重磅综述︱新冠肺炎疫苗开发：里程碑、经验和展望

前言

本篇综述由北京化工大学生命科学与技术学院童贻刚教授团队在Signal Transduction and Targeted Therapy上发表的题为“COVID-19 vaccine development: milestones, lessons and prospects”的最新综述文章，本文系统介绍了疫苗引起的免疫反应，现有的新冠肺炎疫苗平台，并对各种疫苗的效力和安全性进行总结，包括可能出现的并发症和对特殊人群的不同保护效果。此外，鉴于SARS-CoV-2的不断变异，并对现有疫苗提出了改进和优化的思路，包括改变给药途径，采用更多的疫苗接种策略，以及应用更多的疫苗开发方法等。

作者 | Discovery  

随着SARS-CoV-2的不断变异和关注变种(VOC)的出现，疫苗接种的实施至关重要，世界卫生组织(WHO)将用于临床试验的COVID-19疫苗分为以下几类：灭活疫苗、减毒活疫苗、病毒载体疫苗、核酸疫苗、蛋白质亚单位疫苗和病毒样颗粒(VLP)疫苗，其中病毒载体疫苗、蛋白质亚单位疫苗和核酸疫苗可以诱导额外的细胞免疫反应，大大提高预防效率。但病毒的不断突变影响了现有疫苗的作用，并且有的病毒载体疫苗或mRNA疫苗可能引起并发症，如心肌炎和急性肝炎等，引起了人们对新冠肺炎疫苗安全性和效力的担忧。因此，疫苗的安全性、预防效果和新疫苗的开发是至关重要的。  

图1：新冠肺炎疫苗发展的里程碑  

疫苗诱导免疫反应

人体在接种疫苗后产生的免疫反应称为主动免疫或获得性免疫。在这个过程中，免疫系统被激活。CD4+T细胞依靠抗原肽(AP)-主要组织相容性复合体(MHC)II类分子复合体分化为辅助性T细胞(Th细胞)。CD8+T细胞依赖AP-MHCI类分子复合体分化为细胞毒性T淋巴细胞(CTL)，B细胞在Th细胞的帮助下被激活以产生抗体，T细胞通过CTL发挥细胞免疫。在抗原刺激后，B和T细胞形成相应的记忆细胞，以保护身体免受相同病原体的再次入侵。

1.1    

疫苗诱导的Th1细胞反应

ChAdOx1 nCoV-19(AZD1222，病毒载体疫苗)，NVX-CoV2373(蛋白亚单位疫苗)，mRNA1273(mRNA疫苗)被报道能引起Th1细胞反应。在AP-MHC II类复合体和T细胞受体(TCR) 识别后，分布在外周淋巴器官中的CD4+T细胞可以分化为Th1细胞，分泌各种细胞因子，如白介素2(IL-2)，同时上调相关受体(IL-2R)的表达。IL-2与IL-2R结合后，促进T细胞增殖和CD8+T细胞活化，活化的CD8+T细胞分化为CTL进一步诱导细胞免疫。当抗原被清除时，T细胞反应减弱，免疫系统恢复动态平衡。

图2：疫苗诱导的Th1细胞免疫反应

1.2     

疫苗诱导生发中心反应和体液免疫调节

除了T细胞反应，mRNA疫苗诱导的滤泡辅助性T细胞(Tfh细胞)还可以激发有效的SARS-CoV-2抗原特异性生发中心B细胞(GC B细胞)反应。活化的B细胞在淋巴滤泡中增殖和分裂，形成生发中心，在Tfh细胞的帮助下，GC B细胞的抗体基因可变区发生高频点突变，发生抗体类别转换，最终形成记忆B细胞和浆细胞，从而产生高亲和力抗体。生发中心B细胞的持续存在是诱导浆细胞的前提，持续性生发中心B细胞应答可分泌强效、持久的中和抗体，并可激发较强的体液免疫反应。

图3：疫苗诱导的生发中心反应

1.3    

新冠肺炎疫苗诱导记忆细胞反应

在Th1细胞和生发中心B细胞发生免疫反应过程中，通常形成抗原特异性记忆T细胞和记忆B细胞。与最初的T细胞激活不同，记忆T细胞的激活不再依赖于抗原提呈细胞，就可以诱导更强的免疫反应。大多数记忆B细胞进入血液参与循环，并在遇到相同的抗原时迅速激活产生更多的抗体。研究发现，在新冠感染康复患者和单剂接着mRNA疫苗的正常群体都会检测到记忆细胞存在。

