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《自然》:从“种痘”到第一款mRNA疫苗,看疫苗开发历史上的座座丰碑

▎药明康德内容团队编辑

在人类生存的历史中,疫苗挽救的生命比任何其它医疗手段都要多。在COVID-19大流行的今天,安全有效的新冠疫苗的重要性再一次得到体现。它们被认为是让全球人民恢复正常生活的关键之一。疫苗的开发和使用已经有几百年的历史,日前,《自然》网站列举了疫苗开发史上的里程碑。今天,药明康德内容团队将与读者一起回顾其中一些重要里程碑,它们不但对新冠疫苗的开发产生重大的影响,而且为未来预防和治疗多种其它疾病带来希望。

18世纪前:疫苗接种的起源

英格兰的Edward Jenner医生被广泛认为是“疫苗之父”,然而在他首次进行牛痘接种试验之前,接种疫苗的医疗实践已经在不同国家和地区进行。在欧洲国家,最早预防天花的方法是将天花患者水泡中的脓液接种在未受感染的人的皮肤上。而更早的记载显示,在中国,15世纪中叶就有通过将天花物质吹到鼻子里来防护天花感染的医疗实践。

虽然疫苗接种的最初起源尚未得到确认,但是这些来自不同国家和地区的“种痘”实践最终导致了人类医学史上最重要的进展之一:1980年天花的灭绝。它们也激发科学家们开发了预防多种其它疾病的疫苗。

1796年:疫苗接种的正式诞生

虽然通过“种痘”可以显著降低天花的死亡率,但是这种方法也有很大的风险,它本身可能触发新的天花爆发。而与大多数人不同的是,天天与牛打交道的乳制品工人在那个年代很少会患上严重的天花。很多得过牛痘的工人似乎对天花感染产生了抵抗力,当时人们并不知道,牛痘病毒与天花病毒是近亲,同属于正痘病毒属(Orthopoxvirus)。

1796年,英国医生Edward Jenner首次验证了接种牛痘可以预防天花的假说。他将从挤奶工的牛痘伤口获得的组织接种在一名8岁男孩的身上,这名男孩染上了轻微的牛痘,但是很快就痊愈了。两个月后,Jenner医生又给这名男孩接种了从天花伤口中获得的物质。这一次,这个男孩没有得病。Jenner医生在1798年发表的文章里详细描述了这名男孩和其它22例病例,证明牛痘感染或者接种,可以预防天花接种带来的疾病。

▲Edward Jenner医生(图片来源:Wellcome Images,CC BY 4.0 , via Wikimedia Commons)

Jenner医生的医疗实践后来被命名为疫苗接种(vaccination),vacca是拉丁语中“牛”的意思。这一命名也反应了疫苗接种这个词的牛痘起源。

1881年:首个减毒疫苗的出现

Jenner医生的成功引起了很多科学家们的关注,其中就有大名鼎鼎的路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)。他提出疫苗可以用来防护所有疾病的假说。

巴斯德先生在进行鸡霍乱的研究时,用鸡汤培养的鸡霍乱病菌来感染健康鸡来进行实验。一次他的助手忘了按时接种病菌就去度假了,等度假回来的时候,病菌已经培养了一个月。当他用这些病菌接种给健康的鸡时,那些鸡虽然患病,却没有死,很快就康复了。当巴斯德先生再给这些鸡接种毒性很强的病菌时,通常能够将其它鸡杀死的病菌却无法杀死它们。

巴斯德推测这些鸡对病菌产生了免疫力。进一步研究发现,在密闭环境下培养的病菌能够维持它们的毒性,而暴露在空气中的病菌的毒性在一定时间之后就会降低。巴斯德将这种毒性逐渐下降的现象称为“减毒”(attenuation)现象,这个描述至今仍然被使用。巴斯德也根据这一原理开发出了减毒鸡霍乱疫苗和炭疽病疫苗。

▲路易斯·巴斯德(图片来源:Paul Nadar, Public domain, via Wikimedia Commons)

1890年:血清疗法的威力

在治疗COVID-19的潜在疗法中,从康复患者中获取的血浆或血清是经常被提到的潜在疗法之一。根据其中包含的中和抗体开发的有些中和抗体疗法已经获得FDA的紧急授权申请,用于治疗轻中度COVID-19患者。虽然科学家们很长时间不知道抗体的存在,但是血清的治疗潜力早在100多年前就得到了实验证实。

在1890年,Emil von Behring和Shibasaburo Kitasato公布的动物实验结果显示,将曾经接受破伤风梭菌(Clostridium tetani)注射的兔子的血液或血清注射到小鼠中,能够防止小鼠受到致命剂量的破伤风杆菌感染。而且,提前用血清处理包含破伤风毒素的细菌成份也能够阻断它的致命毒性。这一突破性研究表明,对破伤风梭菌产生免疫力的兔子的血清中包含能够破坏毒素效力的成份。

