疫苗是把雙刃劍？除了打擊病毒，還能讓病毒進化？_風聞

逐漸失效的疫苗

賓夕法尼亞州立大學研究助理馬修·J·瓊斯(Matthew J. Jones)採集了一個養雞場的灰塵樣本，檢測導致馬立克氏病的病毒。馬立克氏病是一種常見的家禽感染疾病。有證據表明，導致這種疾病的病毒正在對它的疫苗產生免疫

安德魯·裏德（Andrew Read）主攻疾病生態學，是賓夕法尼亞州立大學傳染病動力學中心的負責人。他之所以想成為科學家，是因為他想花更多的時間徜徉在大自然中，但他從沒有想過所謂的大自然是一個養雞場。

他和助手克里斯·凱恩斯（Chris Cairns）漫步在賓夕法尼亞州鄉下的一個穀倉中，這裏炎熱、潮濕、臭氣熏天，養着3萬隻肉雞。兩人從頭到腳都穿着白色工作服，時不時蹲下來，將地上的灰塵裝入小塑料管中，蓋上蓋子，裝進塑料袋帶回實驗室。

裏德和同事正在研究的課題是：引起馬立克氏病的皰疹病毒為了應對疫苗是如何進化的。皰疹病毒是一種傳染性、麻痹性強，最終會致命的病毒，每年使養雞業損失多達20億美元。

一個多世紀以來，馬立克氏病始終是全球養雞業的噩夢。病雞羽毛上脱落的充滿病毒顆粒的灰塵，被吸入到健康雞體內，後者就會感染病毒。1970年，當馬立克氏病肆虐時，首個針對該疾病的疫苗開始投入使用。最初疫苗效果十分顯著，但不到十年，疫苗就在不知不覺間失效。在接種過疫苗的雞羣中，馬立克氏病又一次開始爆發。1983年，第二代馬立克氏病疫苗獲批投入使用，眾人都希冀它能解決這一問題，但它也難逃失效的命運。

如今，養雞場正在使用的是第三代疫苗。該疫苗至今仍然有效，但是裏德等人擔心有一天它也會失敗。更糟糕的是，目前還沒有研製好第四代疫苗。加上近幾十年來病毒變得更加致命，無疑是雪上加霜。

裏德等人，包括美國農業部的研究人員，都認為引起馬立克氏病的病毒隨着時間的推移在不斷進化，對以前的疫苗逐漸產生了抗性。最大的問題是，引發了這些變化的直接因素是疫苗還是其他巧合。但裏德能肯定的是，疫苗肯定產生了一定影響。

2015年，在PLOSBiology上發表的一篇論文中，提到裏德和同事做的相關實驗。裏德等人為100只雞注射了疫苗，另外100只沒有注射疫苗。然後，他們用馬立克氏病毒的毒株感染了所有雞，這些毒株的毒性和傳染性各不相同。研究發現，在它們的一生中，未接種疫苗的雞向周圍環境傳播毒株時，大多毒性相對較小，而接種了疫苗的雞傳播的毒株毒性則較強。

研究結果表明，**馬立克氏病疫苗導致更多更危險的病毒增殖。**毒性加強可能會使病毒有辦法克服接種疫苗後引起的免疫反應，使接種過疫苗的雞患病。

疫苗使病毒發生了哪些改變

大多數人都聽説過抗生素耐藥性，但疫苗抗性就沒有那麼廣為人知了。這是因為耐藥性是一個嚴峻的全球性問題，僅美國和歐洲每年就有約2.5萬人因此喪命，印度的死亡人數更是這個數字的兩倍之多。另一方面，對疫苗有抗藥性的微生物並不是主要的威脅。

也許它們永遠也不會成為什麼威脅：全球疫苗項目在預防感染和挽救生命方面已經取得了巨大成功，未來將會繼續發力。然而，最近的研究卻表明，一些病原體種羣為了適應疫苗世界，正在進化，而這些進化是通過多種方式進行的。

就像恐龍滅絕後，哺乳動物數量激增一樣，疫苗淘汰了一些病毒，但另外一些病毒也隨之湧入，取代了被疫苗淘汰的競爭對手。

疫苗還使一些曾經比較罕見或不存在的病原體的遺傳變異更加普遍，可能是因為接種疫苗後產生的抗體不容易識別和攻擊與疫苗株不同的變形體。實驗室中的進化模型和實驗數據顯示，針對世界上一些更狡猾的病原體，如瘧疾、艾滋病和炭疽等疾病的疫苗研究策略，可能會促使病原體變得更加危險。

安德魯·裏德（右）和克里斯·蓋恩斯（左）

進化生物學家對這種情況並不驚訝。對於病原體來説，疫苗就是施加在它們身上的一種新的選擇壓力，如果疫苗不能完全根除它的目標病毒，活下來的的病原體適應性會增強，也會變得更加普遍。

