疫苗研發新趨勢:能把所有冠狀病毒一網打盡的疫苗

2022年05月27日12:00

  數十種冠狀病毒“通用”疫苗正在研發中。新的技術平台能超越免疫學上的未知嗎?

  關於新冠疫苗加強針的爭論日趨白熱化,許多公共衛生研究人員開始以流感疫苗免疫模型作為應對新冠病毒(SARS-CoV-2)持續威脅的指導。這或許意味著,和今天的季節性流感預防方式一樣,我們以後每年都要打新冠疫苗。但是,就像科學家一直設想的能對流感病毒各亞型提供長期保護的通用流感疫苗一樣,很多人也在探索一種泛冠狀病毒疫苗,這種疫苗不僅抵禦今後出現的新冠變異株,還能用來預防下一場疫情。

  數十家非營利性機構、政府機構、疫苗廠商都把這類疫苗放在了研發工作的首位(表1)。流行病防範創新聯盟(CEPI)和美國國家過敏和傳染病研究所(NIAID)分別為這種“全能”冠狀病毒疫苗劃撥了2億美元和4300萬美元的研究經費。

  表1 | 部分在研的泛冠狀病毒疫苗

  這兩個機構各有側重點。CEPI聚焦近期產品的研發,主要資助小型生物科技公司的疫苗平台研發。NIAID則更多地支援學術界的基礎免疫學研究。不過,共同的目標讓這兩個機構走到了一起。3月,CEPI和NIAID宣佈為受它們資助的研究人員創建一個聯合科學論壇,專門探討研發進度,以及如何攜手研發出安全的廣譜保護性疫苗。其首次會議於4月25日舉行。

  目前在研的疫苗設計和遞送策略形式種類多樣,包括基於mRNA和蛋白納米顆粒的技術。一些候選疫苗只靶向能讓冠狀病毒侵入宿主細胞的刺突蛋白,另一些候選疫苗靶向病毒蛋白質組的其他部位。一些疫苗只專注於誘導抗體應答,另一些也關注細胞免疫。

  “我們有多條技術路線和抗原設計並行,”CEPI項目負責人、管理CEPI前瞻性冠狀病毒疫苗組合的Christopher da Costa說,“我們想把多個疫苗最後做出來。我希望這個候選池里的一些疫苗能走到最後。”

  但在許多研究人員看來,如何將這種病毒拒之千里之外的問題,在免疫學上仍有許多認知空白,因而不宜對進度較快的一些泛冠狀病毒疫苗寄予過高的期望。過去幾十年來,研發流感和HIV通用疫苗的一再失敗暗示了這條路並不好走——流感和HIV病毒都是突變率很高的人類宿敵。

  “我們想要的是持久的廣譜保護性免疫,最好能維持終生,這一點是毋庸置疑的。”非營利性的人類疫苗計劃(Human Vaccines Project)的CEO Wayne Koff說。現在只有一個問題:“我們不知道該怎麼做。”

  千淘萬漉

  雖然“泛冠狀疫苗病毒”(pan-coronavirus)一詞頻頻出現在對在研疫苗的各類報導中,但它的具體含義並不清晰。

  第一類是能抵抗新冠病毒各種可能突變形式的進階版疫苗。這類疫苗或許應該被稱為泛變異株COVID-19疫苗。不過,當實驗室檢測發現其對SARS-CoV-1也有一定的交叉保護作用時,一些疫苗廠商立馬用上了泛冠狀病毒這一範圍更大的標籤。SARS-CoV-1曾在2002-2003年引起嚴重急性呼吸系統綜合徵(SARS)暴發。

  在那些本身就以更大包容性為設計目標的疫苗中,泛冠狀病毒的說法則包含了不同的含義。基本上,很少有科學家在研究能抵抗全部四個冠狀病毒屬的真正意義上的通用疫苗。確切地說,大部分科學家要麼關注包含所有SARS樣病毒在內的sarbecovirus亞屬,要麼關注演化樹上更高一級的分枝——β冠狀病毒屬,β冠狀病毒屬還包括導致中東呼吸綜合徵(MERS)的病原體和一些引起普通感冒的季節性冠狀病毒。

