【疫苗簡史】為啥新冠疫苗不到1年就研究成功了，HIV疫苗等了快40年咋還搞不成_風聞

作者 | 王新宇

轉載自公眾號“華山感染”

#01

足足等了40年的HIV疫苗

1981 年，艾滋病才首次出現在公眾視線中。最初的病例是一羣注射吸毒者和男同性戀者，他們沒有已知的免疫受損原因，他們表現出肺孢子菌肺炎的症狀，這是一種罕見的機會性感染，已知會發生在人類身上 免疫系統非常受損。

在1983到1984年間，造成艾滋病的“幕後黑手”——人類免疫缺陷病毒（HIV）被發現。當時，所有人都自然而然地認為研究界一定能研發出用於預防艾滋病的疫苗。 

1984年4月23日，在一場著名的新聞發佈會上，當時的美國衞生與公共服務部部長瑪格麗特·赫克勒(Margaret Heckler)宣佈艾滋病是由HIV引起的，並預測兩年後將會有一種疫苗問世。然而轉眼時間已經過去了37年，有效的HIV疫苗卻還是遲遲沒有出現。

1984年美國衞生與公共服務部部長首款HIV疫苗預測2年內可以問世，但事實遠遠超出了想象

艾滋病被發現的近 40 年間，全球每年都有許多人飽受其苦，甚至因此丟到性命。據聯合國聯合國艾滋病規劃署統計，僅在 2018 年，全球就有 3790 萬人感染了 HIV，感染者大部分生活在非洲、南美洲和東南亞等地；此外還有 7.7 萬人死於艾滋病相關疾病。與此同時，對抗艾滋病的相關研究也取得了不少進展，特別是治療性藥物研發，如抗逆轉錄病毒療法（即“雞尾酒療法”）。目前來説，艾滋病已經成為一種可防可治的“慢性病”，然而，作為一種有明確病原體感染導致的傳染病，用於預防感染的 HIV 疫苗卻遲遲沒有獲得突破。

而2020年初才開始在全球流行的新冠病毒，不到1年的時間內已經研製出數十款疫苗，並且迅速在全球各國鋪開接種。新冠疫苗的研發和部署的速度之快，與HIV疫苗形成了鮮明對比。

#02

HIV何以頻頻成為疫苗研發的滑鐵盧

我們知道，一款有效的疫苗可以誘導機體產生中和抗體。所謂中和抗體，是抗體裏有特殊能力的抗體，它們能阻斷病毒的感染。也就是説，中和抗體能使病毒失去感染能力，中和抗體是抗體裏最有用、最具有抗病毒活性的部分。

有些病毒很容易被抗體中和，一輩子只會感染一次或者成年人就不易感了，它們的疫苗因此就非常高效，比如麻疹病毒和乙肝病毒。人類被新冠病毒感染後，每個感染者也都能產生一定水平的抗體，並且研究發現，多數感染者可以產生高滴度的中和抗體。

但HIV卻似乎是一種完全不一樣的病原體。

HIV 帶來的挑戰之一是感染會導致原病毒基因組穩定整合到宿主染色體中。也就是説一旦HIV進入人體，就怎麼也趕不走它。

現有的許多疫苗（包括新冠疫苗在內）也並不能100%完全預防感染，但它們能夠最大程度地限制病毒的複製，以及防止感染後造成的機體損傷和臨牀症狀。

但是，這個策略對於HIV疫苗則不行，要想一種疫苗對HIV有效，可能需要在病毒一進入人體時，機體便要有保護性，可以拒敵於門外，而不僅僅是限制病毒的複製。因為一旦進入細胞，逆轉錄病毒的特性使其整合入宿主的染色體，從此再也不能分離。

其次，HIV作為一種逆轉錄病毒，帶有的逆轉錄酶極易出錯，導致HIV 表現出極端的遺傳多樣性。我們知道由於流行的流感病毒株的季節性變化，每個季節都需要重新接種季節性流感病毒疫苗。然而，HIV在單個感染者體內的變異造成的病毒多樣性比流感病毒整個季節的全球流感變異造成的多樣性都要強。

儘管新冠病毒目前也在不斷地變異，但變異速度以及造成的病毒多樣性和HIV相比同樣不是一個數量級的。這種多樣性造成了對免疫系統的挑戰，因為免疫逃逸突變的快速進化對體液和細胞免疫反應都是一個問題。

還有一個挑戰是包膜蛋白的糖基化。冠狀病毒和皰疹病毒等包膜病毒在其表面編碼出了一種能幫助它們侵入細胞的結構。這種結構被稱為“糖蛋白”，這意味着它是由糖和蛋白質組成的。

