姜世勃 Nature子刊:借鉴过去,关注新冠疫苗的未来

2020
10/29

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病毒学 / 生命科学前沿
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借鉴前人经验,能为新冠疫苗未来发展提供更多思路。

自2019年12月以来,新冠病毒(SARS-CoV-2)在全球迅速传播,给世界各地的公共卫生系统和全球经济带来巨大压力。因此,开发针对新冠病毒的疫苗和药物是当务之急。疫苗可以以相对较低的成本保护大量人群,因此是缓解COVID-19疫情的有力工具。复旦大学的姜世勃教授和苏珊博士与纽约血液中心的杜兰英研究员共同于10月16日在Nature Review Microbiology发文,通过回顾在开发呼吸道合胞病毒(RSV)、登革热病毒(DENV)、SARS-CoV和MERS-CoV疫苗的过程中所遇到的疫苗相关的疾病增强 (VADE)效应的实例,希望大家要借鉴过去,关注新冠疫苗的未来,为在研新冠疫苗的3期临床评估和紧急使用,以及下一代新型疫苗的设计和优化提供建议

新冠疫苗前所未有的发展速度令人鼓舞。目前,根据WHO的统计,156个新冠疫苗处于临床前研究,42个在临床试验中,其中10个已经进入3期临床实验。根据目前发表的数据来看,进入临床试验的疫苗具有较好的安全性,在动物攻毒实验中没有显示出抗体依赖性增强作用(ADE)。根据报道,所有这些疫苗都诱导了针对刺突(S)蛋白和受体结合结构域(RBD)的中和抗体(NAb)反应。一些报告显示,NAb的滴度与RBD特异性结合抗体的滴度密切相关,说明NAb主要是针对RBD的。最近,由于意外的不良反应,阿斯利康宣布暂停其ChAdOx1 nCoV-19疫苗在美国的III期临床试验。此外,俄罗斯最近批准了一种基于重组Ad26和重组Ad5载体的新冠疫苗,将用于俄罗斯民众。然而,疫苗的安全性和有效性仍然是III期临床试验和疫苗未来应用中的关键问题,尤其是疫苗接种者在病毒自然感染时可能发生的疫苗相关的免疫损伤

在上世纪60年代,科学家发现抗病毒血清可能导致动物的病毒感染异常增加。这种病毒感染可以通过与抗体-Fc受体(FcR)相关的内化增强来解释,称为“抗体依赖性增强”(ADE),这种现象随后在黄病毒科和其他病毒感染中得到了广泛报道。后来,更多的由抗体-FcR介导进而引起疾病加重的现象被报道。例如,补体激活和炎性细胞因子释放等过程都参与严重疾病的发生。ADE也发生在接受相应病毒攻毒后的免疫动物中。除了ADE,病毒诱导的基于2型辅助性T细胞(TH2细胞)的免疫病理反应也可能导致疾病加重。在此综述中,我们使用术语“疫苗相关的疾病增强(vaccine-associated disease enhancement, VADE)”来描述抗体依赖性和TH2细胞依赖性的疾病增强效应。

呼吸道合胞病毒(RSV)疫苗

RSV疫苗首先基于福尔马林灭活病毒(FI-RSV)开发。FI-RSV疫苗耐受性好,具有中等免疫原性。但是,在随后的自然RSV感染期间,FI-RSV疫苗表现出增强疾病的作用 [增强呼吸道疾病(ERD)]。在接受FI-RSV疫苗的20名婴儿中,有16名需要住院治疗,其中2名随后死亡,而对照组仅有1名需要住院治疗。FDA随后紧急叫停了所有相关实验。该试验三十年后,研究发现偏向TH2细胞的T细胞应答导致CD4 + T细胞和嗜酸性粒细胞的过度增殖而引起了此次事故。虽然目前我们仍然难以预测哪些抗原特征在VADE发生产生作用,但大量研究证明了抗原构象很重要,且偏向TH2细胞的免疫反应是有害的。所以,在动物模型或人体试验中诱导大量TH2细胞因子(如IL-5和IL-13)的抗原可能会导致VADE