路易斯維爾大學的進化生物學家保羅·埃瓦爾德（Paul Ewald）説：“如果這些病原體沒有在疫苗的影響下進化，那麼我們真的不瞭解自然選擇。”

然而，不要把這些發現等同於疫苗是危險的或疫苗註定會失效的證據——因為利用自然選擇知識，我們也可以阻止出現的不良結果。進化也許是不可避免的，但可以將其引向我們希望的方向。

病毒如何進化

疫苗科學極其複雜，但其內在機制卻很簡單。疫苗使你的身體暴露於弱毒或滅活病原體中，甚至只是暴露於它們的某些部分。這種暴露會刺激你的免疫系統產生免疫細胞大軍，等真正的病原體再次入侵時，其中一些免疫細胞會分泌抗體蛋白來識別和擊退病原體。

由於種種原因，許多疫苗不能提供終身免疫。由於流感病毒的自然變異很快，每年都需要研製出新的流感疫苗。而隨着時間推移，新疫苗引起的免疫力也會減弱。

例如，在注射了傷寒疫苗後，一個人的保護性抗體水平在幾年後會下降，這就是為什麼公共衞生機構推薦那些生活或訪問傷寒流行地區的人定期注射疫苗的原因。研究表明，隨着時間推移，腮腺炎疫苗的保護作用也會出現類似的下降。

然而這與疫苗引發病毒進化導致疫苗失效是不同的。疫苗效力下降是因為疫苗本身直接引起的病原體種羣變化導致的。科學家們最近開始研究這一現象，部分原因是他們終於可以做到了：基因測序的進步使他們更容易觀測微生物是如何隨時間變化的。

許多發現已經證實，**病原體會根據環境的變化迅速變異進化。**疫苗刺激人體的免疫系統產生抗體，攻擊具有某種特性的病原體。由於病原體會自然變異，病原體特性的隨機變化會使疫苗隨着時間的推移而失效。但科學家們現在看到的跡象表明，在某些情況下，疫苗本身可以促使病原體羣體產生耐藥性。

病毒和細菌變異速度很快，部分原因是它們會瘋狂複製。如果一隻雞被攜帶西尼羅河病毒的蚊子叮了，僅僅三天之後，這隻雞每毫升血液中就能發現1000億個病毒顆粒，接近銀河系中星星的數量。病毒每一次複製都伴隨着改變基因的機會。當RNA病毒複製時，複製過程中每10000個核苷酸會產生一個新的錯誤或突變，突變率比在人類DNA中發現的突變率高出10萬倍。

病毒和細菌也會與相似的菌株重組或共享遺傳物質，這就給了它們另一種快速改變基因組的方法。就像人類——除了同卵雙胞胎——都有獨特的基因組一樣，病原體種羣往往由無數基因變體組成，其中一些變體與疫苗抗體作戰時適應性更強。勝利者為未來的病原體種羣播下種子。

引起百日咳的細菌，可以説明這一切是如何發生的。

1992年，在美國疾病控制和預防中心的建議下，美國開始推廣一種新型疫苗來預防百日咳。過去的百日咳疫苗是用滅活細菌製成的，能有效激發人體的免疫反應，但也會引起一些罕見的副作用，比如癲癇等。

這種新型疫苗被稱為非細胞性疫苗，只含有從病原體中分離出來的2到5個外膜蛋白。副作用消失了，取而代之的是一些意想不到的新問題。

首先，由於不明原因，這種疫苗提供的保護逐漸減弱。百日咳又開始在世界各地爆發。2001年，荷蘭科學家提出了病毒重新流行的另一個原因：可能是疫苗刺激了病毒進化，導致缺乏目標蛋白或有不同版本蛋白的細菌菌株優先生存。

此後的研究也證明了這一觀點。2014年，在《新發傳染病雜誌》上的一篇論文中，新南威爾士大學醫學微生物學家蘭瑞廷領導的澳大利亞研究人員，在2008年至2012年期間收集了320名百日咳患者的樣本，並對其進行了測序。

無百日咳桿菌粘附素（免疫系統通過識別該特徵攻擊病毒）的細菌比例從2008年的5%躍升至2012年的78%，這表明來自疫苗的選擇壓力使無百日咳桿菌粘附素的菌株變得更常見。美國疾病控制與預防中心2017年的發佈的報告顯示，幾乎所有的病毒都沒有百日咳桿菌粘附素。

“我想，幾乎所有人都同意，百日咳菌株的變異是由疫苗接種造成的。” 蘭瑞廷（RuitingLan）説。

乙肝病毒的進化也類似。目前的疫苗主要針對乙肝病毒的表面抗原，於1989年引入美國。一年後，在《柳葉刀》雜誌上發表的一篇論文中，介紹了在意大利的疫苗試驗中發現的奇怪結果。

