Sci Transl Med｜数字疫苗时代已经到来

未来，疫苗的开发或许只需要很少的实验工作，因为它们完全可以使用机器学习、人工智能和神经网络进行设计。

2021年12月15日，葛兰素史克的数位专家在Science旗下杂志Science Translational Medicine（2020年IF为17.956）发表文章，回顾了疫苗的开发历史，并展望了数字疫苗开发的未来。

疫苗发现的漫长岁月

疫苗接种的本质是将人体暴露于病原微生物的替代物，以便人体免疫系统能够学会如何识别和对抗外来的病原微生物。在漫长的岁月中，疫苗技术从发现开始，一步步得到改进。疫苗接种可以追溯到古代中国和奥斯曼帝国。从病人的脓疱中获取的天花病毒被接种到健康人身上。人们通过这种方法得到了充分的保护，但这种治疗方法往往会引起严重的疾病，导致一些被接种的人死亡。现代疫苗接种始于Edward Jenner。他敏锐地观察到，将牛痘（一种从奶牛身上分离出来的天花病毒的无毒形式）接种到人身上，可以训练免疫系统预防天花。一个世纪后，Louis Pasteur合理地对病原体进行了减毒处理，以向宿主免疫系统提供真正的病原体的无毒替代物。19世纪末，Emilvon Behring等人意识到，只要提供杀死的细菌或甚至含有白喉毒素的粗制细菌培养物，就能产生抑制细菌复制或中和毒素的血清抗体。后来发现病毒可以在鸡卵或细胞培养物中生长，基于代用病原体的疫苗生产得到了加速。随着20世纪80年代基因工程革命的进展，重组抗原（即在不同的细胞而不是原始病原体中表达的免疫原性蛋白质）开始被用于疫苗。

尽管重组抗原使许多疫苗的设计和开发成为可能，但它们也有缺点。重组抗原的发现是一个漫长而复杂的过程，而放大和制造需要更长的时间，因为必须为每种抗原建立新的生产过程。在许多情况下，疫苗的开发和批准需要10到15年的时间。

数字疫苗时代

在20世纪90年代初，人们发现，只要将抗原的遗传信息以DNA或RNA的形式注射（而不是使用纯化的代用抗原），就足以制成疫苗，因为宿主细胞会合成抗原并将其传递给免疫系统。注射遗传信息而不是纯化的抗原是一种有吸引力的方法，导致了基于DNA的疫苗的开发竞赛（RNA被认为太不稳定）。不幸的是，DNA疫苗在人体中的效力不够，因此疫苗开发者将注意力转向了RNA技术，在此期间，RNA技术已经取得了实质性进展。在动物模型中，纯化的基于mRNA的疫苗比基于DNA的疫苗至少多一个数量级的效力。然而，最初需要大量的mRNA，这使得该方法成本很高且无法扩展。不过研究人员发现，减少所需RNA剂量的方法之一是使用自我扩增的RNA，即编码感兴趣的抗原的mRNA，借助α-病毒（如委内瑞拉马脑炎病毒和辛德比斯病毒）进行复制扩增。再到后来，研究发现包裹在脂质纳米颗粒中的mRNA能将疫苗效力再提高两到三个数量级，这使得mRNA疫苗非常具有吸引力。另外，改良后的脂质纳米颗粒包裹的mRNA的免疫原性可以被调整，这是一个具有许多治疗应用的重要特性。就在mRNA疫苗技术持续积累的时候，2009年，禽流感H1N1流感病毒引发了流感大流行。疫苗制造商急于尽快制造疫苗。然而，制造商不得不等待疫苗病毒株适应在鸡卵中生长，然后才能开始大规模生产。最后，疫苗以创纪录的10个月时间生产出来，但不幸的是，那时，大流行病已经袭击了世界上的大部分地区，疫苗被证明是太晚了，无法产生影响。

