新冠肺炎疫苗的研发：机遇与挑战

郭晓强

新冠肺炎（c o r o n a v i r u s d i s e a s e 2 01 9， COVID-19）的迅速蔓延，已對整个世界产生了难以估量的冲击，目前来看仍未有明显衰减的迹象。相对于其他传染病，这次的COVID-19疫情在全球波及范围更大、造成的损失更严重，成为人类进入21世纪后规模最大的一次流行病[1]。面对COVID-19，目前尚未研制出特效的治疗药物，只有寄希望于成功开发出有效疫苗，以解决当前近乎失控的疫情。

疫苗研发历史

人类早期历史就是同各类传染病如天花、霍乱、鼠疫、结核、伤寒等进行殊死搏斗的历史；传染病也同战争、自然灾害等一起，成为大规模人类死亡的重要原因。伴随着一次次疫情的发生，国内外医学界人士也在积极探索预防和治疗之策。20世纪一系列抗生素的发现，一定程度上遏制了细菌性传染病的势头。然而，病毒性传染病则由于抗病毒药物临床疗效不佳等问题，对其采取疫苗预防仍为首选策略。

很久以前，古希腊历史学家就观察到天花幸存者通常不会二次感染，随后在古埃及、古印度和我国等，人们都观察到此种现象，但真正将这一现象付诸实践（疾病预防）则始于我国宋朝。当时采用“种痘”策略，就是将感染天花后痊愈患者结的痘痂干燥后取下，碾碎成粉，吹到健康人鼻孔里，使其获得对天花的抵抗力，从而诞生了人类疫苗的雏形。这种方法后来被传播到世界各地，但还存在诸多问题。最大的风险在于，采用活的人痘病毒，安全性差和风险性高（健康人种痘后反而患病）。

1796年，英国医生琴纳（E. Jenner）意外发现一种牛痘病毒，尽管也可使人致病但症状轻微，患者感染后可获得对人天花病毒的免疫力（不再患天花），从而有效解决了安全性问题。牛痘疫苗的应用，标志着人类疾病预防进入了一个新时代，疫苗（vaccine）一词即源自奶牛的拉丁语（vacca）。1880年代，法国微生物学家巴斯德（L. Pasteur）成功开发出狂犬病毒疫苗，一举奠定现代疫苗学的理论基础。

进入20世纪，疫苗开发的步伐加速，先后开发成功多种疫苗，如黄热病毒疫苗（1935年）、流感病毒疫苗（1936年）、脊髓灰质炎疫苗（1955和1963年）、麻疹、腮腺炎和风疹联合疫苗（1971年）、人乙肝重组疫苗（1986年）、人乳头瘤病毒疫苗（1992年）等，成为人类抵御众多致死性传染病的重要保障[2]。

疫苗主要类型

疫苗根据组成通常可分为6大类：灭活疫苗、减毒疫苗、病毒载体疫苗、病毒颗粒疫苗、亚单位疫苗和核酸疫苗[3]。前两种为传统疫苗，后面4种为新型疫苗。

灭活疫苗（inactivated vaccine）

采用完全失活的死病毒作为免疫材料。这一思想在18世纪末期由美国科学家萨尔蒙（D. Salmon）和史密斯（T. Smith）等提出，常见的如灭活脊髓灰质炎疫苗、早期流感疫苗和甲肝疫苗等。

减毒疫苗（attenuated vaccine）

疫苗制备材料为脱毒（或低毒）活病毒，通常采用化学处理或连续传代以实现减毒目标。这一理念最初由巴斯德提出。此类疫苗包含天然减毒株，如牛痘疫苗（这种情况通常可遇不可求）；化学脱毒，如最初的狂犬病疫苗；连续传代脱毒，如麻疹疫苗和口服脊髓灰质炎疫苗等。

病毒载体疫苗（viral vector vaccine）

这是一种嵌合体疫苗，是用已被证实安全的病毒如腺病毒作为载体，将致病病毒的部分遗传物质带入体内，以激发人体的免疫应答。这种方法既可保证病毒完整性，又保证了疫苗安全性，目前用于人类免疫缺陷病毒疫苗等的研发。

病毒样颗粒疫苗（virus-like particle vaccine）

病毒蛋白在体外进行组装，产生类似病毒的结构。相对于单纯的病毒蛋白，其免疫原性大大增强，从而可激发更强的免疫应答，起到保护人体的作用。人乳头瘤病毒疫苗就是这种类型疫苗。