HIV病毒包膜表面蓋有密密麻麻的糖蛋白（gp）

然而和HIV比起來，冠狀病毒的糖基化程度只能算是小弟弟。HIV的包膜蛋白是所有22科病毒中含糖量最高的蛋白質——糖的質量超過了病毒總質量的一半。這些病毒表面的糖蛋白和我們之前提到過的細菌多糖結合疫苗恰恰相反，是沒有免疫原性的。

包膜蛋白卻是體液免疫反應的主要目標，而當其被嚴重糖基化後，中和抗體所針對的病毒表面相對保守的區域，例如病毒進入所需的 CD4 結合位點（CD4bs），變得不再容易接近。

HIV感染人體的CD4+細胞，病毒包膜和CD4結合的位點（CD4bs）也是中和抗體結合的位點

因此，有效的中和抗體不僅難以產生，而且導致可能需要多年才能誘導機體產生抗體，並且也只能在少數個體中產生。

通俗點説，HIV可以用糖作為盾牌來保護自己不被感染宿主試圖製造的抗體識別出來。

#03

一部屢戰屢敗的奮鬥史

基於上述原因，雖然從上世紀末開始就有各種不同技術路線的HIV疫苗進行了臨牀前和臨牀的研究，有病毒載體疫苗（腺病毒、痘病毒），有DNA核酸疫苗，也有蛋白亞單位疫苗的，但其中有四五個試驗早早宣告失敗，剩下幾個屈指可數的研究，一直持續到近兩年，最終同樣也是尷尬收場。

我們一起來看一下。

1998 年，VaxGen 發起的第一次大規模的艾滋病疫苗試驗，2003 年試驗結果表明疫苗無效，研究宣告失敗。

2007 年的 “STEP”（HVTN 502）研究發現，接種HIV 疫苗後，反而可能增加免疫細胞被 HIV 感染的風險

2009 年啓動的“HVTN 505”研究，因為實驗性疫苗既不能阻止 HIV 傳播，又無法降低病毒載量，於 2017 年宣告失敗。

2014年美國NIH在泰國進行RV144疫苗的3期臨牀試驗可以説是到目前為止結果最為理想的。

RV144疫苗採取的是兩種疫苗組合先後接種的策略

RV144疫苗為了提高疫苗的保護效果，使用了不同疫苗的聯合免疫策略，以希望能夠同時激發體液免疫和細胞免疫。疫苗全程一共接種四針，第一和第二針是病毒載體疫苗，金絲雀痘病毒載體搭載HIV的env、gag和pol基因，第三和第四針加強免疫使用的是蛋白亞單位疫苗，B亞型和AE亞型的gp120（env的大亞基）。

疫苗的初期結果非常理想，短時間內感染 HIV 的可能性比接種安慰劑的人低了約 60%。但這種預防效果在到三年半的研究結束時，優勢降低到了可憐的 31%，這款疫苗也最終未被建議推廣。

RV144是有史以來最大規模的HIV疫苗臨牀試驗，設計非常嚴謹，但結果卻不盡如人意

儘管保護效果不盡如人意，但RV144為代表的該類疫苗卻是目前開發的HIV疫苗中唯一在人羣中證明可產生一定免疫保護效果的疫苗。這為研究人員認識HIV疫苗保護性免疫和疫苗的進一步研發提供了寶貴的經驗。

事後的分析發現，之所以效果不佳，是因為該疫苗並沒有在接種者體內誘導出廣譜的中和抗體，只有窄譜的非中和抗體。

我們知道HIV全球主流的亞型就有將近十個，每個亞型之下又有數不清的準種。為了評價抗體的耐突變能力，科學界從不同亞型裏選擇了一兩百個準種作為代表，分別評估抗體能中和其中的多少個。如果中和抗體能夠中和的準種越多，説明抗體越不容易被突變逃逸，也就是抗體越廣譜。

在新冠疫苗中，我們會評價不同疫苗對於新冠新的變異株是否有效，也是類似的道理。

繼RV144後，科學家們又進行了HVTN 702試驗，可以説是RV144的改良版方案。

HVTN 702同樣由兩種實驗疫苗組成：基於金絲雀痘病毒載體的疫苗“ALVAC-HIV”；帶有佐劑的兩組分 gp120 蛋白亞基疫苗，可增強人體對該疫苗的免疫反應。

由於這次的研究是在南非進行，HVTN 702 針對南非流行的 HIV 病毒亞型進行了適應性改變。研究人員希望，改良後的 HVTN 702 能提供比 RV144 更有效、更持久的保護。

在大規模試驗中，每名參與者一年接種 5 次，隨機分配接種疫苗或安慰劑。項目共招募 5407 名受試志願者，2694 人接種了疫苗，2689 人接種安慰劑。該試驗原本應持續到 2022 年 7 月。

