针对严重急性呼吸综合征冠状病毒2变异株Omicron的疫苗研究进展*

刘明娅 戚菲菲 鲍琳琳

（中国医学科学院医学实验动物研究所，北京协和医学院比较医学中心，国家卫生健康委员会人类疾病比较医学重点实验室，新发再发传染病动物模型研究北京市重点实验室，北京市人类重大疾病实验动物模型工程技术研究中心，国家中医药管理局人类疾病动物模型三级实验室，北京 100021）

恒河猴（Macaca mulatta），传染病、行为学、神经科学和免疫学研究的重要模式动物。

严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）作为RNA 病毒，其在基因组复制过程中不断发生遗传密码变化（基因突变），演化出一系列变异体。当前WHO 报告了多种SARS-CoV-2 关切变异株（VOCs），包括Alpha（B.1.1.7）、Beta（B.1.351）、Delta（B.1.617.2） 和Omicron（B.1.1.529）等［1］。2021年11月，Omicron突变株首次在南非发现，并迅速席卷全球。相比原始毒株，Omicron变异株在S 段有36 处突变，其受体结合域RBD 段有15 处突变［2］。

1 Omicron突变株流行情况

1.1 人群中的流行情况

Omicron 突变株迅速取代Delta 突变株在全世界范围内流行，且在流行过程中不断进化，目前已出现55 种Omicron 亚型［3］，流行情况由主流分支BA.1 转化为现如今主导的BA.2 亚型［4-6］。当前每日新增新型冠状病毒肺炎（COVID-19）确诊患者中约有90%以上为Omicron突变株感染者［1］。研究表明，SARS-CoV-2 原始株在武汉流行时R0=2.5，Delta突变株R0=5.08，Omicron突变株BA.1R0=7.0，BA.2R0约为9.1［7-8］，相比于D614G、Beta 和Delta突变株，Omicorn突变株的感染力与传播能力显著增强。然而，Omicron突变株的重症病例与死亡人数显著降低。流行病学统计发现，与Delta 突变株相比，感染Omicron 的患者住院率约下降60%，ICU 住院率下降50%，死亡风险降低70%［9-11］。这些调查结果均表明，与以往流行的毒株相比，Omicron突变株的传播力增强，致病力减弱。

1.2 动物模型中的致病力比较

为了进一步探究Omicron 变异株致病力的变化，研究者建立了Omicron 感染的小鼠和仓鼠模型，并从病毒学、病理学和免疫学等方面进行对比分析。由于Omicron 变异株在RBD 受体结合域有多个关键位点（如K417、E484、Q493、Q498 和N501）的突变，因此与以往的SARS-CoV-2动物模型相比，Omicron感染的动物模型在适应性方面也发生变化。SARS-CoV-2501 位点突变可能赋予SARS-CoV-2 突变株跨物种传播的能力［12-14］，研究发现，Omicron突变株可直接感染野生型小鼠。且与Beta 突变株相比，BALB/c 小鼠感染Omicron 突变株后鼻甲和肺组织病毒载量和滴度均显著下降。同时，在对K18-hACE2 转基因小鼠的研究中也发现，感染原始病毒株和Beta 突变株后，K18-hACE2 转基因小鼠的体重减轻，肺组织中检测到较高的病毒载量。而K18-hACE2 转基因小鼠感染Omicron突变株后，体重并未减轻，且肺组织病毒载量显著降低，CXCL1、IL-12 等炎性细胞因子表达水平也显著下降［15］。

金黄仓鼠的ACE2 受体与人类ACE2 受体具有高度同源性，仓鼠感染SARS-CoV-2 后的病程较长，可模拟重症患者，用于疫苗、药物的评价以及恢复期治疗措施的评估。使用仓鼠比较不同毒株的致病力，发现与原始病毒株、Beta 和Delta 突变株相比，仓鼠感染Omicron突变株后临床症状与肺部病变程度明显减轻。感染原始株、Beta 或Delta 突变株后，仓鼠的体重下降约10%～15%，而感染Omicron突变株后，仓鼠体重并未减轻，且在6 dpi时仅观察到肺泡和支气管周围区域的轻微病变。与感染Delta 突变株相比，仓鼠感染Omicron 后，肺部的病毒复制效率和肺炎严重程度均明显降低。另外，研究者们建立了K18-hACE2 转基因仓鼠，也发现类似的结果，与感染D614G 病毒株相比，Omicron感染后转基因仓鼠的体重下降和死亡情况均明显减轻，肺部病毒载量降低至原来的1/1000～1/10000［16］。