  Moderna的“泛人冠狀病毒”疫苗則自成一派。Moderna在3月公佈了這個處於臨床前階段的候選疫苗——mRNA-1287,該疫苗的目標是抵抗能感染人的地方性流行冠狀病毒——兩種α冠狀病毒和兩種β冠狀病毒,這些病毒累計導致了10%-30%的成年人普通感冒。Moderna傳染病研發負責人Raffael Nachbagauer表示,這個項目不是為了預防下一次大流行,而是要“降低人群中仍未得到解決、由季節性冠狀病毒導致的疾病負擔。”

  這些圍繞跨演化枝冠狀病毒保護的模糊表達,曾在CEPI掀起一場關於最佳用詞的激烈爭論,da Costa說。CEPI最終決定使用“廣譜保護性”來描述能抵抗多種冠狀病毒的疫苗;使用“抗變異株”或“靶向變異株”來描述下一代新冠疫苗。這兩類疫苗的研發都得到了CEPI的資助。da Costa說:“我們期待先做出少量靶向變異株的疫苗,再推出更多的廣譜保護性疫苗。”

  截至目前,CEPI已經宣佈了八個項目,後期可能還有更多。其中,三個項目主要關注新冠病毒的新變異株,且都利用新的蛋白亞單位技術遞送攜帶需關注變異株突變的刺突蛋白部位。來自MigVax的一款口服疫苗利用一種細菌毒素作為黏膜佐劑。另一款來自Affinivax的疫苗基於一個抗原-多聚糖結合平台。第三款來自薩斯喀徹溫大學疫苗與傳染病組織的疫苗,將使用一種有專利的基質以結構化的方式來呈遞抗原。

  CEPI資助的另外五個項目則聚焦更大範圍的冠狀病毒威脅。來自BioNet、DIOSynVax、NEC的三個項目將借助計算機模擬來識別能用於mRNA遞送系統的新疫苗抗原。其他兩個項目都致力於開發多表位、基於納米顆粒的蛋白亞單位疫苗:一個來自印度的轉化醫療科技研究所與Panacea Biotec的合作,另一個來自SK bioscience。

  鑲嵌技術

  在CEPI資助的這五種廣譜保護性疫苗中,SK的候選疫苗不僅在資助上占了大頭,離臨床實驗的距離也是最短的。

  這款疫苗名為GBP511,從CEPI拿到了5000萬美元的資助,基於SK實驗性新冠疫苗GBP510所取得進展——該疫苗已進入III期臨床。這兩種添加佐劑的疫苗都使用了華盛頓大學蛋白設計研究所研發的兩部分納米顆粒系統。它能以三聚體的形式呈現刺突蛋白受體結合結構域(RBD)的60個拷貝,從而調動強效的免疫應答。

  GBP510只包含新冠病毒原始株的RBD,而GBP511採用的鑲嵌技術能呈遞更多抗原。它能表達來自感染人和感染蝙蝠的病毒(涵蓋sarbecovirus的全部三個系統發生演化枝)的三或四個RBD,產生能與不同RBD的共有保守表位相結合的交叉反應B細胞。這背後的假設是:這種多價抗原呈遞能選擇性地激活和擴增有廣譜保護作用的免疫細胞。

  去年9月,SK的學術合作對象通過小鼠和猴子實驗對以上假設進行了概念驗證。這家韓國的生物技術公司已經準備好在2023年底啟動首次人體試驗。

  加州理工學院的結構生物學家Pamela Bjorkman開發了一種類似的鑲嵌RBD納米顆粒構建物,並於2021年1月首次報導。該構建物在核心處使用了相同的二十面體納米顆粒,但用了八種sarbecovirus的RBD進行裝飾——其中六種病毒會感染蝙蝠,一種感染穿山甲,還有一種來自新冠病毒的Beta變異株。

  在Bjorkman的這個疫苗中,RBD是隨機分佈的,相同抗原的相鄰概率很低。相比之下,SK的自組裝納米顆粒使用非隨機分佈的RBD,每三個一組——這種結構上的差異或許會影響刺激交叉反應抗體應答的概率。“如果是隨機分佈的,”Bjorkman說,“應該就能激活與RBD更保守區域相結合的B細胞。

  Bjorkman團隊3月在線發佈的一篇預印本論文支援了這一結論。該團隊的八部分鑲嵌納米顆粒疫苗能對小鼠產生廣譜保護——Bjorkman說:“和我們的假設一致。”目前,她正在為該候選疫苗進入人體試驗尋求經費支援。

