这一款减活疫苗为何对付病毒突变这么灵？

Original 项西行北美新药科普历史网 2021-12-06

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印度告急！

印度疫情的飙升，已经不仅仅是氧气不够用，医疗系统被击穿的问题了，而是火葬场被击穿的问题。下图是印度为了处理每天大量增加的新冠死者的遗体，把火葬场开在露天操作的惨烈场景。

印度的疫情爆炸，除了穆迪政府过早宣布抗疫胜利，在疫情尚处平台期就盲目开放，大搞宗教和政治集会以外，还有一个让全世界的人都担心的潜在因素：病毒的突变。

目前在印度飘荡的有两种号称叫“双重突变”和“三突变”的毒株，B.1.617和B.1.618，人们对其传播力，毒性和对当前疫苗的抗性众说纷纭。鉴于CDC对这些突变毒株的担忧，拜登政府不得不宣布对印度实行入境的限制。

目前已经有零星的证据表明病毒突变可能导致对抗体的抗性提高，导致疫苗保护力的下降。比如我们曾经报道过葛兰素史克疫苗组的一个研究：新冠病毒在低浓度抗血清下传14代后可获得完全摆脱抗体抑制的组合突变。

我们把现有的疫苗对病毒突变体抑制率的数据大概总结如下【1】：

牛津/阿斯利康腺病毒疫苗，针对英国突变株B1.1.7有75%的一个不错的保护率，但是针对南非变种B.1.351下降到了10%，逼得南非不得不一度取消了对该疫苗的订单；

Novavax的蛋白亚基疫苗，针对英国B1.1.7保护率为86%，而对南非变种是50%；

强生疫苗对以上两种毒株的保护率类似，分别为64%， 66%；

辉瑞疫苗在以色列的一个小型研究中，对南非变种的保护率较其他毒株为低，尽管辉瑞的CEO对他家产品的广谱抗毒性还是有很强的信心【2】

科兴灭活疫苗在以P.1为主的巴西临床试验中，报出的保护率为50%左右。

现在人们害怕的就是新冠会不会象流感病毒一样，其主要的抗原簇经常地变异漂移，造成疫苗设计年年换，大家每年都得打。

但是有一种病毒，其突变率高得和流感病毒类似【3】，但是其疫苗却在世界广泛应用长达半个世纪之后效力不减，而且是接种之后终身免疫。这就是麻疹疫苗。研究麻疹疫苗也许对今后研发广谱的新冠疫苗有启示性意义。

有小孩的读者大概都熟悉小儿一岁多接种的一种叫MMR的组合疫苗，它主要有三种成分，分别针对麻疹 Measles, 腮腺炎 mumps和风疹 Rubella。这其中的麻疹，是一种和新冠还有点象的病毒，它们都是单链RNA病毒，都是通过呼吸空气传播的高致病性病原，而且都有无症状感染下的传播现象。

在多年前，麻疹被认为是小孩成长过程中一种必经的磨练，俗称“出疹子”。这是因为在发达国家，麻疹的重症和死亡率比较低，在美国60年代麻疹造成的儿童的死亡数为每年几百人。但是在不发达国家就是一个非常严重问题了，比如在尼日利亚麻疹的死亡率高达四分之一【4】。在如今，由于疫苗的广泛使用，麻疹几乎已经绝种了。

发明麻疹疫苗的最大功臣是哈佛大学和波士顿儿童医院的安德斯（John F. Enders）博士，他是1954年的诺贝尔医学奖得主，其成就是发明了在体外用细胞培养扩增病毒的方法。著名的小儿麻痹病毒疫苗就是用这种方法培养和灭活的，可惜的是，该疫苗的发明人Jonas Salk博士有点不厚道，在名满天下的同时，忘了把研制小儿麻痹疫苗的军功章分给安德斯一半。安德斯对此非常愤怒，但是为时有点晚，因为这个传染病的皇冠已经被Salk给摘走了。

左边是发明小儿麻痹疫苗的Jonas Salk, 右手是现代疫苗之父，麻疹病毒的发现者John Enders，中间是路人甲。

他于是退而求其次，把精力集中在危害没那么大的麻疹上。

在当年从染病组织中分离培养病毒不是一件容易的事。我们曾经写过的1918年西班牙大流感的揭秘中，有一位有开拓精神的病理学家在1950年只身前往阿拉斯加的极北之地，在冻土层中挖掘出当年染流感身亡的尸体，试图复活当年的致命毒株H1N1，最终失败了，直到在40年之后等来了PCR技术，才一尝夙愿。

和这位流感猎手同时代的安德斯，他的目标是从鲜活的病理样本中分离麻疹病毒，虽然难度要小一个数量级，但也绝非手到擒来。经过多次失败后，安德斯的团队终于在1954年发现，一个叫David Edmonston的患麻疹的小男孩的病理提取物，能够显著地转化培养皿中肾脏上皮细胞的形态，也就是说，麻疹病毒在活细胞中得到了复制，并最终得到了确认。

