【疫苗簡史】新冠病毒變異導致疫苗失效怎麼辦？流感疫苗的經驗值得借鑑_風聞

作者 | 王新宇

轉載自公眾號“華山感染”

自從2020年下半年以來，就已經有多種新冠變異病毒開始在全世界流行。目前看來，對於其中某些變異病毒，現有新冠疫苗的有效性受到一定影響，有所降低。比如最早在南非發現的B.1.351突變株。這種病毒在刺突蛋白（S）的受體結合區域出現了幾個關鍵突變，顯著改變了自己的“外觀”，從而使病毒逃逸了人體免疫系統的識別。

近期發表的數據表明，英國牛津大學和阿斯利康公司合作開發的腺病毒載體疫苗對南非突變株B.1.351的預防能力從接近80%驟降到10%。Novavax公司開發的重組蛋白疫苗，對南非突變株的保護作用從原本的90%下降到了50%。

那如果新冠疫苗繼續變異，使得現有疫苗都不再具有保護作用了，我們該如何應對？其實早在70多年前，科學家們早已經面對同樣的難題，只不過主角不是新冠，而是流感病毒。今天我們就一起來了解下人類是怎麼對待這個難題的？

流感的前病毒時代

在古代文明中很可能就已經存在流行性感冒，這可能是由於早期人類與馴養的動物宿主近距離接觸所致。隨着城市化進程的發展，從16世紀到19世紀，與流感的典型臨牀描述相一致的急性呼吸道疾病流行變得越來越頻繁。

流感在整個歷史上除了表現為反覆頻繁的季節性流感之外，還會以大流行形式定期肆虐人間。儘管流感大流行很可能在20世紀之前發生，但由於它們的發生早於現代微生物學和免疫學時代，因此這些報告的科學數據很少。 

1889-90年的“俄羅斯流感”流行遍及了整個歐洲

1889年至1890年的流感大流行已經很嚴重，流行病史學家認為可能預示了1918年的大流行。1918年的流感大流行正巧發生在第一次世界大戰這一背景下，導致了人類歷史上前所未有的流行病傳播速度和破壞規模的發生。在不到一年的時間裏，全球有超過5000萬人死於流感。

1918年的西班牙大流感是歷史上感染人數最多，病死人數最多的一次流感大流行

儘管存在爭議，但二十世紀初期的一個普遍假設是，流感是由細菌引起的。1892年，德國細菌學家理查德·菲佛（Richard Pfeiffer）在羅伯特·科赫（Robert Koch）的引領下，從感染患者的鼻腔分泌物中分離出一種細菌，並且以其名字命名為菲佛桿菌。由於當時科赫在學術圈的地位至高無上，所以此後數十年裏，這種細菌一直被多數人公認為是引起人類流感的病原體。

理查德·菲佛曾以為自己發現了導致流感的病原體

當然，一直也會有不同的聲音出現，一些科學家發現在很多流感死亡者的體內並不能分離培養到菲佛桿菌，但這些反對者也始終不能説清楚到底是什麼引起了流感。

分離鑑定流感病毒

一直到1931年，1918年大流行發生後的13年，美國的病毒學家理查德·肖普（Richard Shope）（1901-1966年）從哺乳動物宿主中分離到了流感病毒。這份病毒取材於肖普1928年在愛荷華州調查豬霍亂流行時從豬體內獲得的一份標本。肖普在普林斯頓的實驗室中，通過向鼻內滴入呼吸道分泌物（分離自有或沒有感染豬的肺和淋巴結組織的懸浮液）在健康豬中誘發了豬流感的臨牀綜合徵。研究進一步還證明了病原體可以在動物連續傳代過程中維持。

肖普發現流感的病原體時，西班牙流感已經發生13年

1933年，英國國家醫學研究所的克里斯托弗·安德魯斯、威爾遜·史密斯和帕特里克·萊德勞報道了使用肖普的方法從人類感染者的喉嚨沖洗液中分離出一種病毒。緊隨英國科學家的發現，來自其他多個大洲的研究人員也得出了證實性的結果。

