的知识，使疫苗设计超越了减毒活疫苗和灭活疫苗的开发。此外，此前开发SARS/MERS候选疫苗的信息也有助于开发SARS- Cov-2候选疫苗。纳米技术平台为现代疫苗设计提供了巨大的实用价值，并帮助催化新的候选疫苗以前所未有的速度进入临床试验阶段。除了灭活疫苗之外，诸如以脂质纳米颗粒递送的mRNA疫苗以及病毒载体疫苗等新兴纳米技术已经达到了II期和III期临床试验。
疫苗设计的组成和选择
抗原：一种能在体内引起免疫反应的外来物质，通常源自希望针对其进行免疫的病原体。根据抗原的递呈方式，疫苗可分为:
减毒活疫苗：病原体的弱化形式，可复制但不致病。 灭活疫苗：被杀死的病原体，不能复制或感染。 亚单位疫苗：病原体的小量抗原成分，例如，由这些成分自行组装的蛋白质、蛋白质亚单位或多糖或VLP。这些纯化形式的抗原与分子佐剂联合使用，或使用RNA、DNA或病毒载体在体内表达。 基于肽的疫苗：肽是免疫系统识别的蛋白质亚单位的基本元素；上述抗原均含有肽表位。
佐剂：一种刺激剂，用于增强对共同递送的抗原的免疫反应。
在与抗原的混合物中，以“独立实体”的形式出现。
通过化学融合直接与抗原形成“结合实体”。
病毒载体：重组哺乳动物病毒，以传递编码抗原的基因(例如黑猩猩和人类的腺病毒载体)。 蛋白质纳米颗粒：具有原子性精确度和复杂性的纳米级生物材料组成体(例如蛋白纳米笼和非感染性病毒，如植物病毒或噬菌体)，用于递呈亚单位疫苗或递送编码抗原的核酸。 合成性纳米颗粒：纳米级合成材料(例如聚合物、脂质体或脂质纳米颗粒)的组成体，用于递呈亚单位疫苗或递送编码抗原的核酸。
注射器：由医疗保健专业人员用于肌肉、皮下或皮内注射疫苗的皮下针头(长度>10 mm，外径0.25-0.5 mm，有一定侵入性) 植入物：含有疫苗的缓释装置，用于持续皮下递送，由医疗保健专业人员使用(长度＜10mm，宽度＜2mm，侵入性更强) 微针贴剂:由医疗保健专业人员或通过自我给药的含有疫苗的微针阵列(长度＜1mm，宽度为0.1-0.5mm，约1cm2贴剂，微创)，用于缓慢释放、持续皮内递送。
SARS-CoV-2是一种有囊膜的ssRNA病毒，含刺状样糖蛋白，其从外膜表面突出形成一个“冠”。β-冠状病毒的四大主要结构蛋白是刺突 (S)蛋白、囊膜 (E)蛋白、膜 (M)蛋白和核衣壳 (N)蛋白。S蛋白是疫苗设计的一个最具有吸引力的目标，因为它在感染过程中促进病毒进入宿主细胞。两个刺突蛋白亚结构域，S1和S2，分别负责宿主细胞血管紧张素转换酶2 (ACE2)受体结合和宿主细胞膜融合。S1包含受体结合结构域(RBD)， S2包含使病毒进入的融合机制。虽然S1结构域在冠状病毒中略有不同，但S2结构域较为保守。结合SARS-CoV-2的结构信息和从SARS/MERS候选疫苗中获得的知识，研究人员预测了全长S蛋白以及S1、RBD和S2亚基衍生物，以包括诱导中和抗体的主要目标表位。事实上，最近一组康复期SARS-CoV-2患者的临床数据证实了这种方法。针对患者血清的分析表明，中和抗体靶向S蛋白的不同结构域：S1、RBD和S2。
从冠状病毒SARS-CoV-2中突出的刺突蛋白(S蛋白)是各种正在进行的疫苗开发工作的主要目标。
SARS-CoV-2 S蛋白也被广泛的糖基化，计算机分析显示，糖基化的SARS-CoV-2 S蛋白比它的非糖基化的形式有更为组织化的构象。因此，应考虑候选SARS-CoV-2 S疫苗的糖基化：DNA/RNA疫苗在患者体内原位生产，因此携带天然糖基化特性；对于重组亚单位疫苗，可以采用糖工程方案。然而，对于与ACE2受体结合至关重要的SARS-CoV-2的热点似乎不受糖基化的影响；因此，可能不需要对相应的肽表位进行糖基化。