以上对于Omicron突变株感染的动物模型研究表明，与原始病毒株及Beta、Deta突变株相比，感染Omicorn突变株后小鼠和仓鼠的临床症状、病毒复制和肺部病变均明显减轻，Omicron突变株的致病力下降。通过人群中的统计调查与实验室数据，初步了解Omicron 突变株的传播力和致病力的变化。另外，研究表明利用高通量酵母展示筛选技术发现，85%的RBD 靶向单克隆抗体被Omicron 突变株逃逸［17］，变异株单个位点突变和协同突变均可能降低疫苗和抗体的保护作用。因此当前的疫苗是否还能继续发挥保护作用及其保护效力如何成为人们密切关注的问题。

2 接种现有疫苗对Omicron的保护作用

2.1 人群中疫苗接种情况

当前上市使用的COVID-19疫苗主要包括灭活疫苗、mRNA 疫苗、腺病毒载体疫苗和重组蛋白疫苗几种，其中灭活疫苗接种最多（占比41%；科兴CoronaVac 占22%，中国生物BBIBP-CorV 占19%），其次是mRNA 疫苗（占比24%；辉瑞BNT162b2 占19%，莫德纳mRNA-1273 占5%）和腺病毒载体疫苗（牛津-阿斯利康ChAdOx1 nCoV-19占比17%）［18-19］，现阶段全世界接种疫苗剂次已超过100亿［20］。

研究发现接种两针灭活疫苗（CoronaVac）1 个月后，血清针对Omicron 的中和抗体几何平均滴度（GMT）均小于8，血清转换率仅为3.3%（2/60）［21］；接种两针灭活疫苗（BBIBP-CorV）14 d 后，80%（8/10）的接种者血清针对Omicron的中和抗体滴度（NT50）低于检测下限，血清针对原始病毒株、Beta、Delta 和Omicron 的GMT分别为1∶67.4、1∶8.85、1∶35.07 和1∶6.04，针对Omicron 突变株的GMT分别下降至原始病毒株和Delta 突变株的1/11 和1/7［22］。接种两针mRNA 疫苗（BNT162b2）2～4周后，血清中对Omicron突变株的中和抗体滴度分别降至原始病毒株和Beta 突变株的1/30 和1/5.4［23］。使用病例对照研究评估接种两针mRNA 疫苗（mRNA-1273）不同时间后的有效性，随着时间延长，有效性显著降低，接种14～90 d、91～180 d 和大于270 d 时有效性分别为44.0%、23.5%和5.9%［24］。接种两针灭活疫苗和mRNA 疫苗后，血清针对Omicron 突变株的GMT分别为7和17，与野生株相比，平均下降至原来的1/10和1/30，两种疫苗的保护效果均显著下降。

COVID-19 疫苗的完全接种可能已经无法对Omicron提供有效的保护，接种两针疫苗（多种技术路线的疫苗）后血清对于Omicron的中和活性均显著下降，且针对Omicron突变株的保护效力明显低于原始病毒株、Beta 和Delta 突变株，需要探索新的接种方案来增强疫苗接种者对Omicron突变株及其他具有潜在威胁的突变株的预防和保护作用（图1）。

Fig.1 Vaccine studies on SARS-CoV-2 variant Omicron图1 SARS-CoV-2变异株Omicron的疫苗研究

2.2 加强免疫策略的推行

加强免疫是指按照常规程序完成COVID-19疫苗接种后，根据抗体保护效果消退情况进行补充接种，从而保持人体对SARS-CoV-2的免疫力。基于对两针疫苗接种后机体免疫持久性的研究，并综合考虑疫苗的安全性、免疫原性等因素，专家提出在完成COVID-19 疫苗完全接种后6 个月进行加强免疫，根据自身情况选择同源加强或异源加强免疫。