在對於流感病毒有了基本認識的基礎上，實驗室病毒培養技術的發展為開發針對流感病毒的疫苗鋪平了道路。在1930年代初，古德帕斯丘報告在雞胚的絨毛膜囊中成功培養了雞痘病毒和牛痘病毒。

澳大利亞醫師弗蘭克·麥克法蘭·伯內特（Sir Frank Macfarlane Burnet）曾在英國國家醫學研究所的安德魯斯實驗室工作，回到墨爾本的實驗室後，伯內特開始研究流行性感冒，並於1940年成功地在雞胚的尿絨毛膜囊中培養出了甲型流感病毒。在雞胚中培養流感病毒有助於對其生物學進行研究，並使其有可能產生大量病毒以用於診斷分析和疫苗的開發。

澳大利亞的伯內特首先在雞胚中成功培養流感病毒

接種了天花病毒的雞胚尿絨毛囊膜腔

如果伯內特僅憑他在微生物學上的發現，他的職業生涯就足以令人羨慕。他為理解噬菌體和微生物遺傳學、動物病毒、實驗室微生物學、Q熱以及流感病毒都做出了重要貢獻。然而，在57歲時，他做出了一個重要的決定，將工作重點完全轉移到免疫學上，這種先見之明的策略，導致他提出了克隆選擇理論來正確解釋抗體的多樣性，並轉向他因發現免疫耐受現象。為此伯內特於1960年與彼得·梅達瓦爾（Peter Medawar）分享了當年的諾貝爾生理學或醫學獎。

對於流感病毒的深入認識

隨着人類流感病毒病因學的深入研究，一系列關於流感的重要發現將對後世產生重要影響。

洛克菲勒研究所的托馬斯·弗朗西斯（Thomas Francis Jr）研發了血清中和抗體的檢測及其在動物中作為診斷性測定和保護性標記物的用途；並且鑑定到與1933年分離到的流感抗原性不同的乙型流感病毒，而將1933年分離到的就被稱之為甲型流感病毒。

法朗西斯研發了血清中和抗體檢測，鑑定分離了乙型流感

喬治·赫斯特（George Hirst）認識到流感病毒會誘導紅細胞凝集，這一發現導致了科學家對流感病毒表面蛋白血凝素（H）和神經氨酸酶（N）的認識，而兩種蛋白為此後在體外和體內研究流感病毒提供了可檢測的標記物，從而使人們更全面地瞭解了病原體的生物學行為。

赫斯特首先發現了流感病毒會誘導紅細胞凝集的現象

紅細胞凝集試驗可以快速對流感病毒進行表型鑑定

流感病毒的結構示意圖，可以看到表面分佈了兩種糖蛋白結構，分別是神經氨酸酶（N）和血凝素（H）

事實證明，識別流感病毒的抗原變異現象是一項重大進展，因為它闡明瞭流行為何會反覆發生，並且也成為大流行發生的生物學基礎，同時也對此後疫苗的開發提供了重要提示。

兩種病毒表面蛋白的遺傳突變是抗原漂移和抗原轉換現象的基礎。

抗原漂移是指，編碼H和N糖蛋白的基因內的點突變會隨時間累積，從而使病毒與以前的病毒株發生足夠的差異，從而逃避了人類免疫系統的保護性保護。這些相對較小的差異導致了季節性流感的不定期流行。

抗原轉換的過程涉及表面糖蛋白的主要遺傳變異，這是由於禽類和人類病毒之間的重配或動物流感病毒直接轉移給人類而導致的基因片段的替換所致。抗原轉換導致從免疫識別的層面上其實是產生了一種新型病毒，並有可能導致大流行性疾病。

抗原轉換（左）和抗原漂移（右）的比較可以發現抗原轉換完全是基因重組，而漂移只是小突變

滅活流感疫苗初戰告捷

在1941年12月珍珠港事件促使美國正式參戰之前，軍事人員就已經擔心大流行性流感可能會隨着戰爭中涉及的大規模部隊調動一起重新出現。畢竟，1918年的最新災難性全球暴發與戰爭密不可分。美國於1941年成立了專門的科學諮詢機構來應對這種疾病-陸軍流感和其他流行病調查與控制委員會。