显然，需要更快的方法来制造针对新出现的感染的疫苗，而这样的机会出现在2013年（2013年的H7N9禽流感疫情），中国疾病控制中心在网上上传了H7N9的基因组序列。这一次，当其他疫苗制造商正在将病毒运往世界各地，并调整病毒在鸡蛋中的生长以制造常规疫苗时，葛兰素史克和其他团体决定采取不同的行动。第二天，圣地亚哥J.Craig Venter研究所的科学家们从互联网上下载了H7N9流感病毒基因组序列，并使用带有自我纠错系统的酶解等温组装方法合成了病毒血凝素和神经氨酸酶基因。合成的基因被连夜运到波士顿，并被诺华疫苗团队用来在1周内制成自我扩增的RNA疫苗，用于临床前测试。该疫苗的生产不需要在鸡卵中生长和操纵病毒。事实上，通过互联网发送病毒遗传信息，而不是跨越国界运送危险病毒，预示着所谓的数字疫苗时代的到来（图1）。

数字疫苗对疫苗学的影响

实体疫苗（左）需要分离病原体或生成重组细胞系，通过发酵和纯化产生蛋白抗原。这是一个复杂而漫长的过程，新的制造方法的放大可能需要几年时间。相比之下，数字疫苗（右）只需要编码抗原的遗传信息，而不是蛋白质抗原本身。这种遗传信息可以通过互联网共享，并由世界各地的多个实验室和生产设施使用。

疫苗临床开发时间比较

在mRNA编码疫苗的情况下，相同的生产过程和设施可以用于多种疫苗。数字疫苗使疫苗开发速度大大加快。传统的实体疫苗从发现到临床使用可能需要10到15年。COVID-19 mRNA疫苗通过平行临床开发，将I、II、III期临床试验重叠，在10个月内获得了FDA的紧急使用授权，同时不影响安全性和有效性。

2020年1月10日，中国疾控中心在线分享了SARS-CoV-2的基因组序列，促使全球数百家实验室下载编码SARS-CoV-2刺突蛋白的基因序列，生成合成基因，并使用它可以制造 COVID-19疫苗，而无需运送病毒。合成的SARS-CoV-2编码刺突蛋白的基因被用于制造mRNA 疫苗，拼接到人或黑猩猩腺病毒载体中，或用于对哺乳动物、昆虫或植物细胞进行基因工程以制造病毒刺突蛋白，该蛋白与佐剂一起在疫苗中递送。

在所有这些数字方法中，mRNA疫苗赢得了比赛。短短66天，Moderna mRNA疫苗进入临床试验，10个月后，Moderna和辉瑞/BioNTech的mRNA疫苗获得美国FDA紧急使用授权。

传统上，制造疫苗涉及培养细菌、病毒或寄生虫，并使用它们生产减毒、灭活或亚单位活疫苗。数字疫苗不基于来自活病原体的任何成分，相反，它们基于从互联网下载的遗传信息，合成基因或RNA，然后将遗传信息传递给宿主细胞。然后宿主细胞合成激活宿主免疫反应的抗原。

疫苗的下一个前沿

制造全合成数字疫苗的速度使COVID-19疫苗得以快速开发以对抗当前的大流行。然而，如果没有疫苗研发的彻底变革，10个月内的紧急使用授权是不可能的。

1980年代，疫苗研发时间长，有时因为技术不成熟而无法制造疫苗。然而，随着重组DNA、多糖结合、微生物基因组测序、反向疫苗学（通过病原体基因组的计算分析识别新抗原）和高通量方法等新技术的出现，疫苗的发现和开发加速了。疫苗开发的另一个加速发生在2020年，数字疫苗可以利用分子结构设计抗原，并使合成基因和以mRNA的形式递送成为可能。开发一种疫苗的总成本超过10亿美元，因此，按顺序执行疫苗开发的每个步骤来降低投资风险成为标准做法（图1）。在业内，除非发现阶段已成功完成，否则工业界不会投资于早期疫苗开发。此外，除非早期开发阶段成功完成，否则工业不会投资后期疫苗开发，也不会建立制造工厂。因此，尽管新技术缩短了疫苗开发的漫长而昂贵的时间表，但直到COVID-19大流行出现后，公共部门要求公司加快疫苗开发（并为此提供财务激励），疫苗开发才大大加速。疫苗开发在几个月内发生了转变：发现后立即进行了I期临床试验。一旦获得I期试验的安全性和免疫原性的初步数据，就开始II期试验；III期试验在获得II期数据后立即开始，并且I期和II期试验经常合并。COVID-19疫苗的开发面临巨大的财务风险，但在不到8个月的时间内就完成了，而且没有跳过评估这些疫苗的安全性和有效性所需的任何步骤。数字疫苗不仅很快为人们带来了新的疫苗，而且还掀起了疫苗制造的革命。迄今为止，疫苗已被监管机构归类为“生物制剂”，每一种疫苗都需要一个专门的制造工厂，可能需要3到5年的时间来构建和验证，需要数亿美元的投资。包含多种成分的疫苗（例如B型脑膜炎球菌疫苗）可能需要不止一个生产工厂。相比之下，RNA疫苗的生产对每种疫苗都需要相同的过程。因为RNA疫苗之间的差异在于编码抗原的基因序列，而不是抗原本身。因此，建造和扩大RNA疫苗的制造工厂，可以比生产生物疫苗的制造工厂更快。