同源加强免疫指继续采用与之前相同技术路线疫苗进行加强，当前采用最多的同源免疫接种策略主要为灭活疫苗、mRNA 疫苗的同源加强。灭活疫苗（CoronaVac）加强针免疫1 个月后，血清针对Omicron 的中和抗体滴度由接种两针后的1∶8升高为1∶15.4，血清转化率由3.3%（2/60）升高至95% （57/60）。 从 接 种3 针 灭 活 疫 苗（CoronaVac）受试者的PBMC 中分离到的93%的单克隆抗体均对大多数SARS-CoV-2关切变异株和关注变异株具有广泛的结合活性，其中85%的单克隆抗体对Omicron 的RBD 有交叉反应性。接种加强针后血清针对Omicron的中和抗体滴度显著高于接种两针mRNA 疫苗（BNT162b2）。加强针免疫1个月后，血清对于野生型、Delta和Omicron的GMT 分 别 为1∶240、1∶160 和1∶60，针 对Omicron的中和抗体滴度分别下降至野生型和Delta突变株的1/4和2/3［25］，与接种两针相比，中和抗体滴度下降程度也显著降低。利用假病毒进行中和抗体滴度检测，发现接种加强针1个月后，血清针对Omicron 假病毒的ID50为1∶1195，较接种两针后5个月升高了100倍［26］。

由于全世界灭活疫苗和mRNA 疫苗的接种剂次最多，因此当今的异源加强策略也大多建立在这两种疫苗的完全接种基础上。接种两针灭活疫苗或mRNA疫苗后，针对Omicron突变株的中和抗体水平显著下降。而接种两针灭活疫苗（CoronaVac）并使用mRNA 疫苗（BNT162b2）作为加强针后，接种者的血浆中针对Omicron变异株的抗RBD IgG水平与接种后2剂灭活疫苗后相比升高14.3倍。在mRNA 加强针接种28 d 后，接种者的血浆对Omicron产生的中和抗体滴度比仅接种两针mRNA疫苗的个体高2倍，且这种异源加强显著增强了特异的记忆T 细胞和B 细胞反应［19，27］。另外，应用灭活疫苗与重组蛋白疫苗序贯加强的策略发现，使用重组蛋白疫苗ZF2001 进行异源接种14 d 后，针对原始毒株、Delta 和Omicron 的中和抗体滴度分别为加强接种前的48.03、49.60和5.17倍，加强针接种28 d后，针对Omicron突变株的几何平均滴度升高至1∶108［22］。

在加强免疫接种策略的选择上，越来越多的研究显示异源加强可以通过激发不同的免疫机制提高疫苗的免疫原性，有助于克服单个疫苗免疫的局限，增强免疫反应的强度、广度和持久性，从而带来更全面且持久的保护。因此，异源加强成为近来研究者们的研究热点之一，许多国家和地区也开始选择异源加强接种的策略。无论是同源还是异源加强，都可增强疫苗对Omicron 突变株的中和效力，能够在一定程度上预防Omicron的感染，尤其是重症感染，是探索对抗Omicron突变株接种策略的重要方向之一。当前对于同源和异源加强的研究大多集中在体外研究，未来还需要更多的动物实验数据来评价加强针的体内免疫效能。

2.3 加强免疫在动物模型中的研究

研究发现，恒河猴免疫3 针灭活疫苗1 个月和3 个月后，血清针对Omicron 突变株的中和抗体滴度下降至WH-09病毒株的10/49和5/26，恒河猴免疫3 针重组蛋白疫苗1、3 个月后，血清针对Omicron突变株的中和抗体滴度下降至WH-09毒株的1/15 和1/9。同源接种3 针灭活疫苗后针对Omicron 突变株效价下降至WH-09 病毒株的1/5，作用优于接种3针重组蛋白疫苗，但仍都有保护作用［28］。从接种3 针灭活疫苗（CoronaVac）受试者的PBMC 中分离到的强效抗体XGv347，并用其治疗感染Omicron 的hACE2 小鼠，发现与模型组相比，经过XGv347 治疗后小鼠体重下降率显著改善，且肺部炎症损伤显著减轻。另外，使用XGv347 治疗感染Omicron 的K18-hACE2 小鼠后，小鼠肺部和气管的病毒载量完全清除，与模型组的中度间质性肺炎相比，XGv347 治疗组肺部无明显病理损伤。这些结果证实从接种3针灭活疫苗的受试者体内获得的抗体具有治疗Omicron 突变株的潜力［21］。