登革热病毒(DENV)疫苗

研究人员通过在鼠脑中连续传代获得了减毒的DENV菌株,单一剂量减毒疫苗足以在接种疫苗的志愿者中诱导NAb。DENV有四种血清型(DENV1-DENV4),在抗原表位上有相当大的相似性(或保守性)。减毒疫苗诱导的NAbs不仅可以保护患者免受同源病毒感染,还可以与异源DENV发生交叉免疫反应。但是,后者的保护期短于3个月至2年。重要的是,受试者一旦被异源性DENV自然感染,而交叉特异性抗体又降至亚保护浓度时,则发生严重登革热症状的风险要比未免疫个体高。研究表明,交叉反应抗体结合异源DENV,从而促进病毒通过FcR进入靶细胞。除了进入增强外,非NAb或低浓度NAb可能与DENV颗粒形成复合物,然后通过FcR介导的免疫调节途径诱发炎症反应,进一步增加了严重登革热的风险。显然,不同血清型DENV的再感染导致了强烈的ADE。因此,登革热疫苗开发的重大挑战是诱导针对所有四种DENV血清型的NAb。2018年,FDA批准了四价登革热疫苗CYD-TDV用于预防由所有血清型引起的登革热。但是,该疫苗不能用于未感染过DENV的个人。

SARS-CoV和MERS-CoV疫苗

SARS-CoV-2和SARS-CoV的基因组具有79.6%的序列同一性,它们使用相同的受体--血管紧张素转换酶2(ACE2)。因此,关于SARS疫苗诱导的免疫反应的研究有助于评估新冠疫苗候选。在2003年,一种基于Ad5载体的、表达SARS-CoV S1蛋白,膜(M)蛋白和核衣壳(N)蛋白的疫苗在恒河猴中进行了测试。该疫苗诱导了SARS-CoV特异性T细胞和NAb反应。在攻毒实验中,Ad5-SARS-CoV-S导致病毒载量大幅降低,并预防了雪貂的严重肺炎的发生。表达SARS-CoV S蛋白的MVA载体在雪貂中也引起了快速强效的NAb反应。然而,在接种病毒后,雪貂肝脏中出现强烈的炎症反应。在SARS疫苗中也观察到了ADE现象--基于重组SARS-CoV S蛋白的SARS疫苗可保护仓鼠免受SARS-CoV感染。然而,S蛋白特异性抗体可以介导FcR依赖性进入B细胞(体外实验)。值得注意的是,S蛋白特异性抗体介导ADE现象主要是在体外实验中观察得到

与SARS-CoV和SARS-CoV-2一样,MERS-CoV同样属于Betacoronavirus属。该病毒是2012年在沙特阿拉伯首次发现的,其疫苗技术很多,包括亚单位疫苗,病毒载体疫苗、DNA疫苗,以及灭活或减毒活疫苗。它们中的许多可以诱导足够的免疫反应并保护接种的动物免于随后的MERS-CoV感染。但是,两项独立研究报告表明,接种灭活的MERS-CoV疫苗的小鼠再次遭受病毒攻击后TH2细胞偏向免疫反应增加,嗜酸性粒细胞浸润增加

以上研究结果告诉我们,SARS-CoV-2的候选疫苗应诱导平衡的T细胞反应。接种疫苗的动物和人体的TH1细胞和TH2细胞的免疫反应需要全面评估。其次,只有较低浓度的SARS-CoV S蛋白特异性抗体会导致ADE现象,这表明VADE可能与免疫受试者的抗体效价有关。

疫苗相关的疾病增强(VADE)的可能机制

首先,必须点明的是,目前尚不清楚VADE的基础机制,因为它的出现是与抗体滴度,病毒毒株,宿主和抗原特异性相关的。但是,可以在体内诱导VADE的疫苗具有一些共同特征。首先,能感染并能在有FcR的细胞中复制的病毒(包括DENV和EBOV)疫苗可能诱发VADE,尤其是ADE。迄今为止,只有一项研究报道单核细胞以及B和T淋巴细胞对SARS-CoV-2易感,但该报告尚未经过同行评审。第二,会引起炎性损害的病毒疫苗可能导致VADE,例如SARS-CoV和RSV。第三,抗原诱生的高浓度非中和抗体或低浓度的中和抗体而导致VADE。一些证据表明,从COVID-19中康复的患者中均可检测到RBD特异性IgG和NAb。然而,抗体反应的持续时间和针对随后自然感染的长期保护的能力却是未知的。对SARS-CoV-2感染的抗体反应动力学的报道也存在差异。这就是为什么我们需要在动物模型和临床试验中仔细评估候选疫苗的免疫反应。