图4：疫苗诱导的记忆细胞反应

现有的新冠肺炎疫苗平台

根据世界卫生组织（WHO）2022年3月28日公布的数据，已有153种疫苗用于临床试验，196种疫苗处于临床前试验阶段。这些疫苗主要包括灭活疫苗(14%)、减毒活疫苗(1%)、病毒载体疫苗(17%)、mRNA疫苗(18%)、DNA疫苗(11%)、蛋白质亚单位疫苗(34%)和VLP疫苗(4%)。

新冠肺炎疫苗的免疫效果

疫苗的有效性通常要经过动物实验和临床实验评价后才能批准上市。疫苗的免疫效果通常使用血清中和抗体效价作为比较依据，但由于佐剂和疫苗剂量的不同，此种方法也存在一些限制。因此通常加以50%空斑减少中和试验(PRNT50)、80%空斑减少中和试验(PRNT80)和酶联免疫吸附试验(ELISA)共同评价疫苗的效果。在这里，作者总结了BBIBP-Corv、Ad26.COV-2-S、NVX-CoV2373、mRNA-1273等疫苗的免疫原性、中和活性和动物与临床方面的数据。

3.1    

BBIBP-CorV（灭活疫苗）

BBIBP-CorV疫苗的免疫原性在BALB/c小鼠、兔和豚鼠进行了试验。实验动物分为高、中、低剂量组,所有的剂量组都产生了较好免疫原性。恒河猴接种BBIBP-CorV疫苗后，高剂量组和低剂量组的平均几何抗体滴度分别为1：860和1：512，表明BBIBP-Corv能有效地预防恒河猴感染SARSCoV-2。在临床I/II期实验中，在单剂和两剂接种组都能引起较高的中和抗体水平，并且没有不良反应发生。

3.2    

Ad26.COV-2-S(病毒载体疫苗)

在恒河猴接种Ad26.COV-2-S后两周，32只恒河猴中有31只(96.9%)检测到RBD特异性中和抗体，免疫后4周诱导抗体滴度为1：53~1：233。此外，在肺泡中检测到Ad26.COV-2-S可以诱导S-特异性IgG和IgA反应,说明此疫苗对恒河猴的上呼吸道和下呼吸道均有保护作用。

在临床I/II期实验中，在第二次接种后14天检测血清中和抗体对50%假病毒(ID50)的抑制作用，结果显示低剂量组ID50为1：242，高剂量组为1：449. 此外，Ad26.COV-2-S可诱导CD4+和CD8+T细胞应答，进而诱导细胞免疫，显著提高了抗体效价并增强了保护作用。注射之后常见的不良事件是注射部位疼痛，但持续时间较短，说明此疫苗也是安全的。

3.3    

NVX-CoV2373(亚单位疫苗)

该疫苗在单次免疫后第15天诱导小鼠产生效价为1：84000-1：139000的抗S蛋白IgG。同时，NVX-CoV2373还能诱导多种功能的CD4+和CD8+细胞应答。接种NVX-CoV2373疫苗后，91.6%的免疫动物不受SARS-CoV-2感染。在鼻拭子中没有检测到病毒RNA，这表明NVX-CoV2373具有更广泛的保护作用。

临床实验中，在第二次免疫后第14天，采用ELISA方法检测中和抗体效价。接种NVX-CoV2373组的效价可达1：3906，并能引起细胞免疫反应。

3.4    

mRNA-1273(mRNA疫苗)

mRNA-1273疫苗在恒河猴模型中，具有最强的免疫原性，mRNA-1273能诱导较强的S蛋白特异性中和抗体反应，恒河猴注射mRNA-1273后也表现Th1细胞反应，注射两针后，进行攻毒实验，只有少数恒河猴中检测到低水平的病毒RNA,说明mRNA-1273疫苗在恒河猴中具有很好的抗病毒作用。在临床阶段，用PRNT50法检测各年龄组血清中和抗体效价，滴度分别为1：343.8(100μg，18~55岁)、1：878(100μg，56~70岁)。能诱导Th1的细胞反应。所有不良反应均为轻度或中度。

疫苗的安全性

4.1    

疫苗引起的并发症

尽管目前批准的新冠肺炎疫苗在临床试验中是安全的，但由于个体差异，接种疫苗产生的不良反应也很多，包括发烧、头痛、疲劳、注射部位疼痛和恶心等，随着疫苗接种活动大范围进行，其他并发症反应也逐渐发现，目前发现新冠肺炎疫苗可能引起的并发症主要包括以下几类