  免疫寬度

  在有一定跨演化枝保護潛力的“泛變異株”疫苗中,有幾個候選疫苗的進展較快。如馬里蘭州的Walter Reed軍事研究所正在開發一種添加佐劑的納米顆粒疫苗,這種疫苗需要將鐵蛋白(一種能自低聚的蛋白)與融合前穩定構象的新冠病毒刺突蛋白相結合。一項招募了29人的I期試驗預計將在幾週內公佈結果。

  軍事研究員之所以叫它泛冠狀病毒疫苗,是因為在小鼠和猴子研究中,該疫苗能誘導針對新冠病毒需關注變異株以及SARS-CoV-1的強效體液免疫應答以及細胞介導的免疫應答。在第一代新冠疫苗兩針初免後再使用這種疫苗進行加強,有進一步擴大免疫範圍的潛力。

  去年,杜克大學的免疫學家Barton Haynes和Kevin Saunders給使用mRNA疫苗初免的猴子接種了他們自己的鐵蛋白納米顆粒疫苗。(杜克大學的候選疫苗採用了一種更加模塊化的生產方式,而且使用了華盛頓州一個早期分離株的RBD抗原而不是武漢株的全長刺突蛋白,除此之外和美國軍方的候選疫苗很相似。)Haynes說:“打了這個加強針,你就能全覆蓋了。”

  “我們的目標是蝙蝠病毒、穿山甲病毒、SARS-CoV-1,”他說,“是sarbecovirus亞屬的所有病毒,除了MERS,因為它的RBD很不一樣。”從檢測到的抗體結合滴度來看,納米顆粒的設計能達到比可溶性RBD疫苗更好的免疫應答。一篇最近發佈的預印本論文還顯示,佐劑配方的類型也很重要。

  Haynes希望他的鐵蛋白納米顆粒疫苗明年能進入臨床試驗,他已經從NIAID新推出的“泛冠狀病毒疫苗開發計劃”拿到了一筆為期3年、總額1750萬美元的經費。不過,這筆經費還要用於免疫原的設計。此外,經費的一部分也要用來推動能提供泛β冠狀病毒屬保護的新型mRNA或自擴增RNA構建物。

  去年,Haynes和同事在北卡羅來納大學病毒學家Ralph Baric的帶領下,報導了一種能增加這種mRNA平台優勢的策略。他們設計出了一種嵌合蛋白的編碼序列,這種蛋白能組裝來自感染人和感染蝙蝠的sarbecovirus的不同刺突蛋白部位,包括RBD、N末端結構域和S2亞基。當包裹在脂質納米顆粒(LNP)中時,這些mRNA序列能在小鼠中誘導出廣泛的保護力。

  Haynes說:“這是利用鑲嵌技術誘導廣泛應答的一個替代方法。”

  原則上,相同的序列也可以用自擴增RNA編碼,這或許能降低對劑量的要求,調動更好的免疫應答。Haynes的團隊正在研究這種構建物的使用,這種構建物既包含抗原序列,也包含了RNA自我複製所需的機制。

  製勝戰略

  雖然杜克大學的項目著重偏向於平台開發,但NIAID泛冠狀病毒計劃資助的其他三個團隊——布列根和婦女醫院、威斯康星大學麥迪遜分校、洛克菲勒大學——更注重於基礎的免疫學研究。項目官Jennifer Gordon指出,“還有很多科學問題沒有答案。”我們希望能更好地認識對冠狀病毒感染的天然免疫應答,這能幫助我們設計出更好的疫苗。

  “基礎發現的一部分是理解有哪些取捨。”布列根和婦女醫院的受資助研究人員、免疫學家Duane Wesemann說。去年,Wesemann和同事發現了一個潛在抗原靶點——刺突蛋白保守的柄部區域,或稱S2,這個抗原靶點所調動的抗體與COVID-19死亡率下降、康復時間縮短,以及康復後的免疫持久性更好有關。

  這些抗體還能放大對β冠狀病毒屬的識別寬度,但它們的中和能力弱於靶向刺突蛋白更多變頭部的抗體——頭部區也是第一代新冠疫苗的靶標。今後仍需開展進一步研究明確哪種組合最適合用於能預防動物傳染病溢出的廣譜保護性疫苗。