亚单位疫苗（subunit vaccine）

采用最能有效激发人体免疫应答的病毒成分（通常是蛋白质或糖蛋白）来制备疫苗。相对于完整病毒疫苗，其安全性高，操作性好，可利用基因工程方法进行制备。常用的人乙肝疫苗就属于此类。

核酸疫苗（nucleic acid vaccine）

将编码某种抗原蛋白的外源基因（DNA或RNA）借助脂质体纳米颗粒携带进入宿主细胞，借助宿主细胞表达需要的抗原蛋白，诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答，达到预防和治疗疾病的目的。这是一种新型疫苗，具有制备简单，生产迅速，管理方便等诸多优点。至今尚无一种核酸疫苗被正式批准应用，但其诸多优势得到了科学界和医药界的关注。

疫苗预防原理

预防性疫苗原理就是用一种无害或低害的物质提前处理，使机体获得对特定病毒感染的抵抗能力。为实现这一目标，疫苗必须具备两方面能力：一是特异性，二是免疫力[4]。

正常情况下，病毒感染宿主后会触发先天性和适应性两类免疫系统。先天性免疫系统（树突细胞等）需要细胞表面模式识别受体（pattern recognition rece ptor， PR R）来识别病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular pattern， PAMP）。病毒的PAMP是指病毒特有（宿主缺乏）、结构恒定且进化上保守的一类分子结构，如病毒核酸等。适应性免疫系统（包括T细胞和B细胞）通过识别病毒特定抗原被激活。因此，病毒进入机体后，先天性免疫系统首先判断感染是否发生，确认后树突细胞等会迅速聚集到淋巴结，进一步激活适应性免疫系统（如T细胞等）。

两步免疫应答的特点为疫苗研发提供了设计思路。如减毒活疫苗本身就可激发机体强大且持久的抗病毒免疫应答，因此通常可单独使用；而亚单位疫苗等新型疫苗則只利用抗原信息，因此只能产生弱化、短暂的应答，可通过补充免疫佐剂（adjuvant）来实现增强效应。免疫佐剂是指一类可增强机体特异性免疫应答能力的物质，常用的有铝盐、内毒素等。

疫苗的研发

一种新疫苗从最初研发到最终应用，通常需要经历数年，至少要经过探索、临床前、临床试验和批准等阶段。疫苗批准投入使用后还须对疫苗生产、质量控制及不良反应等进行实时监管，以保障疫苗安全性。

探索阶段

根据病原体类型和被感染靶器官等特征，确定疫苗类型。以新冠肺炎疫苗为例，目前大多数公司倾向于亚单位疫苗、病毒载体疫苗和核酸疫苗这些新型疫苗，因为这些疫苗相对而言生产简单，可为大规模生产提供便利。但挑战也显而易见，那就是不确定性和风险性较大。

临床前阶段

对制备出的疫苗开展先期动物实验，以初步确定保护效果和潜在毒性。新冠疫苗在该阶段可选择的动物有基因工程小鼠、仓鼠和恒河猴等。我国开发的一款新冠灭活疫苗临床前试验已获理想结果，产生了大量病毒中和性抗体，并对动物产生了较强的保护作用[5]，为进一步开展临床试验奠定了坚实基础。

临床试验阶段

这是整个研发过程的重中之重，疫苗只有经过严格临床试验，才可在公众中应用。该阶段通常又分为三期，即Ⅰ期临床、Ⅱ期临床和Ⅲ期临床[6]。

Ⅰ期临床

在一个小样本群体（通常20～80名受试者）中进行，主要目的是初步评价疫苗的安全性和有效性（激发出各种免疫应答的类型和反应程度）。通过这些测试才可进入下一阶段。

Ⅱ期临床

在一个较大群体（通常几百人）中开展，主要用于评价疫苗的安全性、免疫性、使用剂量、免疫程序和接种方法。

Ⅲ期临床

在更大规模人群（数千甚至上万人）中测试。该阶段的试验设计为随机双盲试验：随机地给一些受试者接种疫苗而对另一些受试者给予安慰剂（生理盐水或者其他类型疫苗等）。这是临床试验中最关键的阶段，首要目的仍是评估疫苗安全性。假定严重不良反应发生率为1/1000，则理论上需要6000名受试者才可能发现（其中接种疫苗的只有3000人）。如果要求不良反应发生率更低，则需进一步增加受试人数。之所以必须如此严谨，是因为疫苗与药物不同，一方面疫苗更多地是给健康人用，另一方面疫苗受众较广。以1亿人接种疫苗为例，按照1/1000不良率计算，最终也会有10万人受到伤害。另一个需要确定的是保护效果，即与安慰剂组相比，疫苗组的感染率有多大程度的降低。