(1)凝血功能障碍，如部分接种腺病毒载体疫苗和mRNA疫苗的受者会出现血小板减少和血栓症状；

(2)心脏病，Larson等报道部分受者在接种BNT162b2或mRNA-1273疫苗后2-4天内因胸痛住院，并确诊为心肌炎；

(3)免疫疾病，如过敏反应、自身免疫性肝炎和自身免疫性甲状腺疾病；

(4)神经系统疾病，如面瘫和功能性神经疾病；

(5)淋巴系统疾病，在接种第一剂AZD1222疫苗后，第三天在一名75岁男性患者中发现异样的淋巴结；

(6)其他疾病，如罗厄尔综合征、黄斑疹和冻疮样病变也在部分受体中发现。

图5：新冠疫苗可能引起的并发症

4.2    

不同人群接种新冠肺炎的效果观察

新冠肺炎疫苗主要通过诱导中和抗体和记忆细胞发挥作用。因此在患有先天免疫疾病和免疫系统功能减弱的群体接种疫苗后可能达不到预期的效果。在这作者发现新冠肺炎疫苗对孕妇、自身免疫性疾病患者和受控的艾滋病毒感染患者仍然有效，总体疗效可保持在80%-90%左右。老年人身上中和作用大约在70%左右。但新冠肺炎疫苗对实体器官移植接受者、癌症患者和未受控制的艾滋病患者的整体中和活性较低，一般在60%以下。

图6：不同人群接种新冠疫苗的效果

4.3    

疫苗的抗体依赖增强效应(ADE效应)

ADE效应简单说就是在自然免疫或接种疫苗后，当再次接触相关病毒时，之前产生的抗体可能会帮助病毒的增强感染能力，最终使机体更容易感染的一种现象。此前的研究表明，HIV、埃博拉、流感和登革热病毒可能引起ADE。因此新冠肺炎疫苗的ADE评价也是必须的。虽然目前尚未公布由COVID-19疫苗引起的严重ADE事件，但也需要密切关注和评价。

新冠肺炎疫苗的改进

虽然新冠肺炎疫苗可以降低感染风险和患者的死亡率，但目前疫苗存在一些对突变株的中和活性下降和疫苗接种后发生的不良事件等问题。因此，新冠疫苗的开发还在继续。目前新冠疫苗的改进主要有以下几个方面

（1）采用混合疫苗接种方法，Borobia等对接种不同种类新冠肺炎疫苗后的免疫原性进行了评估，表明异种疫苗可能提供更好的免疫保护。受者先接种AZD1222蛋白亚单位疫苗，然后接种BNT162b2mRNA疫苗，发现可以诱导强烈的免疫反应。并未发现明显的不良反应。

（2）开发新的疫苗，如VLP疫苗和纳米颗粒疫苗，Ko等人设计一种纳米疫苗，由24个聚合物SARS-CoV-2 RBD纳米粒子和铁蛋白骨架组成。该疫苗引起交叉中和抗体反应，对Beta和Gamma变异株均有效。

（3）改进现有的疫苗佐剂；

（4）改变接种路线。针对奥密克戎变异株，发现其主要引起上呼吸道的感染，因此改变疫苗接种路线结合粘膜免疫对控制感染可能更为有效。

总结

目前已经有超过153种候选疫苗进入临床阶段，新的疫苗平台也在加快建立，现有的新冠肺炎疫苗在动物研究和临床试验中都取得了令人振奋的结果，并也有7种疫苗被WHO批准紧急使用，但接种后也会有部分受者发生上述的不良反应，幸运的是不良事件总体发生率并不高，因此建议各国政府和相关机构还应加快疫苗接种的进程，此外，要注重对一些特殊群体(如老年人、癌症患者和艾滋病毒感染者)的疫苗接种后不良事件的检测，并在免疫后检测抗体效价。 新的SARS-CoV-2变种奥密克戎株往往具有高传染性和高免疫逃逸能力，现有的疫苗策略很难有效预防奥密克戎变异株引起的感染，这不仅是因为S蛋白中积累了更多的突变位点，还因为奥密克戎变种主要引起上呼吸道感染，而肌肉注射疫苗往往针对下呼吸道(肺)。 因此，开发新疫苗、高效疫苗佐剂的应用和改变疫苗接种策略对控制感染和缓解公共卫生压力具有非常重要的意义。此外，有效的COVID19抗病毒药物也将极大缓解严峻的疫情。随着新疫苗的推出和口服抗病毒药物的研发，人类与SARS-CoV-2之间的僵局不久将被打破。

参考文献：

[1] Li M, Wang H, Tian L, et al. COVID-19 vaccine development: milestones, lessons and prospects[J]. Signal transduction and targeted therapy, 2022, 7(1): 146-146.

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