新型冠状病毒肺炎疫苗研究进展
2021-01-08史正涵黄涛
史正涵,黄涛
(1.沈阳医学院免疫学专业2019级硕士研究生,辽宁 沈阳110034;2.基础医学院病理学教研室)
新型冠状病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)的病原体是一种此前尚未发现的新型冠状病毒,因其基因全序列与SARS-CoV高度相似,国际病毒分类委员会将其命名为SARS-CoV-2(severe acute respratory syndrome coronavirus 2)[1]。SARS-CoV-2属于β冠状病毒属,为有包膜的单链RNA病毒,其颗粒呈圆形或椭圆形,常为多形性,直径为60~140 nm,基因检测特征与严重急性呼吸综合征病毒(severe acute respiratory syndrome,SARS)和中东呼吸综合征病毒(middle east respiratory syndrome,MERS)有显著差异[1-2]。SARS-CoV-2在人呼吸道上皮细胞内分离培养需96 h,在Vero E6、Huh-7细胞系中分离培养需6 d;紫外线、56℃30 min、乙醚、75%乙醇、含氯消毒剂、过氧乙酸和氯仿等均可灭活病毒,但氯已定不能有效灭活该病毒[3]。冠状病毒的刺突蛋白(spike protein,S蛋白)是病毒感染宿主细胞的关键蛋白;血管紧张素转化酶2(angiotensin-converting enzyme 2,ACE2)是一种跨膜糖蛋白,在人体口鼻黏膜、肺、肾等多个组织和器官中均有表达;研究发现SARS-CoV-2的S蛋白和ACE2有很强结合力,说明该病毒的S蛋白能与ACE2结合,导致人呼吸道上皮细胞的感染[4]。COVID-19疫苗的研发对世界经济和全人类的健康意义重大,本文将对COVID-19疫苗的研究进展、安全性和有效性予以综述。
1 疫苗研发
1.1 灭活疫苗 灭活疫苗又称全病毒疫苗,灭活疫苗技术路线成熟且易于生产。秦川团队已研发出一种名为PiCoVacc的SARS-CoV-2候选疫苗,该疫苗是纯化灭活的SARS-CoV-2疫苗,经过培养、收获、灭活、澄清、浓缩、纯化及添加佐剂等过程制备而成,可在小鼠、大鼠和非人类灵长类动物体内诱导SARS-CoV-2特异性中和抗体,能抵抗SARS-CoV-2的攻击,且未发现疫苗相关的严重不良事件[5]。这种疫苗如今已广泛用于新发传染病的预防控制,该疫苗的安全性、耐受性及免疫原性已经在临床试验中得到了证实[6-7]。
Wang等[8]报道,BBIBP-CorV作为SARSCoV-2灭活疫苗候选疫苗,能在小鼠、大鼠、豚鼠、兔子和非人灵长类动物(食蟹猴和猕猴)中诱导高水平的中和抗体效价,以提供对SARS-CoV-2的保护,且并未发生抗体依赖性感染增强(antibody dependent enhancement,ADE);该疫苗生产高效,有良好的遗传稳定性,在全身过敏反应评估中,过敏反应均为阴性。此外,武汉生物制品研究所与武汉病毒研究所共同研发的我国另一款灭活疫苗,也已经进入临床试验,结果表明该疫苗能高效诱导产生中和抗体,具备较好的免疫原性[9]。灭活疫苗的不良反应仅为局部的轻微反应,最常见的症状是注射部位疼痛[10]。
1.2 病毒载体疫苗 病毒载体疫苗是指以病毒为载体,用基因工程技术将外源性保护性抗原基因插入到病毒基因组内并转染细胞获得重组病毒,该病毒可在宿主中表达并刺激机体产生免疫反应,从而达到免疫接种的目的,病毒载体疫苗可同时诱导体液免疫和细胞免疫,载体本身即可发挥佐剂效应[11]。常用的载体病毒主要有腺病毒、麻疹病毒、巨细胞病毒、水泡型口炎病毒等[12]。Alden等[13]研究发现,病毒载体是目前应用最广泛、效果最好的基因载体;腺病毒可以在体内有效地转导许多不同类型的细胞。腺病毒载体在进行基因治疗的安全性和有效性已经得到确证[14]。正是由于腺病毒固有特性,在临床试验中展现出巨大发展前景;研究表明,基于腺病毒的载体疫苗,可诱导机体CD4+和CD8+细胞广泛而持久的免疫细胞反应[15]。腺病毒在机体内的不可复制性,是其在儿童和有潜在疾病个体中相对安全的主要原因,基于腺病毒的载体具有广泛的组织嗜向性,覆盖表达SARS-CoV-2的ACE2受体的呼吸道及胃肠道上皮[16]。