新冠疫苗的开发

1.用于评估新冠疫苗安全性和有效性的动物模型

我们认为安全性评估存在两个主要障碍。首先,通常需要很长时间才能观察到VADE,因为它主要出现在随后被同源或异源病毒株攻毒或自然感染中,而且这种发生通常与中和抗体滴度降低有关。其次,尚不清楚现有的实验动物是否能准确地模拟人类对新冠状病毒感染的反应。

过去开发RSV,DENV,SARS和MERS疫苗的教训为安全有效的新冠疫苗开发提供以下经验。首先,应在多种动物模型中评估候选新冠疫苗的安全性。由于没有动物模型可以准确模拟人对候选疫苗的免疫反应,因此在几种动物模型中进行评估可以避免遗漏病原性反应的风险。其次,异种病毒株的攻击实验应在能诱导产生交叉反应抗体的新冠疫苗评估中应用。第三,疫苗应在同一动物模型不同年龄动物中进行测试。先前的研究证明TH2细胞偏向的免疫病理反应主要在用灭活SARS-CoV和明矾佐剂免疫的衰老小鼠中观察到。鉴于老年人是最容易感染新冠病毒的人群,因此在衰老的动物模型和老年人中进行安全性和功效评估至关重要。第四,考虑到COVID-19对患有合并症的患者的临床要比没有合并症的人更差,并且与合并症相关的其他疾病的发生率也增加,因此也应该在有合并症的动物模型和人群中进行动物实验和临床评估。

2.用于评估新冠疫苗安全性和有效性的参数

疫苗诱导的NAb效价是有效性和安全性评估的最重要指标,因为次优浓度的NAbs无法有效中和并可能增强SARS-CoV-2感染。FDA建议被动治疗的恢复期血浆NAb滴度至少为1:160,因此希望新冠疫苗所诱生的NAb滴度最好也能高于1:160。肺中增多的嗜酸性粒细胞浸润是SARS疫苗或MERS疫苗引起的VADE效应的明显指标之一。在攻毒或自然病毒感染后,安全的SARS疫苗免疫的小鼠肺中的嗜酸性粒细胞比例应小于5%。疫苗诱导的NAb反应可以持续多长时间也是评估安全性和有效性的另一个参数。根据我们的实验和各实验数据总结,我们建议NAb引起的应答持续周期至少为6个月。

3.设计安全有效新冠疫苗的最佳抗原

S蛋白是大多数正在开发的新冠疫苗候选中的主要抗原,因为它含有主要的中和表位并且位于病毒颗粒的表面。然而,SARS-CoV的全长S蛋白也包含多个免疫优势位点,可以诱导高水平的非中和抗体,包括那些与ADE或有害的免疫反应相关的抗体。我们以前的研究表明,因为RBD包含有S蛋白中主要的中和抗体表位,RBD比全长S蛋白和S1亚基能够诱导出更高效价的中和抗体,且更低水平的非中和抗体。

在10月19日,国际著名的艾滋病疫苗专家Haynes博士在Science Translational Medicine 撰文发出了同样的呼吁 - 要密切关注新冠疫苗的安全性(doi: 10.1126/scitranslmed.abe0948)。

2020年7月15日,世界卫生组织宣布150多个国家参与新冠疫苗全球获取计划(COVAX),该机制旨在确保快速、公平地在全球范围内获得新冠疫苗。这将进一步提高新冠疫苗的安全标准,因为它需要对全世界所有人都是安全有效的,无论其年龄、性别、种族以及有无并发症。

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关键词:
新冠病毒,疫苗,COVID-19,新冠疫苗

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