另外，恒河猴接种两针灭活疫苗（CoronaVac）后，使用二价灭活疫苗（β+δ）进行异源加强，加强免疫30 d后，针对Omicron变异株的中和抗体平均滴度为1∶25.3。使用Omicron病毒攻击后发现，与对照组高水平的肺组织载量相比（106.49/L），加强免疫后恒河猴肺组织载量显著降低，仅在一只猴的肺下叶发现低水平病毒（104.89/L）。病理学结果显示，肺组织无病变或仅表现出轻度病变，且无任何血栓、血管炎或血管周围炎出现。这些结果表明，灭活疫苗的序贯免疫策略可以保护恒河猴抗Omicron变异株的感染［29］。

3 Omicron特异性疫苗和多价疫苗的开发

3.1 Omicron特异性疫苗

疫苗加强针的接种在一定程度上增强了现有疫苗对Omicron的保护效力，同时研究者们也在积极探究更加有效的疫苗接种策略。由于大多数疫苗产生免疫逃逸的原因主要因为Omicron突变株的关键位点突变，因此研究者们设计了针对Omicron的特异性疫苗，并评估其在感染不同突变株的动物体内的保护作用。

使用仓鼠模型评价接种单剂Omicron特异性疫苗的有效性，对免疫单剂Omicron特异性疫苗28 d的仓鼠进行Omicron攻毒实验，发现与模型组和原始mRNA疫苗组相比，Omicron特异性疫苗的接种显著降低了仓鼠的组织病毒载量，缓解了肺部炎性浸润。与原始mRNA疫苗相比，Omicron特异性疫苗可以提供理想的保护效果［30］。

单独接种Omicron特异性疫苗虽然可以提高针对Omicron突变株的保护，但对其他突变株无保护效果，因此研究者们在原始mRNA 疫苗完全接种的基础上将Omicron特异性疫苗作为加强针进行研究。Fang 等［31］将Omicron S 段的cDNA 进行密码子优化，并克隆到含有UTR 和poly A 的mRNA 载体上，开发出可以编码带有HexaPro突变（可提高刺突蛋白的稳定性）的Omicron S段全长的mRNALNP疫苗，在C57BL/6小鼠接种两针mRNA疫苗4个月后接种Omicron 特异性疫苗，发现异源接种Omicron 特异性疫苗后，针对Omicron 突变株的中和抗体滴度比接种2 针和3 针WT-LNP-mRNA 疫苗升高了46 倍和11 倍，且接种后产生的中和抗体对野生型、Beta 和Delta 株也具有广泛的中和作用。Zhang 等［32］开 发 出 编 码Omicron RBD 段的LNPmRNA 疫苗，在ICR 小鼠接种两针mRNA 疫苗（ARCoV）14 d后，异源接种ARCoV-Omicron特异性疫苗，发现接种14 d 后产生高滴度的Omicron RBD特异性IgG抗体，利用Omicron假病毒进行滴定，NT50高达1∶7781。