当然，这一切在现代的科学手段下已经成为常规操作了。2019年12月，最初几例武汉患者在入院确诊仅仅3天之后，他们的肺泡灌洗液的新冠病毒就被复旦大学张永振组测出了全序列并供全世界分享。后来活病毒在人呼吸道上皮细胞中成功地进行了扩增【5】。

又经过后续艰苦的扩大培养，动物试验和临床试验，安德斯团队从小男孩David Edmonston体内分离出来的麻疹毒株，经过后来一系列的传代，减活和灭活，最后授权给辉瑞和默克生产，终于成为奠定现代绝大部分麻疹疫苗的基础，一直沿用到今天。而且经过半个世纪的风风雨雨，不管麻疹病毒的自然突变走向何方，这个疫苗的保护率始终保持在90%以上。

不久前Moderna的老总对媒体放话说，在完成两针接种后，在一年内打第三针的可能性很大。这个讲话引发了社会的普遍不安，因为疫苗公司的利润是和接种人口以及频率直接挂钩的。人们担心是，啥时候药厂的账目数字不好看了，CEO一拍脑袋对社会说大伙儿再来一针，那可如何是好？

一个合理的奢望就是，如果新冠疫苗也能像麻疹疫苗那样多好。

为了回答这个问题，美国梅奥医院的团队最近用麻疹病毒做了一系列试验【6】【7】。他们发现，麻疹疫苗诱导出来的多种抗体混合物，能够强烈攻击病毒的主要抗原蛋白上的多个位点，这些位点中至少要同时突变5个，才能减弱甚至消除抗体对病毒的抑制，示意图如下：

Greaney et al, 2021

这个棒槌样的结构代表病毒的蛋白抗原分子。图中象Y一样的形状代表了抗体分子，这些抗体有不同的颜色，代表了麻疹疫苗诱导出来的多克隆抗体混合物。他们每一个都能高效地结合在毒蛋白身上，使其失活。如果只有一个突变的话（用星号代表），大部分抗体依然能够有效地制服病毒。

下面是实验数据，Y轴是小鼠和大鼠抗体体外抑制麻疹病毒的活性。X轴上列的是病毒蛋白上的7个主要抗原位点，我们可以看到从左开始数的四个位点中，存在任何一个都能保证抗体对病毒的抑制，只有当突变数达到了5个，抗体抑制能力才在Y轴大幅度下降。

Munoz-Alia et al, 2021

这个结果意义重大。因为，单靠自然进化，就算是麻疹病毒有比较高的突变率，它要在一个重要病毒蛋白的5个重要位点同时突变的几率也是微乎其微；即便是真正发生了这样的情况，这样的突变毒蛋白之结构功能也必大受影响，很可能在进化中就自我淘汰了。

这就是为什么在长达半个世纪的历史中，麻疹病毒始终没有进化出对付疫苗的变种来。当然，另一个原因就是，麻疹被人类靠疫苗压服已经多年，他们虽然没有完全绝迹，但是传播复制的机会大大减少，那么突变的绝对机会也就少了。

这也是为什么现在要不惜一切代价推广接种新冠疫苗的原因。

和麻疹病毒相反的一个例子就是流感。下面是流感病毒和抗体应答的简图：

Greaney et al, 2021

疫苗诱导的抗体虽然多样，但是只集中识别单一个抗原位点，一旦该位点变化就会造成整体抗体库的失效。据认为新冠病毒的抗体识别模式更可能是这样的，而不是麻疹那个机理。

从麻疹和流感/新冠的比较来看，我们应该希望疫苗诱导出来的抗体反应越多样化越好，因为鸡蛋不能都放在一个篮子里。如果这个篮子翻了，那么所有鸡蛋全部打碎；唯一的关键位点突变了，整体的抗体保护全部下降。

目前看来，刺突蛋白相对单一的抗原性是它的生化性质所决定的。那么为了拓宽疫苗诱导抗体的广谱性，也许不妨把目光投向其他病毒成分，一个可能的候选成分是病毒核酸衣壳蛋白，这个我们在以前写过。

如果这样说的话，目前大部分疫苗的研发都有一个局限，他们都是完全地针对新冠刺突蛋白而研发的，包括辉瑞，Moderna的RNA疫苗，阿斯利康/强生/康希诺/俄国卫星的腺病毒疫苗，Novavax/ 中国智飞/三叶草的蛋白质亚基疫苗。也就是说，一旦刺突蛋白的抗原漂移了，这个疫苗也就减效了。

唯一的例外是灭活疫苗，因为它是整体病毒灭活后的一个混合体，包含各种抗原成分。那么有没有可能它能诱导出更广谱的保护性呢？

事情没有那么简单，因为疫苗诱导抗体反应的多元化固然好，但是也不能太杂了。

50年代安德斯分离出来的Edmonston麻疹毒株，后来走了两个技术路线。一个是用福尔马林处理生成的灭活疫苗，这条生产线被辉瑞接手了。但是在实践应用中，发现极少数接种过这种疫苗的小孩，在接触麻疹病毒后反而会发生重症。这个原因就是灭活苗诱导的免疫反应不充分，生成了一些低亲和力的抗体，非但不能中和抑制病毒的毒性和传播，反而会和入侵病毒颗粒聚合成有害的巨大复合物，从而加重了病情，副作用包含血管炎和肺炎等，这就是臭名昭著的ADE效应，抗体依赖性加强效应【8】。