这一发现成为血清疗法的奠基石,Emil von Behring被誉为“血清疗法之父”,在1901年,他获得了首届诺贝尔生理学或医学奖。他建立的用于开发血清和疫苗的公司Behringwerke是如今在血浆衍生疗法和其它治疗产品方面享有盛名的CSL Behring公司的前身。CSL Behring目前正在开发治疗COVID-19的超免疫球蛋白疗法。

1921年:卡介苗的诞生——第一款预防结核病的疫苗

在过去的200多年里,结核病(tuberculosis)杀死的人数超过10亿人,是杀死人类数目最多的传染病之一。然而,直到1882年,德国科学家Robert Koch才分离出导致肺结核的结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis),为治愈这一恶疾带来了希望。

1894年,巴斯德研究所的首任院长Albert Calmette医生和实验室负责人Camille Guérin开始合作开发预防结核病的减毒疫苗。在1906年,他们终于发现了在实验室环境下培养结核分枝杆菌方法,随后开始了通过不断传代,发现减毒菌株的漫长过程。在经过大约230次传代培养之后,两位科学家在1919年终于发现了一种毒性高度减弱的牛分枝杆菌。这一遗传成份与原先致病菌已大不相同的病菌被命名为Bacille Calmette–Guérin(BCG),也就是我们所知的卡介苗。

如今,卡介苗是世界上接种最为广泛的疫苗之一。而且,它的独特之处在于通过激发免疫系统的免疫反应,它可以用于治疗除了结核病以外的其它疾病和某些癌症。例如,卡介苗是目前治疗早期膀胱癌的最有效手段之一。科学家们也计划进行临床试验,检验卡介苗预防新冠病毒感染的效果。

1926年:辅剂的发现和使用

为了让疫苗能够激发长久的免疫保护作用,目前很多疫苗中会添加称为辅剂(adjuvant)的成份,这些成份不但能够更有效地激发人体的免疫反应,而且可能减少疫苗中致病抗原的用量。在开发新冠疫苗的过程中,葛兰素史克(GSK)公司就在与赛诺菲(Sanofi)和中国的三叶草生物制药等公司合作,提供辅剂技术增强新冠疫苗的效力。而辅剂的发现则要追溯到接近100年前。

在1926年,免疫学家Alexander T. Glenny和他的同事们在纯化和富集白喉类毒素时,使用了硫酸铝钾沉淀蛋白毒素。令人惊讶的是,他们发现用这种方法生产的疫苗在动物实验中比液体毒素激发更好的抗体反应。这是铝盐的辅剂效应首次得到证明。铝盐至今仍然是最广泛使用的辅剂之一。

1986年:首款利用重组DNA技术开发的乙肝疫苗

1986年,默沙东(MSD)公司开发的Recombivax乙肝疫苗获得FDA的批准上市。这也是1979年以来科学家William Rutter博士、Pablo Valenzuela博士和他们的同事克隆乙肝病毒(HBV)抗原的辉煌成果。Recombivax是首个使用重组DNA技术生产的疫苗,它代表着疫苗开发技术方面的一个重大突破。

首款商业化乙肝疫苗是基于乙肝患者血浆中提取的灭活病毒,然而当时,这些血浆产品经常携带HIV-1和丙肝病毒,而且来源有限,因此使用重组DNA技术来开发一款疫苗很具有吸引力。

在1979年,William Rutter博士、Pablo Valenzuela博士和他们的同事成功将表达乙肝病毒表面抗原(HBsAg)的基因序列克隆到大肠杆菌表达载体中,迈出了表达重组HBsAg蛋白作为乙肝病毒疫苗的第一步。随后在1982年,这一研究团队成功将表达HBsAg的基因克隆到酵母表达载体中,并且发现被转染的酵母细胞能够分泌由HBsAg构成的22nm大小病毒颗粒。这一颗粒与乙肝病毒感染人类细胞生成的22nm病毒颗粒非常相像,而且与未组装的HBsAg蛋白相比,免疫原性提高1000倍以上。

能够生产具有免疫原性的HBsAg类病毒颗粒(VLPs)是疫苗开发的重大突破。它不但允许大量成产不会感染宿主细胞的乙肝病毒疫苗,而且表明无需使用造成疾病的病原体,仍然能够制造有效的疫苗。

1991年:预防人乳头瘤病毒相关癌症的疫苗

早在1976年,德国病毒学家Harald zur Hausen就提出宫颈癌可能是由于乳头瘤病毒的假说。随后的研究证明了人乳头瘤病毒(HPVs)感染在宫颈癌和其它癌症发生中的重要作用。

开发HPV疫苗的一个重要阻碍是HPV病毒无法在实验室中培养,因此无法制造减毒或者灭活疫苗。不过在1991年,免疫学家Ian Frazer博士、分子免疫学家周健博士和他们的同事一起做出了突破。他们通过将HPV16病毒衣壳的L1和L2蛋白同时表达在一个载体里的方法,成功在细胞培养中生成了与HPV类似的类病毒颗粒。对类病毒颗粒的电镜研究显示它具有和病毒相似的三维结构。这一研究在1991年发表在科学期刊Virology上。