第一屆陸軍流感和其他流行病調查與控制委員會成員合影其中包含多名研究流感和肺炎的著名科學家和醫生

流感委員會是1941年成立的這個委員會的分支，其首任主任是托馬斯·弗朗西斯（Thomas Francis Jr.）（1900-1969）。法蘭西斯就是之前我們提到的那位先前在洛克菲勒研究所分離到乙型流感病毒，還發現了抗原性不同的流感亞型，並進行了早期疫苗工作的科學家。在他的領導下，流感委員會主要目標就是開發篩選出流感的保護性疫苗。

1940年代初的研究已經發現福爾馬林滅活的流感疫苗不僅顯示出免疫原性，而且還顯示出比對照組明顯更高的局部和全身反應率。但是尚未進行大規模的臨牀研究。

1943年10月，在康奈爾大學陸軍學生訓練計劃的人員和全國其他軍事機構的人員中進行了一項疫苗保護力的研究。碰巧的是，該項研究開始時也正好伴隨着那個冬季大規模流感暴發。因此，委員會建議軍隊中進行大規模疫苗接種。在12474名受試者中，一半接種了滅活的二價甲型和乙型流感病毒疫苗，其有效性約為69％。

在接種疫苗的人羣中有140例流感感染病例。這些病例的原因似乎是多因素的，其中包括在某些接種疫苗的受試者中血清反應較低，以及在某些地區相對於流感的早期出現而言，疫苗接種晚了。總體而言疫苗耐受良好。

在接下來的18個月中，對二價滅活流感疫苗進行了各種技術改造，最終在1945年末開始在美國陸軍內部進行大規模接種免疫。由於研究過程中沒有出現乙型流感的流行，因此沒有能夠評估乙型流感的發病率。在此期間，觀察到該疫苗可保護經過免疫的陸軍人員，但不能保護未接種疫苗的海軍人員。

流感病毒變異初現

到1940年代後期，具有不同生物學和免疫學行為的甲型流感病毒變種正變得越來越多見，最初被稱為“ A-prime”，可以理解為加強版的甲型流感病毒。

隨着對流感知識的積累以及伴隨着20世紀中葉現代病毒學的逐漸成熟，科學家們逐漸明確“A-prime”變異株其實就是1918年流感病毒株的抗原漂移變體。H1N1亞型名稱用於描述其表面糖蛋白的特定抗原構型。根據回顧性血清學分型，科學家認識造成1918年流感全球大流行的具有H1N1構型。

1918年大流行的之所以產生了如此大的傷害，根本原因也逐漸揭開了面紗：當時，該病毒代表一種新型的流感抗原形式，和之前流行的病毒相比已經出現了了抗原轉換，並且由於全球的人類對於該病毒都沒有暴露過，因此病毒高度易感感染。 

從圖可以看到流感的宿主多種多樣，而不斷進行重組就可能產生新的病毒株，有的高致病，有的高傳染，最恐怖的就是兩者兼有

1946年至1947年暴發的甲型流感變異株感染也是由H1N1型病毒引起的，但卻是與原代病毒株在抗原上不同的變體，使得免疫只能提供部分的識別——雖然這足以產生交叉保護作用來避免大流行，但卻使得疫苗接種無效。

每次大流行都與變異相關

1957年以新出現的“亞洲流感”為標誌，這種流行病可能起源於中國西南部，並迅速傳播到整個亞洲，並在3個月內到達北美。這是與現代實驗室技術進行病毒學分析相結合的第一個流感大流行，並顯示是由H2N2亞型病毒引起的，這是自1889年至1890年大流行以來尚未在人類中出現流行傳播的抗原變異體。

1957年美國紐約州的一份當地報紙頭版，可以看到流感流行已經促使公眾開始接種疫苗

由於該病毒再次是抗原轉換的結果，因此人羣的免疫力很低，那些曾經從之前幾次流行中倖存下來的人羣也是如此。因此，發病率和死亡率都很高。

1968年的“香港流感”大流行也遇到了類似的情況，這是由於存在一種新型的H3N2亞型。但由於1957年株的神經氨酸酶抗原（N2）型的持續存在，使得人羣中存在一定程度的部分免疫。