批准阶段

当Ⅲ期临床试验结果达到疫苗要求时，可向卫生行政部门提出审批请求，通过后即可投入生产和应用。

监管阶段

疫苗投入应用后，尚需进行严格监管，以保障其安全性。如建立疫苗不良事件报告系统，当发现疫苗产生新不良反应时，应及时采取应对措施，若情况足够严重，则要召回疫苗。

新冠疫苗的研发

目前，全世界有近200种新冠疫苗正在研发中，几乎涵盖所有的疫苗类型[7]，以期从中筛选到理想的疫苗，从而解当前仍在肆虐的新冠疫情燃眉之急。这里重点介绍几种有潜力的疫苗[8]。

新冠肺炎核酸疫苗

该疫苗制备简单，是目前研究进展最为迅速的疫苗，主要有以下几种mRNA疫苗。

BNT162b1

这是由美国辉瑞公司和德国BioNTech等联合开发的一款mRNA疫苗，主要成分为编码新冠肺炎病毒刺突蛋白（S）受体结合区（receptor-binding domain， RBD）的mRNA。目前正在对4万多名参与者进行Ⅲ期临床试验。在最近中期疗效分析（尚未正式结束）中初步发现，其预防新冠肺炎有效率超过90%，并未发生严重不良反应，因此准备尽快提交申请，以求尽快进行大规模生产和免疫接种。该疫苗本身存在一个巨大的劣势，就是对储存条件苛刻，需要在-70℃下保存，这给运输和接种带来极大困难，因此尚需其他疫苗补充。

mRNA-1273

这是美国莫德纳（Moderna）公司开发的一款mRNA疫苗，其成分是编码刺突蛋白的mRNA。最近从3万多人的Ⅲ期临床试验中也获得鼓舞人心的结果。该疫苗对预防新冠肺炎的有效率达94.5%，且没有严重不良反应，因此也有望获得审批。该疫苗的一大优点是可在普通冰箱（2～8℃）保存一个月，在-20℃冰箱可保存半年，这一点远优于辉瑞公司的疫苗。

ARCoV

这是由我国军事医学科学院联合多家单位联合研发的国内第一款mRNA疫苗，也采用刺突蛋白作为病毒抗原，目前正开展临床试验。

新冠病毒亚单位疫苗

这是目前开发最多的一类，已超过50多种。

NVX-CoV2373

这是由美国诺瓦瓦克斯（Novavax）公司开发的一种蛋白质亚单位疫苗，使用S蛋白（采用基因工程方法制备）作为抗原，目前已进展到临床Ⅲ期。从前期实验结果看，可有效激发机体的抗病毒反应，但有一定比例的不良反应，最终结果目前尚无法评判[9]。

SCB-2019

这是由英国葛兰素史克等公司联合开发的一种蛋白质亚单位疫苗，采用S蛋白三聚体作为抗原，目前正在临床试验中。

COVID-19 vaccine

这是中国医学科学院和安徽智飞龙科马生物制药有限公司联合开发的蛋白质亚单位疫苗，采用RBD二聚体作为抗原，目前正在临床实验中。

病毒载体疫苗

这类疫苗也有多家公司在积极开发。

Ad26.COV2-S

这是美国强生公司开发的一种腺病毒载体疫苗，使用S蛋白作为抗原，目前在Ⅲ期临床。

Ad5-nCoV

这是由我国北京生物技术研究所和康希诺生物公司联合研制的腺病毒载体疫苗，也使用S蛋白作为抗原，已进入Ⅲ期临床。

新冠病毒灭活疫苗

这类疫苗正在我国多家单位的研制中，包括中国医药集团、北京科兴生物制品有限公司、北京生物制品研究所、武汉生物制品研究所、中国医学科学院等。目前，相关疫苗如BBIBP-CorV、PiCoVacc等，大多已进展到Ⅲ期临床[10]。从临床前、Ⅰ期和Ⅱ期临床试验结果来看，具有较高的安全性和有效性，假以时日也有望被批准应用。