  想要對血凝素莖部區產生直接免疫應答的研究人員面臨同樣的難題——血凝素也是通用流感疫苗靶向的主要保守蛋白。考慮到該領域進展甚微,Wesemann希望冠狀病毒研究人員在面對眼前的免疫學障礙時能保持謙遜。

  他說:“每個人都想創造奇蹟。”走大運的話是可能的。但更詳盡地考量各種免疫學因素,肯定能增加成功率。Wesemann說:“我們要學會‘四兩拔千斤’,提高在未來比賽中的獲勝率。”

  關於T細胞免疫的質量會如何影響疫苗保護效果,這方面尤其需要開展更多研究。許多研究人員相信,想要泛冠狀病毒疫苗走向成功,就需要多個T細胞子集和抗體介導的通路來一起提供強效廣譜的保護力。“一款非常有效的疫苗必須能同時誘導中和抗體和T細胞。”Access to Advanced Health Institute的董事長兼CEO Corey Casper說。

  Casper正在與ImmunityBio密切合作。ImmunityBio屬於黃馨祥(Patrick Soon-Shiong)的NantWorks企業集團。這次合作的目標是開發包含刺突蛋白和核衣殼(N)這兩種成分的雙抗原疫苗。核衣殼是病毒內部的RNA結合蛋白,一直被認為是有望產生廣譜保護力的T細胞應答的一個重要目標。黃馨祥說:“只要你的構建物里有核衣殼,你獲得泛冠狀病毒[保護]的可能性也越大。”

  ImmunityBio的首個產品是基於人腺病毒5型載體(Ad5)平台的疫苗。該疫苗正作為強生公司疫苗(只含刺突蛋白的腺病毒載體疫苗)接種者的加強針進行臨床試驗。除了把視線放到刺突蛋白以外,該公司還在開發一種能提高保護效果的“混合”遞送策略。

  該公司發佈的一篇預印本論文顯示,在小鼠中,自擴增RNA初免加上Ad5加強免疫的策略似乎能增強體液免疫和細胞免疫的持久性和寬度。這與使用第一代新冠疫苗進行異源初免-加強免疫人群中的結果一致,這一接種策略能對新冠病毒需關注變異株產生更廣泛的反應活性。

  杜克-新加坡國立大學醫學院的病毒學家王林發就在推進他自己的一個異源免疫接種策略。去年,王林發和同事報導了感染SARS-CoV-1已有20年的人在打了新冠mRNA疫苗後產生了大量泛sarbecovirus中和抗體。看到這一結果,王林發團隊改造了SARS-CoV-1近緣病毒家族的一個共有刺突蛋白。他希望利用這個配方製備出一種蛋白亞單位疫苗或是一種mRNA疫苗。

  未發表的小鼠研究顯示,先用新冠疫苗進行初免,再用這種實驗性疫苗加強,或許能調動和SARS-CoV-1倖存者同類型的免疫應答。王林發說,他們正在與潛在商業夥伴進行合作洽談。

  與此同時,其他目光不只局限在刺突蛋白的公司還包括TechImmune、ConserV Bioscience、Gritstone bio。在Ragon研究所的免疫學家Gaurav Gaiha看來,這些公司所面臨的挑戰,是如何找到突變受限的T細胞表位,實現對冠狀病毒的全譜系識別,同時達到較高的免疫原性。Gaiha說:“這就是最佳位點。”

  如果沒有迫在眉睫的新疫情,也沒有對預算不設限的曲速行動(Operation Warp Speed),泛冠狀病毒疫苗的開發很難重拾2020年疫苗競賽時的速度。但是,過去兩年里的所有科學和技術進步提振了整個領域——研究人員相信,冠狀病毒的廣譜保護性疫苗研發不會重複HIV或流感疫苗遇到的困境。“歸根結底,我們需要的是一個效果持久、能覆蓋全譜系的疫苗,”黃馨祥說,“我們能做到嗎?我相信我們可以。”

  原文以Pan-coronavirus vaccine pipeline takes form為標題發表在 2022年4月19日的《自然綜述:藥物發現》新聞版塊上

  © nature

  doi: 10.1038/d41573-022-00074-6

  本文轉載自公眾號“Nature Portfolio”(ID: nature-portfolio)

  原文作者:Elie Dolgin

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