令人扼腕嘆息的是，還沒有到試驗結束，在 2020 年 1 月的中期數據分析就顯示，129 名疫苗接種者感染 HIV，123 名安慰劑接種者感染 HIV，從賬面上來看，接種組還不如安慰劑組，該項目不得不被提前終止。

接二連三的失敗極大地打擊了企業投資HIV疫苗研發的熱情，以至於新的HIV疫苗臨牀試驗變得越來越小心謹慎。可以説傳統、常規的思維在HIV疫苗上都失敗了。這些失敗也告訴科學界，單純看重疫苗形式是不夠的，必須換換腦筋。

#04

逆向思維或許能帶來希望

這時科學家們想起了逆向疫苗工程學的思路。

説起HIV疫苗的逆向工程，我們還得説回廣譜中和抗體。在本世紀初，分離人源單克隆抗體的技術方法發展成熟後，一大批HIV廣譜的中和抗體得以發現。

其中最有名的要數華裔科學家伍雪玲博士發現的單克隆抗體VRC01。2010年伍雪玲博士利用設計出的RCS3蛋白來模擬HIV env上的CD4 結合位點（CD4bs）表位的構象，以此為流式染色的“釣餌”，分選出了VRC01，廣譜度達到了前所未有的87%。

通過流式細胞技術“釣魚”釣到的VRC01

既然之前疫苗失敗的原因被歸咎於沒能誘導廣譜中和抗體，現在科學家們看到既然廣譜中和抗體是真實存在的，那如果能通過疫苗在人體身上誘導出廣譜中和抗體，HIV疫苗是不是就能獲得突破呢？為此科學家們又展開了新的研究。

也就是説，所謂的逆向疫苗工程是先有了抗體，然後來研究如何找到可以產生該抗體的抗原。

來自美國加州斯克里普斯研究所William Schief課題組利用逆向工程交出的答案是一種稱為靶向VRC01-胚系基因幼稚B細胞的蛋白疫苗，也就是eOD-GT8 60mer。

這個名字本身就太複雜，我們嘗試給大家説明清楚。

VRC01我們上面提過，是一種針對HIV的廣譜的中和抗體。

但為什麼要靶向針對胚系幼稚B細胞呢？是因為要誘導人體的體細胞產生VRC01這種廣譜中和抗體太難了。

學過免疫學的同學們一定熟悉澳大利亞免疫學家F.M.伯內特於1957年提出的抗體形成理論。

伯內特提出的抗體形成理論已經成為現代免疫學的基石

他認為抗體結構的多樣性由體細胞突變產生，已分化的免疫活性細胞只限於表達一種特異性，這一特異性以克隆擴增的形式在體內得以保存，在抗原激發下，成熟的免疫活性細胞增殖並轉化為漿細胞而大量產生某一種抗體。

澳大利亞病毒學家、免疫學家伯內特教授是一位十分高產的科學家，早期成功將流感病毒接種在受精雞胚尿囊膜中，為流感疫苗大規模生產奠定基礎。後期轉向免疫學的研究，因為提出的抗體形成理論獲得1960年諾貝爾獎

伯內特正是因為該理論獲得了1960年的諾貝爾生理學-醫學獎。

然而，要體細胞突變產生VRC01抗體實在有點困難，因為需要太高的突變率，而體細胞突變率直接對應着抗體的成熟時間。

比如新冠病毒產生強中和抗體，體細胞突變率一般不會超過5%，對應產生抗體的時間不超過2周。而如果針對HIV產生廣譜的中和抗體，體細胞突變率高達20-30%，對應的時間大概就是1-2年，這麼長的時間是等不起的。

那怎麼辦呢，只能往上游想辦法，也就是説趕在在體細胞還沒有分化成為體細胞前，幼稚B細胞如果就遇到了原始的抗原，那其產生的抗體就一樣有用，並且能夠足夠廣譜。

胚系幼稚B細胞為何比體細胞產生廣譜抗體更為高效

為此Schief團隊首先預測了產生VRC01抗體的胚系基因未突變的序列，然後通過結構模擬和酵母庫表面展示的方法，篩選出了eOD-GT6的序列，對應的蛋白包含有CD4bs的完整表位。得到了序列，便可以合成eOD-GT6。

再將eOD-GT6展示在細菌蛋白LS的表面，形成60聚體納米顆粒，便能夠有效地激活VRC01胚系B細胞。之所以要合成60聚體，是因為多聚體納米顆粒可以病毒表面蛋白的密集分佈，而這樣更有利於激活B細胞。