目前,腺病毒为载体的疫苗已被应用到COVID-19疫苗的研发中。Zhu等[17]报道,Ad5-nCoV腺病毒载体疫苗由中国工程院院士陈薇团队牵头研发,该疫苗具有免疫原性,在大多数健康人体内可迅速诱导体液免疫和细胞免疫;Ⅱ期临床试验初步报告,其主要的不良反应为发热、疲劳、头痛和肌肉酸痛等,均为轻度或中度。Logunov等[18]指出,俄罗斯研制的Gam-COVIDVac疫苗为两个载体组分,分别是重组腺病毒26型(rAd26)和重组腺病毒5型(rAd5),两种载体均携带SARS-CoV-2刺突糖蛋白基因(rAd26-S和rAd5-S);Ⅰ期和Ⅱ期临床试验结果综合表明,基于rAd26和rAd5载体的COVID-19疫苗是安全的,耐受性良好,不会在健康成年志愿者中引起严重的不良事件,该疫苗具有很强的免疫原性,在100%健康成年志愿者中诱导了较强的体液免疫和细胞免疫反应。此外,英国研制的载体疫苗Ⅲ期临床试验结果显示,接受2剂次全剂量的受试者保护效果为62.1%,接受半剂量+全剂量的受试者保护效果为90%,综合保护效果为70.4%,未发现疫苗的严重不良事件;美国研制的疫苗临床试验数据显示,也具有较好的免疫效果[19]。
1.3 重组蛋白疫苗 重组蛋白疫苗是利用基因工程技术,提取病原体免疫活性片段,将病毒蛋白注入机体从而产生抗体。多种蛋白亚单位疫苗如美国Novavax公司生产的纳米颗粒包装的S糖蛋白抗原和病毒样颗粒等均属此类疫苗[20]。Tian等[21]证实,美国Novavax公司研制的SARS-CoV-2亚单位重组纳米颗粒NVX-CoV2373疫苗,由全长S蛋白构建而成,在非人灵长类动物和小鼠模型中,将NVX-CoV2373联合Matrix-M佐剂使用可诱导B细胞和T细胞反应及SARS-CoV-2中和抗体等,皮下注射Matrix-M可促进免疫细胞募集、激活和成熟,从而诱导一过性促炎反应,增强树突状细胞抗原提呈效果,NVX-CoV2373疫苗可诱导CD4+和CD8+细胞免疫应答,并在小鼠体内对SARS-CoV-2的攻击提供保护。Keech等[22]在对全长刺突蛋白纳米颗粒疫苗NVX-CoV2373的研究中也得出相似结论,该疫苗在体内诱导功能性免疫的同时,仅出现轻微的不良事件,如头痛、疲劳等,NVX-CoV2373疫苗是一款值得期待的疫苗。
我国的纳米重组疫苗目前进入候选阶段,纳米颗粒SARS-CoV-2疫苗的设计思路与常规疫苗相比,前者的稳定性,抗降解性都优于后者,改善的佐剂质量及潜在的纳米抗原载体能更好地诱导宿主免疫反应,疫苗本身包含SARS-CoV-2刺突蛋白结构,安全性高,有良好的免疫功效[20]。
1.4 核酸疫苗 核酸疫苗主要包括DNA疫苗和mRNA疫苗[23]。DNA疫苗包括一个含有病毒特异性抗原编码DNA序列的质粒,一个可启动转录的启动子区域,以及一个促进蛋白质翻译的多聚腺苷基化序列;该疫苗能够快速诱导体液免疫和细胞免疫[24]。这种疫苗具有高度的灵活性,可以编码多种类型基因,稳定且易于储存,基于DNA疫苗的这些自身特性,现已被广泛运用到对病原体的预防和临床疾病的治疗中[25]。
Inovio制药公司研发的INO-4800疫苗是一款针对SARS-CoV-2的预防性DNA疫苗,该疫苗目前处于Ⅰ/Ⅱ期临床试验阶段;INO-4800疫苗合成SARS-CoV-2 IgE-S蛋白序列,经BamHⅠ和XhoⅠ双酶切,酶切后的DNA在信号调控下整合到表达载体pGX0001中[26-27]。INO-4800疫苗在单次免疫后的几天内即可诱导细胞和体液宿主免疫反应,在INO-4800免疫小鼠和豚鼠后,可检测到针对SARS-CoV-2 S蛋白表位的抗原特异性T细胞反应;而对小鼠和豚鼠的体液免疫性试验表明,INO-4800疫苗能够诱导针对SARS-CoV-2 S蛋白的功能性阻断抗体反应,肺部存在抗SARS-CoV-2特异性抗体[28]。此外,该疫苗在临床试验中发生的不良事件均为1级,接种后未出现发热反应,未报告严重的不良事件[29]。
mRNA疫苗是一种传统疫苗的新兴替代方法,与亚单位疫苗、灭活疫苗和DNA疫苗相比,mRNA疫苗的优势在于mRNA是一个非传染性、非整合性的平台,不存在感染或插入突变的潜在风险;各种修饰使mRNA更稳定,有更高的可译性,mRNA载体分子能够在细胞质内快速摄取和表达,从而实现有效的体内递送,其还是免疫原性最低的遗传载体,因此避免了抗载体免疫,并且可以重复接种mRNA疫苗;由于体外转录反应的高产率,mRNA疫苗同时具有可扩展生产的潜力;目前,非复制型RNA和病毒衍生的自复制型RNA正在研究中[27,30]。