理论上，RNA疫苗的设计和生产可以完全自动化，甚至可以远程提供指令。我们可以想象未来的情景，一个研究小组在1周内设计和开发出大流行疫苗，并由分布在不同大陆的一系列机器人站点在全球范围内生产（图1）。

疫苗学的复兴

我们生活在一个独特的时刻，可以说是疫苗学的复兴。COVID-19大流行继续破坏全世界人民的健康、经济和自由。然而，它提供了机会，不仅验证了新的疫苗技术（如mRNA），而且重塑并有望永远改变疫苗和可能的药物的开发方式。那么，2030年的疫苗开发会是什么样子呢？我们可以想象蛋白质抗原只需要很少的实验工作，因为它们可以完全使用机器学习、人工智能和神经网络进行设计。DeepMind和David Baker小组率先开展了此类工作，能够以原子精度预测抗原和抗原复合物的结构和行为，仅从蛋白质序列开始。来自病毒、细菌、寄生虫和真菌的潜在疫苗抗原序列将通过反向疫苗学进行鉴定。届时，大多数微生物的基因组序列及其多样性将在数据库中可用，并且蛋白质抗原的序列将被优化以捕获实验和预测的多样性、抗原漂移和稳定性。开发将很快，因为可以对芯片上的类器官进行毒理学、安全性和免疫原性分析。这些芯片上的类器官与人工智能相结合，将捕获大量数据，这些数据可以预测疫苗配方、剂量、安全性、时间表和可能的功效。

今天难以或不可能开发的疫苗明天可能成为可能，因此，有可能制造出对抗抗菌素耐药性、慢性病、癌症和神经退行性疾病的疫苗。我们可以开发更好的疟疾疫苗，通过反向疫苗学、机器学习、人工智能和神经网络重新设计。我们将通过预测在人类中引发广泛中和抗体的最佳免疫策略是什么，重新审视并可能解决HIV疫苗的难题。

结论

显然，数字疫苗（尤其是mRNA疫苗）代表了一种具有巨大预防和治疗潜力的新疫苗类别，将快速开发与简单制造相结合。然而mRN疫苗远未成熟，因为其处方仅在极低的温度下稳定且价格昂贵，这限制了它们的使用。mRNA可能具有革命性的领域之一是被动免疫。今天，人类单克隆抗体的开发和制造仍然是大量的类似物，因为它需要在细胞系中进行生产、发酵、纯化以及长期且昂贵的功效测试，然后才能将产品交付给患者。通过将抗体序列作为mRNA 传递并让人体产生抗体，可以缩短开发和制造的时间和成本。
然而，与所有新技术一样，mRNA将解决一些但不是所有的问题。例如，很难想象某些细菌疫苗（如糖缀合物疫苗）会被mRNA疫苗取代，或者所有细菌和真菌蛋白都将由我们自己的细胞有效地产生。

最后，我们应该考虑到SARS-CoV-2 mRNA疫苗的制造相对简单，而且我们可能没有那么幸运，其他病原体可能不太适合mRNA疫苗技术。因此，当务之急是继续培育这场数字疫苗革命，并将其引入所有生物技术，迎接一个将数字疫苗扩展到所有健康干预措施中的复兴时代。

参考资料

Pizza M, Pecetta S, Rappuoli R. Vaccines 2020: The era of the digital vaccine is here. Sci Transl Med. 2021 Dec 15;13(624):eabm3249. doi: 10.1126/scitranslmed.abm3249

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