疫苗名稱的後綴60mer也就是60聚體的意思。

eOD-GT8 60聚體的模擬結構圖

體外研究證明，60聚體的eOD-GT6可以強力地結合VRC01抗體的未突變形式，或者説是幼稚B細胞的形式。

2015年，eOD-GT6 60mer升級至eOD-GT8 60mer，開始嘗試將其接種給轉基因小鼠，這種小鼠帶有人類VH1-2重鏈基因。這些小鼠在接種疫苗後，確實產生了大量VRC01同一譜系的抗體。

2016年，Schief課題組發現，使用eOD-GT8作為流式分選的“釣餌”真的可以富集健康人外周血裏的VH1-2基因B細胞。

到此，eOD-GT8完成了臨牀試驗前的基本論證過程，下一步就看作為疫苗，它到底能不能在人體內激活這些幼稚B細胞然後把它們引導產生我們需要的廣譜中和抗體VRC01了。

#05

姍姍來遲試驗結果帶來的一絲曙光

2018年，eOD-GT8 60mer終於啓動了1期臨牀試驗。試驗的主導者是公益組織國際艾滋病疫苗倡議協會(IAVI)。

這個1期臨牀試驗經歷了漫長的2年多時間，終於在2021年初的HIV學術年會上，公佈了1期臨牀初步結果，97%的受試者產生了VRC01譜系的B細胞。

eOD-GT8 60mer的這個97%，還是有點含金量的，因為並不是產生普通的抗體，而是可以特異產生VRC01-class的抗體，也就是眾人期待已久的廣譜中和抗體的B細胞。

William Schief博士在一份聲明中説：“我們證明了可以設計疫苗來刺激具有特定特性的稀有免疫細胞，這種針對性的刺激對人類可能非常有效。我們認為，這種方法將是製造HIV疫苗的關鍵，並且可能對於製造針對其他病原體的疫苗很重要。”

William Schief是eOD-GT8 60mer研發項目的主要領導人

上述提到的eOD-GT8 60mer只是正在研發過程中的HIV疫苗項目中比較有希望的一個而已。並且，距離真正的成功，還只是邁出了第一步，未來還有太多的不確定因素。

科學家們擔心由於HIV非常容易發生逃逸，因此一種廣譜中和抗體可能還不夠，如果能有幾種抗體聯用，或許就不容易發生逃逸。因此，單有一個eOD-GT8 60mer還不夠，還需要多種胚系基因靶向的疫苗混合聯用。

這或許才是HIV疫苗的未來。

#06

HIV疫苗的重重艱難造就了新冠疫苗的一鳴驚人

與稀少的研發成果形成鮮明對比的，是多年來在該領域的巨大投入。根據一項研究，從2000年到2015年，188個國家在艾滋病毒/艾滋病方面的衞生支出總額超過5620億美元。

根據《2018 年艾滋病預防研究與發展投資報告》的數據顯示，2018 年全球各類機構在艾滋病預防研究中投資 11.4 億美元，其中預防性疫苗研發投資佔 74%。從 2006 年至今，全球每年在 HIV 疫苗研發的投資都不低於 8 億美元。

因此，當看到新冠疫苗以前所未有的速度在全球廣泛接種時，我們不由還是想到了HIV。為什麼我們現在已有幾種有效的新冠病毒疫苗，卻沒有針對HIV的疫苗呢？

通過上面的介紹，我們瞭解到開發艾滋病毒疫苗的科學挑戰比開發新冠病毒疫苗要大得多。HIV的快速突變和逃避自然免疫的能力使它成為有史以來最複雜的病毒靶標。

雖然，HIV疫苗尚沒有研發成功，但是人類在研發HIV疫苗時積累的科學技術為人類應對新冠疫情時快速開發如基因重組的亞單位蛋白疫苗、mRNA疫苗和病毒載體疫苗打下了紮實的基礎。

可以説，這些疫苗並不是一夜之間從天上掉下來的或從地底下冒出來的，很多都是和以往20-30年HIV疫苗研發中的經驗和技術密不可分。新冠疫苗的研發藉助了HIV疫苗試驗網絡所創建的臨牀、實驗室和生物統計學基礎設施。

反過來看，如果真有一天開發出了一種有效的HIV疫苗，全球當前關於新冠疫苗的大規模接種經驗也有助於HIV疫苗的推廣和部署。

對於HIV疫苗的研究，我們雖然已經看到了曙光，但遠還沒到可以慶功的時候。 

參考文獻

Bruce D. Walker (2016) AIDS Vaccines in: The Vaccine Book. Academic Press, London. UK

Marc P. Girard and Wayne C. Koff（2018）Human Immunodeficiency Virus Vaccines In:Plotkin’s Vaccines (7th ed) Elsevier， PA. USA

https://en.wikipedia.org/wiki/HIV_vaccine_development