研究人員在44名接種過乙肝疫苗的受試者中檢測到乙肝病毒的傳播，但其中一些人的乙肝病毒缺失了部分目標抗原。在台灣進行的一系列研究中，檢測了兒童感染者身上的病毒。報告顯示，這些病毒大多數是“免疫逃避突變體”，缺乏乙肝表面抗原的病毒從1984年的7.8%增至1999年的23.1%。

然而，一些研究表明，這些突變株並不穩定，可能不會造成太大風險。事實上，全世界每年感染乙肝的人數越來越少。正如2016年紐約西奈山伊坎醫學院的醫生在一篇論文中説的那樣，“乙型肝炎表面抗原免疫逃逸突變的臨牀意義仍存在爭議”。

被改變的病原體種羣

通常來説，科學家必須要自己設計實驗。但在2000年左右，比爾·哈納奇（Bill Hanage）開始意識到，現實正在為他設計實驗。那時哈納奇剛剛獲得病理學博士學位，一直對細菌和進化生物學很感興趣。他發現，美國的細菌即將迎來一場深刻的進化革命。

肺炎鏈球菌會使許多老年人和兒童患上肺炎、耳部感染、腦膜炎等疾病。為了預防肺炎鏈球菌引起的感染， 7價肺炎疫苗很快被推薦給所有美國兒童。迄今為止，科學家們發現了90多種不同的肺炎鏈球菌血清型——它們的細胞表面具有獨特的免疫特徵——而7價疫苗針對的是導致嚴重感染的7種血清型。

但是哈納奇和研究人員想知道，另外80多種血清型身上會發生什麼變化。他説：”我幾乎完全沒有受過進化生物學的正規教育，這讓我突然意識到，這是一個非同尋常的進化實驗。”

養雞場灰塵樣本中的病毒含量。樣品通過實時定量聚合酶鏈反應進行檢測。每條曲線代表一個樣本：紅色水平線以上的曲線越長，表明樣本中包含的病毒越多

哈納奇與最近離開埃默裏大學去哈佛的流行病學家和微生物學家馬克·利普西奇（MarcLipsitch）進行了合作，這兩位科學家現在都在哈佛，一直在觀察肺炎球菌種羣如何適應7價疫苗這種新的選擇壓力。

研究發現，7價肺炎疫苗幾乎完全消除了它針對的7種血清型感染，而另一種較少見的血清型迅速佔據了它們的位置，其中包括一種名為19A的血清型，這種血清型開始導致大量嚴重的肺炎球菌感染。為此，2010年，美國推出了13價肺炎疫苗，針對目標正是19A和另外五種血清型。以前未見過的血清型再次活躍起來。

2017年，一篇發表在《兒科學》（Pediatrics）雜誌上的論文，將這種情況比作一場高風險的打地鼠遊戲。從本質上來説，接種疫苗會徹底改變病原體的種羣結構，而且是兩次。

總體而言，由於13價疫苗的推廣，美國侵入性肺炎球菌感染在兒童和成人中的發病率大幅下降。它拯救了許多美國人的生命，大概是因為它針對的是最有可能導致感染的血清型子集。

但來自英格蘭和威爾士的數據就不那麼樂觀了。儘管那裏的兒童感染病例有所減少，但侵入性肺炎球菌感染在老年人中一直穩步增加，而且現在的感染率比7價疫苗引入前要高得多。

至於為什麼會發生這種情況，“我們還不知道原因，”哈納奇説，“但我確實認為，現在兒童身上攜帶的血清型在無意中更容易在成人中引起疾病，這是我們以前不知道的，因為它們相對罕見。”

加拿大安大略省皇后大學的數學進化生物學家特洛伊·戴（Troy Day）認為，人們可以把接種疫苗看成篩子。這個篩子可以防止許多病原體通過，但如果有一些病原體通過了這個篩子，這些非隨機樣本中的病原體將優先存活、複製並最終改變病原體種羣的組成。

從篩子眼裏擠過去的免疫逃避突變體的遺傳差異，可以讓它們擺脱或逃開疫苗抗體的打擊,或者可能使它們成功“離開”疫苗優先攻擊的血清型名單。它們就像晚上警察突襲時被忽視的罪犯窩點一樣幸運。

不管怎樣，疫苗悄悄地改變了病原體種羣的基因圖譜。

新疫苗可能會帶來更大的問題

正如病原體有不同方法來感染和影響我們一樣，科學家也採用了不同的免疫策略來研製疫苗。

我們小時候接種的大多數疫苗都能防止病原體在我們體內複製，因此也能防止我們把病毒傳染給別人。但是，科學家迄今為止還無法制造出針對HIV、炭疽和瘧疾等複雜病原體的殺菌疫苗。