在接种两针mRNA-1273疫苗10个月后进行加强针接种，发现无论使用mRNA-1273 疫苗还是Omicron特异性疫苗作为加强针均能显著增强恒河猴血清针对Omicron的中和抗体滴度。同源加强和Omicron 特异性疫苗异源加强针对Omicron 的中和抗体滴度分别为1∶2980和1∶1930，且两种接种策略中80%的S 特异性B 细胞都对野生病毒株和Omicron 突变株具有交叉保护反应［33］。对BALB/c小鼠进行mRNA同源加强和Omicron特异性疫苗异源加强免疫1 个月后，检测小鼠血清中和抗体滴度，发现两种接种策略均能提升血清中针对Omicron 突变株的中和抗体滴度，同源加强和Omicron特异性疫苗异源加强的中和抗体滴度分别升高2～5 倍和22～42 倍，免疫后3～4 周进行Omicron攻毒实验，发现异源加强组小鼠的肺组织载量为同源加强组的1/27［34］。动物实验证实了Omicron 特异性疫苗异源加强策略可以有效对抗Omicron的感染，但是可能由于不同物种的种属差异，同源加强后恒河猴血清针对Omicron的中和抗体滴度高于Omicron特异性疫苗异源加强，而小鼠Omicron 特异性疫苗异源加强的中和抗体滴度更高。由于恒河猴在生理上与人类更相似，后续还需对恒河猴进行Omicron的攻毒实验以确定最佳的接种方案。

3.2 多价疫苗

在SARS-CoV-2迅速传播，突变株瞬息万变的当下，缺乏能够对野生病毒株和突变株提供强大和持久保护的疫苗。多价疫苗不需频繁更新，但可增强第一代疫苗诱导的特异性免疫，这是目前抵御不断突变病毒的有效手段。开发针对现有和潜在突变株的多价疫苗，对疫情的防控具有重大意义。

通过结构分析将3种不同毒株（野生株、Beta和Kappa）的RBD 结合域整合为三聚体（mutI-tri-RBD）并将其作为候选疫苗，与来自野生株的同源RBD 三聚体疫苗相比，假病毒中和实验发现mutI-tri-RBD 疫苗对23 种SARS-CoV-2 突变株具有广泛且强效的中和活性，其中mutI-tri-RBD疫苗对Delta、Beta的中和抗体效价提高了3倍。此外，接种两针mutI-tri-RBD疫苗的hACE2小鼠分别感染野生株、Delta 和Beta 突变株，疫苗组小鼠肺组织中病毒载量完全清除［35］。同样，研究者构建了表达SARS-CoV-2病毒的S、N和RdRp抗原的三价腺病毒载体疫苗，鼻内接种三价腺病毒载体疫苗后，Beta 突变株感染的K18-hACE2小鼠肺部病毒滴度下降至模型组的1/3200［36］。虽然当前尚无在小鼠中进行的多价疫苗针对Omicron 保护效力的研究，但是其对Delta、Beta 等突变株的强效中和活性也给针对Omicron的研究提供有力的依据与支撑，未来需要更多的体内和体外实验数据来对多价疫苗的安全性和有效性进行验证。

非人灵长类动物与人类在遗传背景、病理生理学、解剖学等方面具有更高的相似性，因此研究者们使用非人灵长类动物也进行了多价疫苗对Omicron 保护作用的研究。使用Omicron 突变株感染二价灭活疫苗（β+δ）异源加强免疫的恒河猴，发现与对照组相比，其肺组织载量显著降低，肺组织病变程度明显减轻［29］。这些结果初步证实了多价疫苗针对Omicron的有效性，后续的临床前试验也正在逐步推进。

4 结论与展望

纵观SARS-CoV-2 病毒的变异过程，从Beta、Delta 突变株的流行到Omicron 突变株爆发，Omicron 突变株又经过BA.1 分支到BA.2 分支的进化，SARS-CoV-2的变异株还在日益增多。虽然接种疫苗或感染者康复后对于SARS-CoV-2病毒的持久保护力可达到6～12 个月，但是SARS-CoV-2 病毒的不断变异，持续冲击着人体接种疫苗建立的免疫屏障。安全有效的疫苗仍然是遏止病毒传播最有效的措施，而疫苗有效性的评价离不开动物模型的支撑。建立可稳定模拟人类感染SARS-CoV-2的临床症状的动物模型，可极大促进相关疫苗药物的研发及应用的顺利进行，对于抗病毒药物筛选、疫苗研制、病毒感染机制研究、疫情防控策略的制定等均具有重要意义。

致谢感谢中国医学科学院医学实验动物研究所秦川教授在本文撰写中给予的指导与帮助。