流感病毒基因組及其伴隨的抗原漂移的變異性，使得每年必須重新評估和重新制定流感疫苗，以大概預測下一個流行季會流行的病毒抗原。

1972年，雖然當年的流感疫苗採用了1968年的H3N2“香港流感”株來製造疫苗，然而由於病毒看似不嚴重的變異依舊引起了疾病的暴發。這不得不讓人們認識到，即使包含相似亞型異源病毒株的滅活疫苗，依舊可能會使得疫苗的有效性大打折扣。

在一項具有一定療效的對照試驗中也證明了這一點，如果發生變異，疫苗與病毒不匹配，其效果可能與安慰劑無差異，與匹配良好的疫苗產生的86％保護力水平會有顯着差異。

甲流變種的出現損害了滅活疫苗的有效性。儘管科學家們一開始對流感病毒株之間的這種變異或抗原漂移尚不完全瞭解，但在接下來的二十年中堅持不懈地研究，逐漸使人們理解了這種變異的原理和意義，並導致疫苗配方的改變，以優化疫苗抗原與當前正在流行的流感病毒之間的相關性，最終使得疫苗效力再次提高。

滅活流感疫苗的致命弱點

自1997年以來在亞洲流行的新型禽流感變種和自2009年初以來在全球人類中傳播的新型H1N1病毒再次引起了全世界的擔憂。

在1940年代中期推出的滅活疫苗仍然是季節性流行性流感預防的主要手段。流感疫苗在很大程度上只能提供對與疫苗製劑中所包括的病毒株或與同源亞型的病毒株緊密匹配的病毒株的充分保護。但是，每當出現新的變種，流感疫苗就也必須隨之需要改進，以提供增強的保護以抵抗包括大流行性流感在內的各種流感病毒株。

滅活疫苗的致命弱點仍然是對變種或漂移病毒株的保護作用不一致。對此，科學家們已經採取了各種措施來提高抗原性的水平和廣度。

此外，由於疫苗涉及到雞蛋有關的生產問題，因此滅活疫苗不被視為快速，有效地大規模應對可能構成大流行威脅的潛在新型病毒的靈活平台。

如何增強流感疫苗的保護效能

為了使現有的滅活疫苗在不斷變異的流感病毒面前依然有效，全球的科學家和傳染病專家不得不利用現有技術來嘗試改進疫苗。

1. 流感監測網絡：全球範圍內的流感監測系統為早期發現新的流感病毒株可能會提供機會，並根據這些新出現的潛在威脅來配製疫苗。

2.添加佐劑增強免疫反應：1940年代中期，喬納斯·索爾克（Jonas Salk）開始使用佐劑來提高免疫學性能。他在與脊髓灰質炎具有里程碑意義的工作之前的幾年中，繼續進行了這一研究，證明了這些免疫增強劑對疫苗接種後抗體滴度的大小和持續時間以及對異源病毒株的體液免疫廣度的有利影響。

3.包含重組病毒，提高免疫原性：在當前的滅活疫苗中使用包含人類野生型，當代流感分離株的基因重組的高配，實驗室操作株的重組病毒，可以提高免疫原性。

4.使用裂解技術，充分釋放抗原：現代滅活疫苗中的病毒株通常在純化後用有機溶劑或去污劑處理，以釋放表面糖蛋白。這些裂解疫苗的不良反應發生較低，尤其是在兒童中。但也有研究表明，在從未接種流感疫苗的受試者中，其免疫原性卻比全病毒滅活疫苗要低。

目前我國生產的流感滅活疫苗均為裂解疫苗

5.嘗試亞單位疫苗技術：當前的亞單位疫苗由富集的H和N抗原組成，同樣，比滅活疫苗的不良反應會更少一些。通常，裂解或亞單位疫苗對具有相似抗原特性的病毒具有60-90％的保護性。

回過頭，再試試減毒活疫苗

雖然在技術上進行了改進，但無法改變的是滅活的流感疫苗誘導粘膜和細胞介導的免疫相對較弱，並且由於它們對漂變變體的交叉保護不可靠，因此必須每年重新配製疫苗以提供的最佳保護，而人類也必須每年接種流感疫苗，以保證體內的抗體滴度，以及能夠對最新流行的流感病毒株產生免疫力。