基于这一突破,科学家们用更有效的蛋白表达系统生成大量VLPs并且证明它们能够与病毒一样激发中和抗体的产生。这些科学突破最终在2006年带来了首款HPV疫苗Gardasil。如今,Gardasil已经通过不断迭代,对多种导致宫颈癌的高危HPV病毒株产生保护作用。

2000年:“反向疫苗学”的诞生

在上世纪90年代末,脑膜炎奈瑟菌血清型B(Neisseria meningitidis,MenB)感染是导致流行性脑膜炎的主要原因之一。然而,基于MenB的表面多糖开发的疫苗效力不佳,而且已知的MenB抗原蛋白的序列具有非常大的多样性,让疫苗开发面临很大挑战。

在Craig Venter博士领导的基因组研究所(Institute for Genomic Research,TIGR)于1995年完成对流感嗜血杆菌基因组的测序之后,科学家们开始考虑是否可以通过研究MenB的基因组序列来协助疫苗的开发。在2000年,Chiron Vaccines公司、TIGR与牛津大学的研究人员合作在《科学》杂志上发表了两篇标志性论文,对名为MC58的MenB菌株的全部基因组进行了注释,并且利用这些基因组信息发现了大量创新表面抗原。这两项研究的发布,标志着“反向疫苗学”的诞生,这是从病原体基因组出发来开发疫苗的策略。

自从2000年这两项研究发布以来,收集病原体基因组的工作飞速发展,而且反向疫苗学的策略已经被用于开发针对其它病原体的疫苗,包括呼吸道合胞病毒、HIV病毒、耐药性链球菌等等。虽然最初这一策略的局限性是不容易评估基于基因组发现的抗原的免疫原性,但是随着B细胞技术和结构生物学的进展。科学家们已经能够更好地评估抗原的免疫原性。

如今新冠疫苗的飞速开发,也离不开在COVID-19疫情爆发以后,科学家们迅速对新冠病毒进行测序并分享它的基因组序列。

2013年:合成生物学加快疫苗开发速度

2009年的H1N1流感大流行时的疫苗开发经验表明,当时疫苗开发的速度还不足以应对突发性的大流行事件。为了加快疫苗开发的速度,诺华(Novartis)公司的科学家们与J. Craig Venter研究所和Synthetic Genomics公司的科研人员合作,探索利用合成生物学手段,从基因序列数据迅速生成候选疫苗的方法

这支研究团队利用RNA片段,让身体中的细胞能够表达模拟病原体的抗原蛋白,从而激发免疫系统的免疫反应。这一策略在2013年的禽流感爆发中得到了验证。在得到发现禽流感病例的消息后,研究人员从网上下载了病毒的基因组序列,在几周内就通过化学合成出一款基于RNA的候选疫苗。这一合成生物学策略大幅度加快了诺华的疫苗开发速度。在首例禽流感病例报告后5个月左右,该公司开发的候选灭活疫苗已经进入临床试验阶段,并且表现出了良好的安全性和免疫原性。在2013年末,诺华已经开始候选疫苗的大规模生产。

虽然禽流感并没有扩展成为大流行病,但是使用合成生物学策略生成疫苗的方法却成为科学家们应对突发性大流行病的研发方向。在新冠疫苗的开发中,Moderna的候选疫苗在病毒基因组公布后66天就能够进入临床开发阶段,便是遵循了这一疫苗开发理念。

2020年:首款mRNA疫苗获得FDA紧急使用授权

2020年,在COVID-19疫情席卷全球的情况下,新冠疫苗的快速开发无疑是生物医药领域应对COVID-19的多重努力中的一大亮点。日前,辉瑞/BioNTech开发的BNT162b2和Moderna开发的mRNA-1273先后获得FDA授予的紧急使用授权(EUA),它们均达到95%左右的保护效力,为遏制COVID-19疫情的进展带来了希望。这两款疫苗也代表了mRNA疫苗技术首次在广泛人群中的使用。

回顾疫苗开发历史上的里程碑,我们不难看出新冠疫苗开发的飞速进展离不开前人的理论和技术积累。而以往对SARS、MERS病毒的研究和在癌症领域对mRNA技术平台的探索也是让mRNA新冠疫苗能够首先获得FDA紧急使用授权的重要因素。

图片来源:Nature

日前,《自然》杂志发表的一篇文章将新冠疫苗开发的速度与历史上其它重大疫苗的开发速度进行了对比。文章指出,大部分疫苗的开发都需要多年才能够完成,而科学家们只用了不到1年,就开发出了可以被大众使用的新冠疫苗。我们期待在COVID-19疫情中得到的宝贵疫苗开发经验能够被用于其它疾病的疫苗开发中,为未来的疫苗开发过程带来永久性的进步。

题图来源:123RF

注:本文旨在介绍医药健康研究,不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导,请前往正规医院就诊。

参考资料:

[2] Emil von Behring: The Founder of Serum Therapy. Retrieved December 24, 2020, from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1901/behring/article/

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