Moderna是一家研发生产基于mRNA疫苗的美国公司,该公司研制的mRNA疫苗为mRNA1273,该疫苗可编码SARS-CoV-2的S蛋白,当疫苗注射到体内,淋巴结中的免疫细胞开始处理mRNA,随即制造蛋白,最终被识别并标记为销毁[31]。mRNA-1273疫苗是一种由合成mRNA包裹在脂质纳米颗粒中的疫苗,颗粒编码SARS-CoV-2的全长;此外,由于该疫苗既不是由灭活病原体组成,也不是由活的病原体亚单位组成,所以其具备一定的安全性,目前,mRNA-1273已获得美国食品和药品管理局的批准,可以进行Ⅱ期临床试验[27]。Baden等[32]研究发现,mRNA-1273疫苗对包括重症在内的COVID-19的预防效果为94.1%,除短暂而轻微的局部反应和全身反应外,无其他安全问题,这些轻微的不良反应主要局限于注射部位的疼痛,如压痛、红斑及硬结等,且无疫苗相关的呼吸系统增强型疾病发生;临床试验表明,该疫苗在预防SARS-CoV-2感染方面的效力高于其他呼吸道病毒疫苗。Corbett等[33]指出,非灵长类动物接种mRNA-1273疫苗后,能够诱导SARSCoV-2中和活性,对上呼吸道和下呼吸道起保护作用的同时,无肺部病理改变。
BNT162b1是另一款mRNA疫苗,由BioTech、辉瑞、复星医药联合研发,该款疫苗是一种脂质纳米颗粒配方的核苷修饰的mRNA,编码SARSCoV-2 S蛋白的受体结合结构域(receptor binding domain,RBD),表达的RBD抗原通过添加T4纤维蛋白衍生的“Foldon”三聚结构域进行修饰,以提高其免疫原性;BNT162b1疫苗的Ⅰ/Ⅱ期临床试验结果表明,该疫苗可引起CD4+T细胞和CD8+T细胞反应和RBD特异性抗体反应,与RBD结合的IgG浓度明显高于COVID-19康复者血清中的浓度,RBD特异性CD4+T细胞反应的强度与RBD结合IgG和SARS-CoV-2中和抗体滴度呈正相关[1,34]。此 外,Walsh等[35]报 道,BNT162b1 mRNA疫苗的受试者中出现的不良事件,大多数为注射不部位疼痛及轻至中度的发热和寒战,其耐受性和安全性较好。
2 疫苗安全性和有效性评估
2.1 安全性 安全性和有效性是COVID-19疫苗研发成功不可或缺的关键因素。鉴于疫苗对安全性的要求非常严格,每一种疫苗的Ⅰ期临床试验主要针对疫苗的安全性进行检测[36]。Ⅰ/Ⅱ期临床试验结果表明,各研发平台制备的COVID-19疫苗耐受性和安全性均良好,并具有较好的免疫原性,局部不良反应主要是注射部位的疼痛、发红、肿胀、压痛等;全身症状为发热、寒战、疲劳等[7,9,17,19,37-38]。在Ⅲ期临床试验中各种疫苗的不良事件大多是轻度或中度的,且无严重的不良事件发生[32,39-40]。此外,对疫苗安全性最为严峻的考验是ADE,如果候选疫苗诱导体内产生大量针对病毒的非中和抗体,这不仅不能预防病毒的侵入,反而通过其Fc段结合细胞表面的Fc受体,进而感染不表达病毒特异性受体的巨噬细胞、粒细胞等,出现疫苗接种后病毒感染加重的情况[41]。
2.2 有效性 SARS-CoV-2的S蛋白RBD能够与ACE2结合介导膜融合,S蛋白在受体识别和膜融合过程中扮演重要角色,其可作为诱导机体免疫应答最关键的抗原[41]。因此,评估COVID-19疫苗的有效性,关键是观察被接种人是否产生了针对SARS-CoV-2的S蛋白抗体[36]。目前已经公布有效性的COVID-19疫苗中,灭活疫苗、载体疫苗、mRNA疫苗均达到了世界卫生组织提出保护效力要求在50%以上的要求,不同疫苗间,由于其临床研究设计和临床研究场景不同,研究结果存在一定差异[19,42]。
3 小结与展望
在攻克COVID-19疫苗的时期,快速开发安全有效的疫苗成为重中之重。目前在各国的共同努力下,疫苗研制呈现严谨积极的态势,但SARS-CoV-2的病原学特性、致病和感染机制等仍未完全研究透彻;对COVID-19患者体内产生的体液和细胞免疫应答的数据分析,COVID-19疫苗的明天仍会面临较大挑战。展望未来,期望能在疫苗的保护下,有效遏制COVID-19疫情的蔓延,迎来传染病防控的新时代。