從早期開始，研究人員就開始傾向於使用活病毒可能產生廣泛的免疫力。伯內特早在1940年代初成功將流感病毒在雞胚尿囊膜傳代後，就提出了一種減毒活疫苗方法，但是由於流感委員會支持下開發的滅活疫苗的出現，他就放棄了這一策略。

由於無法開發出可靠，有效的減毒方法，導致對流感病毒減毒活疫苗的研究速度減緩了數年之久。可以被當做疫苗的穩定減毒活病毒必須能夠感染呼吸道並刺激細胞和體液免疫又不會引起人類疾病。

經過各種減毒方法的實驗後，證明冷適應株是最佳的方法。甲型和乙型流感病毒在25°C下在組織培養和卵中的連續傳代會在病毒基因中引入點突變，從而導致冷適應。對温度敏感的減毒病毒株，然後在實驗室中將其與預計在特定季節會在社區人羣中傳播的病毒株進行重組。這種減毒活疫苗以與自然流感感染相似的方式經鼻內給藥，可誘導細胞和體液免疫，包括粘膜反應，並已證明對兒童具有很高的保護效力。

另外，有證據表明，至少在兒童中，與滅活疫苗相比，它可能更可靠，更有效，並能以更大的程度上抵抗抗原性漂移變體。

期待更完美的流感疫苗

由於H1N1和H3N2甲型流感亞型的變體仍然是全世界流行性人類感染的主要原因，因此，目前的疫苗為包含這些基本基因型的代表，以及預計會在下一場流感季節中傳播的1種或2種乙型流感病毒共同組成。如果是2種甲流+2種乙流病毒株，便組成了四價流感疫苗，如果是2種甲流+1種乙流病毒株，便是三價流感疫苗。無論是四價還是三價流感疫苗，都是世界衞生組織推薦的流感疫苗品種。除非當年正好流行的是四價覆蓋而三價沒有覆蓋的乙型流感病毒株，否則兩種疫苗保護效果並沒有太大差別。

從中可以發現以滅活疫苗為代表的配製和生產過程是勞動密集型的，要耗費時間，並且這種預測伴隨着固有的風險水平；在過去的幾年中，疫苗與實際社區傳播的病毒不匹配，導致了流感發病率和死亡率的突然升高。減毒活疫苗也並未從實質性地改變上述基本過程，這使得當前可用的流感疫苗在保護大流行方面都不是最理想的平台。

因此，流感疫苗還不完美，歷史有待於後人的書寫。針對流感病毒的疫苗預防的新方法正在開發中，將創新的分子技術應用於流感病毒特徵性的抗原漂移和轉換問題，以避免需要每年重新配製疫苗。

流行性感冒的終極目標應該是開發一款通用的、交叉保護的疫苗，該疫苗可在大流行期間和大流行期間針對所有病毒株使用。由於流感病毒具有固有的變異性，因此這種疫苗可能必須基於保守的抗原，並且可能還需要通過使用佐劑或其他方法增強免疫反應而得到增強。

新冠疫苗同樣必須面對的難題

從流感疫苗開發的歷史，我們可以發現，針對善變的流感病毒，現有的技術平台有點應接不暇。新冠病毒正在不斷出現的變異病毒株也提示我們，人類不應該只滿足於現有的平台技術開發疫苗。必須多種技術開發路線齊頭並進，特別是尋找新的技術平台，以期望能夠克服現有疫苗的不足，做到“你變我也變，你快我更快”。

當然，超過半個世紀的流感疫苗開發歷史也告訴我們，找到一種新的成熟技術並不容易，但與流感不同的是，此次新冠病毒全球大流行得以讓全世界關注，相關領域最頂尖的科學家和風險資本都匯聚到疫苗的研發中來，各國政府也是鼎力支持，匯聚全人類之合力，相信在疫苗研製的征途中，一定會有新的突破，而帶來的好處或許不只是侷限在新冠疫苗，更有可能是整個疫苗產業的革新。

參考文獻

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http://en.wikipedia.org/wiki/Influenza_vaccine