所以辉瑞只好放弃出局。

除了灭活疫苗之外的另一条技术路线，是把原始麻疹毒株在鸡胚胎成纤维细胞中培养传代后，毒性下降，在注射人体后不诱发严重症状，但是保留免疫刺激力，这就是减活疫苗。这是一种极其聪明的办法，因为他们用来给病毒传代的细胞，缺乏人体细胞识别麻疹病毒的受体，如此一来，病毒在这样艰难困苦的选择压力之下，进化出了旁门左道的途径进入细胞。这样的病毒再接种进入人体，由于已经失去了最优的攻击宿主细胞的机制，就不能诱发疾病了，但是依然会赋予人免疫系统足够的记忆力：一般认为是终身免疫。

默克买断了这条技术路线，并一直沿用到如今。

这次疫苗工业借新冠的东风搞了大跃进，让社会也许第一次认识到，生物医学制药界多年来打下了一个多么雄厚的根基，为人类造福。可有点令人奇怪的是，被誉为“现代疫苗之父”的安德斯，麻疹疫苗的奠基人，却在媒体中鲜有提及，在对人类传染病史抚今追昔以史为鉴的各种历史回顾中，人们不约而同地仿佛把他遗忘了。

这其中的一个原因，也许是安德斯富有“时代特色”的麻疹人体试验设计思路，放在今天实在是不足为人道。1960年，他的团队在纽约市招纳了1500名儿童进行疫苗的保护性试验，受试者全部都是弱智儿童【10】，因为以当时的观点看，这些孩子的生命是值得拿来冒险的。其他4000名受试儿童是来自尼日利亚的黑人儿童，这可以解释为麻疹在非洲穷国的流行和危害尤深。

作为一个爱好历史的现代药企研发人员，我在网上找到一些当时麻疹疫苗研发推广的历史镜头，分享一下：

这是当年实验室人员使用移液器做试验，需要用嘴来吸，我一直不明白其中的奥妙，这要是万一把病毒培养液不慎吸自己嘴里，那不就自动感染了吗？

医学统计人员使用手动计算机进行数据录入和分析，和今天的统计师坐电脑前编程是大不一样。

最后一个镜头最有意思，显示的是非洲的公卫人员用一种象枪一样的器具流水线式的给孩子接种麻疹疫苗。

‍我们看了之后也许有一个恐怖的疑问，怎么他给不同的人接种却不换针头？原来这种工具名叫“喷气式注射器”，Jet Injector，利用电子或机械驱动产生高压的气体把疫苗射入皮下，是不需要针头的，这种设备特别适合边远贫困地区的大规模接种活动。正是有了这样的发明，世界卫生组织才能在上世纪80年代宣布在全世界消灭了天花，包括非洲在内。

可是，正如安德斯专招弱智儿童做试验一样，老旧的做法总会接受新标准和新知识的重新审视。后来的实践发现，这个聪明的设备虽然避免使用了针头，让一只喷气接种枪就覆盖整个村庄，但是这种高压瞬间刺破皮肤的机理依然会带来交叉感染。据统计，美国越战退伍军人中感染丙肝的比例是一般大众的五倍，这很可能是越战中美军广泛使用喷气枪进行疫苗接种的结果。因此，1997年美军全部禁用了Jet Injector。

据说曾有人问著名的登山家George Mallory：你为什么想要登上珠穆朗玛？他回答：“Because it is there” 。

Alexander Langmuir是美国CDC流行病部门的首任负责人，也是普及麻疹疫苗的主要推动力量之一。有人问他，你为什么如此执着于在美国消灭麻疹，他借用了登山家的回答：Because it is there，and it can be done【12】。只不过他引用的登山家名叫Sir Edmund Hillary，这个差别并不重要，因为这句名言大概曾被赋予任何一位伟大的登山家。

医学的进步也正是如此，这里面既有救死扶伤的刚需，也有人类永不熄灭的好奇，和征服自然的野心。

而且每一个大进步都是在趔趄和失足中踯躅前行。

（图片来自网络）

参考资料

【1】 https://www.nature.com/articles/s41577-021-00556-5

【2】https://www.cnbc.com/2021/04/29/covid-vaccine-biontech-ceo-confident-shot-works-against-india-strain.html

【3】Viral mutation rates.

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20660197/

【4】Mission, measles: the story of a vaccine. Merck Sharp & Dohme. United States. Public Health Service.

【5】2019年从中国肺炎患者分离出的新型冠状病毒

https://nejmqianyan.cn/article/YXQYoa2001017?sg=AbW1NGsHw3NxPd6F

【6】https://www.cell.com/cell-reports-medicine/pdfExtended/S2666-3791(21)00041-0