COVID-19疫苗开发概况。A：截至2020年6月1日，科研实验室和产业界(及其合作伙伴)正在开发157种候选疫苗。COVID-19候选疫苗包括减毒活疫苗、灭活疫苗、亚单位疫苗、病毒样颗粒(VLP)、病毒载体(复制型和非复制型)、DNA和RNA疫苗。B：16种候选疫苗已进入临床试验。（原文发表于2020年8月，由于疫苗发展迅速，部分数据有待更新，译者注）。
当代的疫苗
传统上，对病毒的主动免疫依赖于通过化学或物理过程削弱或杀死的形式而使用的整个病原体，这也是临床批准的治疗方法。此外，一些哺乳动物病毒载体，如溶瘤性单纯疱疹病毒，已被重新用于临床批准的治疗。当代疫苗也有其价值，在此，我们将介绍减毒活疫苗、灭活疫苗和病毒载体疫苗的开发工作是如何使对抗SARS-CoV-2的疫苗成为现实的。
减毒活疫苗和灭活疫苗。减毒活疫苗(LAV)是活的、可以繁殖但无毒的病毒。LAV设计旨在使用单剂免疫，而不引起疾病。由于LAV技术已经成熟，LAV很可能成为正在进行中的COVID-19大流行的领先疫苗候选之一。Codagenix公司的专利SARS-CoV-2候选疫苗目前处于领先地位。然而，LAV具有病毒转移和/或恢复为致病形式、在免疫受损个体中重新激活或与人群中传播的相关病毒重组的风险 - 特别是对于病理生理学尚未完全了解的新疾病。LAV一般需要冷链配送。此外，疫苗生产过程中子代病毒的效力和繁殖潜力的丧失是一个重大挑战。针对沉默密码子改变的初步研究表明，这对缓解逆转事件有一些积极的影响，然而，这并不适用于所有的病毒。遗传密码扩增等新技术正被应用于创造高繁殖能力而基因稳定的LAV。最近，合成基因组学方法使从病毒DNA片段合成重组SARS-CoV-2病毒成为可能。这些策略可用于快速生成SARS-CoV-2 LAV。
灭活疫苗(IV)是热或化学灭活的病原体或其部分。这些疫苗形式不能复制，比LAV更安全，但灭活会导致免疫原性降低，需要多剂方案来建立长期免疫；此外，由于免疫衰老（immune senescence），对老龄人群进行免疫时，这些疫苗制剂通常需要使用佐剂。虽然IV比LAV有更好的稳定性，但通常仍然需要冷链配送。多种COVID-19 IV正在研制中，包括已进入临床试验的科兴生物的疫苗产品。
病毒载体。哺乳动物病毒已经被改造并重新用于多种疫苗的应用。对于COVID-19，有多种利用非复制腺病毒载体的候选疫苗正在开发中。SARS-CoV-2临床试验中，领先的腺病毒载体是康希诺的5型腺病毒载体(Ad5-nCoV)和牛津大学/阿斯利康的黑猩猩腺病毒疫苗载体(ChAdOx1) 。腺病毒载体的优点包括广泛的组织趋向性、本身的佐剂特性以及可放大性。腺病毒载体平台的一个挑战是在人类中已经存在的免疫，这可能抑制腺病毒载体的效力。尽管针对Ad5预先存在的免疫力被广泛报导，但其临床应用仍在继续，而且已开发出人血清阳性率低的替代性ChAdOx1，作为疫苗平台。
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原文：M.D.Shin, S.Shukla, T.H.Chung, et al., COVID-19 vaccine development and a potential nanomaterial path forward. Nature Nanotechnology, 2020, 15:646-655.