為了戰勝這些疾病，一些研究人員一直在開發新型疫苗，即雖然並不能預防感染，但可以對病毒免疫的疫苗。但這些新型疫苗可能會引發一種不同的、可能更可怕的微生物進化。

病毒的毒性，作為一種特性，與病毒複製息息相關：一個人體內的病原體越多，他的病情通常就越嚴重。高複製率在進化方面是種優勢——體內的病毒越多，鼻涕、血液、糞便中的病毒也會越多，病毒傳染給他人的機會越大。但同時也存在一個成本問題，因為在病毒多到有機會感染他人前，可能就會殺死宿主，病毒也會隨之消亡。

裏德表示，不預防感染的疫苗存在一個問題：它們不抑制病毒的複製，只保護宿主不受疾病和死亡侵害，因此病毒複製的成本問題也就消失了。隨着時間推移，如果大家都接種這種疫苗，病原體可能會發生進化，對未接種疫苗的宿主來説更加致命，因為它可以在不付出代價的情況下獲得增強毒性的好處——就像馬立克氏病對未接種疫苗的雞慢慢變得更致命一樣。這種毒性也會導致疫苗在接種過疫苗的宿主中逐漸失效。

除了馬立克氏病外，裏德還一直在研究瘧疾，這是目前正在開發的幾種不預防感染的疫苗之一。2012年發表，在《公共科學圖書館·生物學》上一篇論文中，裏德和他當時帶的博士後維姬·巴克利（Vicki Barclay）給小白鼠接種了幾種正處在臨牀試驗階段的不預防瘧疾感染的疫苗。然後，他們用這些感染了但沒有患病的小白鼠來感染其他接種了疫苗的小白鼠。

在接種過疫苗的小白鼠中，病原體經過21輪傳播後，巴克利和裏德對它們進行了研究，並將它們與在未接種過疫苗的小鼠中傳播了21輪的病原體進行比較。他們發現，接種過疫苗的小白鼠體內的病毒株毒性更強，因為它們複製速度更快，殺死的紅細胞更多。在21輪感染結束時，這些生長更快、致命的寄生蟲是唯一剩下的病原體。

還有很長的路要走

如果你覺得這聽起來非常可怕，請記住以下幾點。

第一，包括麻疹在內的許多病原體似乎並沒有作為一個羣體對疫苗做出反應而進化。

第二，來自實驗室的實驗數據，如上面描述的瘧疾研究，不一定能預測現實世界中更復雜的情況。

第三，關注疫苗驅動的病毒進化的研究人員強調，**這種現象絕不是反對疫苗或其價值的論據；這只是一個需要考慮的後果，一個可以避免的後果。**通過思考病原體羣體對疫苗的反應，科學家可以在疫苗出現之前做出調整。他們甚至可以設計出降低病原體危險性的疫苗。

2017年3月，裏德和他在賓夕法尼亞州立大學的同事大衞·肯尼迪（David Kennedy）在《英國皇家學會學報B》上發表了一篇論文，概述了疫苗開發人員可以使用的幾種策略，以確保未來的疫苗不會受到進化力量的衝擊。

其中最重要的建議是，疫苗應該引起針對多個目標的免疫反應。許多成功的、似乎可以抵抗進化的疫苗已經這樣工作了：例如，人們接種破傷風疫苗後，他們的血液中會含有100種獨特的抗體，它們以不同方式對抗細菌。在這種情況下，病原體積累生存所需的所有變異將變得更加困難。如果疫苗針對某一特定病原體的所有已知亞羣，而不僅僅是最常見或最危險的亞羣，也會有所幫助。

例如，波士頓兒童醫院的理查德·馬利（Richard Malley）和其他研究人員正在嘗試開發一種非血清型特異性的通用肺炎球菌疫苗。

疫苗還應抑制病原體在接種過的宿主體內複製傳播。其中一個原因就是疫苗抗性不如抗生素耐藥性問題嚴重。裏德和肯尼迪認為，抗生素往往是感染後注射的——此時人體內病原體數量龐大，種類繁多，可能已經包括突變體，可以抵禦抗生素的影響。但大多數疫苗是在病毒感染前接種的，它可以抑制病毒複製，從而扼殺病毒的進化。

但目前最關鍵的還是要讓疫苗科學家們認識到進化生物學與他們的研究領域的相關性。裏德認為，他們不敢談論和關注疫苗引發的病毒進化，是因為他們擔心這樣做可能引起更大的恐懼，使公眾對疫苗失去信任——儘管我們的目標是確保疫苗長期有效。

不過，他和肯尼迪認為，研究人員已經開始認識到，有必要在談話中提到病毒進化。肯尼迪説：“我認為科學界正日益認識到，疫苗耐藥性是一個真正的風險。”

“我也這麼認為，”裏德表示同意，“但還有很長的路要走。”