考虑到新冠肺炎首次出现，人群缺乏免疫力，因此理论上需两次接种（一般间隔3～4周），在第二次接种1～2周后，人体开始获得对新冠肺炎病毒的免疫力。

挑 战

虽然近期新冠肺炎疫苗臨床试验传来一系列好消息，但在后续大规模应用中仍存在诸多挑战。

首先是疫苗安全性。由于新冠疫情的紧迫性，因此疫苗研发进入了超快通道。正常情况下，一种疫苗研发周期为15年甚至更长，而新冠疫苗的研发估计在10个月到一年半时间内完成[10]，势必在疫苗安全性上存在较大隐患。新冠疫苗即使被批准应用，也应有严格的监管机制。在出现严重不良反应后，要及时进行针对性治疗或采取紧急召回等措施。

其次是疫苗有效性。尽管大家对疫苗都抱有极大希望，但最终大规模应用后的效果如何尚难预测。就当前研发的疫苗而言，它们主要通过肌肉或皮下注射的方式进行接种，这些方法通常只激活下呼吸道部位的免疫（全身免疫应答），而无法激活上呼吸道保护（黏膜抗体应答），因此最终可能只达到部分保护或减弱感染的效果，而无法起到消除病毒传播的作用。

第三是疫苗生产力。小规模或常规性应用的疫苗（如HPV），生产压力相对较小，而大规模或紧急性应用的疫苗（如流感、新冠等），目前的生产力有点捉襟见肘。按照每人两次免疫计算，全球有100多亿的需求量。即使全世界疫苗生产企业开足马力生产，短期内供应全球的疫苗量也是一项巨大挑战。

第四是疫苗价格。即使疫苗安全、有效，并能足量供应，价格也会成为另一挑战。疫苗研发和生产过程需要巨大投入，仅仅是收回成本，也会造成疫苗价格不菲，如果考虑盈利，那价格就更加高昂了。诚然，部分富裕国家可通过财政补贴使该问题得到适当解决，但在不发达地区，这个问题就显得极为棘手。

第五是公众心理。再安全的疫苗都无法保证万无一失，因此，许多公众从内心深处具有排斥心理，担心注射疫苗会带来不良后果，从而拒绝注射。如果少量人群拒绝，由于群体免疫效应，尚可取得抑制疾病传播的效果，但如果过多人不接受疫苗免疫，就蕴含较大风险，这也是一个较为棘手的问题。

新冠疫苗研发是人类控制新冠疫情的重要希望所在，曙光已经显露，挑战仍需面对。

[1]Morens D M， Fauci A S. Emerging pandemic diseases： How we got to COVID-19. Cell， 2020， 182（5）： 1077-1092.

[2]Plotkin S. History of vaccination. Proc Natl Acad Sci USA， 2014， 111（34）： 12283-12287.

[3]Ada G. Vaccines and vaccination. N Engl J Med， 2001， 345（14）： 1042-1053.

[4]Iwasaki A， Omer S B. Why and how vaccines work. Cell， 183（2）： 290-295.

[5]Gao Q， Bao L， Mao H， et al. Development of an inactivated vaccine candidate for SARS-CoV-2. Science， 2020， 369（6499）： 77-81.

[6]Han S. Clinical vaccine development. Clin Exp Vaccine Res， 2015， 4（1）： 46–53.

[7]Poland G A， Ovsyannikova I G， Crooke S N， et al. SARS-CoV-2 vaccine development： Current status. Mayo Clin Proc， 2020， 95（10）： 2172-2188.

[8]Jeyanathan M， Afkhami S， Smaill F， et al. Immunological considerations for COVID-19 vaccine strategies. Nat Rev Immunol， 2020， 20（10）： 615-632.

[9]]Krammer F. SARS-CoV-2 vaccines in development. Nature， 2020， 586（7830）： 516–527.

[10]Dong Y， Dai T， Wei Y， et al. A systematic review of SARS-CoV-2 vaccine candidates. Signal Transduct Target Ther， 2020， 5（1）： 237.

关键词：新冠肺炎 疫苗 临床试验 核酸疫苗 ■