基因工程加速疫苗研发

作者  查尔斯·施密特（Charles Schmidt）

翻译 赵建元

今年1月10日，中国研究人员公布的一种全新病毒的基因序列，让丹·巴鲁奇（Dan Barouch）确认了他的巨大担忧。因为这一基因序列与导致SARS疫情暴发的冠状病毒基因序列相似，但存在显著差异。巴鲁奇是哈佛大学贝斯以色列女执事医疗中心（Beth Israel Deaconess Medical Center）的病毒学和疫苗研究中心主任，他说:“我立刻意识到，没有人会对它具有免疫力。”

在数天之内，巴鲁奇的研究团队和世界各地的其他数十个实验室开始设计疫苗，他们希望这些疫苗能帮助数十亿人抵抗新冠病毒。这次疫情是二战以来全球健康和经济面临的最大威胁。截至4月初，19个国家的近80家公司和研究机构已经开始研究疫苗，其中大部分采用的是基因技术，而不是传统技术（例如在流感疫苗研发中使用了超过70年的方法）。这些研究团队预测，到2021年初，将有商业化疫苗能够用于紧急情况或同情用药。

考虑到针对一种新型病原体的疫苗一般需要10年才能完善并投入应用，这一速度已经是非常快了。即使是研发迅速的埃博拉疫苗，也花费了5年时间才开始大规模临床试验。如果巴鲁奇等人能在一年内提供一种安全有效的疫苗，他说：“它将是历史上研发速度最快的疫苗。”

但是，这在很大程度上只是假设。尽管一些实验室已经基于基因手段，为其他病毒研发了一些疫苗，但没有一款是针对人类疾病的商业化疫苗。

传统的疫苗被注射到体内时，一些特定的病毒片段会进入周围的细胞中。免疫系统能将这些病毒片段（抗原）识别为有威胁的外来物，产生抗体进行免疫应答。随后，产生的抗体会中和体内所有区域的这种病毒。一旦免疫反应被激活，免疫系统就会记住如何消灭入侵的病毒，从而阻止将来的同种病毒感染。

一种疫苗研发方法是利用鸡胚胎、哺乳动物细胞或昆虫细胞，培养毒力弱化的病毒，并提取所需的病毒片段。由于一些常见的病毒（如流感病毒）每年都会发生变化，科学家常常需要花费4～6个月才能找到合适的抗原。而开发一款针对新病毒的疫苗，可能需要在数年中进行多次尝试。这对于对抗一种造成大流行疫情的病毒来说，实在是太慢了。

因此，许多实验室正转向利用基因工程技术研发疫苗。科学家利用病毒的基因组信息，设计出能挑选特定抗原的基因图谱，图谱中携带了病毒遗传结构信息，如DNA和RNA。随后，研究人员将DNA或RNA注入人类细胞中。这些细胞内的细胞器会按照指令，制造能引发免疫反应的病毒抗原。细胞能依照指令转录、翻译遗传信息，这是它日常功能的一部分。但这些功能是传染性病毒所缺乏的，它们必须借助细胞中的细胞器进行自我复制。最终，病毒会从细胞中释放，感染更多细胞，扩大感染范围。

3种设计思路

事实上，所有实验室都希望找到一种能使人体细胞产生病毒刺突蛋白抗原的方法。刺突蛋白位于新冠病毒表面，病毒正是通过它与人体细胞结合，潜入细胞内部。科学家设计刺突蛋白抗原的方法有3种。第一种是DNA质粒疫苗（下面简称DNA疫苗），质粒通常是一个小型的环状分子。它是一种很方便的工具，因为如果病毒发生变异，研究人员可以很容易地改变设计方案。DNA疫苗已广泛应用于狗、猪和马等兽用疫苗中，但是在人类中的应用却很滞后。最近的一项研究通过一种仪器改进了DNA疫苗进入细胞的途径。该仪器能对注射部位附近的细胞施加短暂电流，在细胞膜上打孔，使DNA疫苗顺利进入细胞。

Inovio制药公司总部位于美国宾夕法尼亚州的普利茅斯市。该公司正采用DNA质粒的方法研发新冠病毒疫苗。几年前，该公司启动了一项针对中东呼吸综合征（MERS）冠状病毒的刺突蛋白的临床试验。该公司首席执行官约瑟夫·金（Joseph Kim）表示，接种过MERS病毒疫苗的患者“与自然恢复的患者血液样本中的抗体水平相当，甚至更高”。目前，该公司正使用其质粒制造和测试平台，开发新冠病毒疫苗。

在细胞中，DNA疫苗携带的遗传信息能被转录成RNA，RNA被翻译成刺突蛋白抗原。但是，一些科学家跳过质粒步骤，采用第二种方法：直接将病毒的遗传信息嵌在宿主的RNA链中。这一方法制造的疫苗也被称为RNA疫苗。RNA被包裹在很容易进入细胞的脂质中，注入人体内。研究表明，相比于DNA疫苗，RNA疫苗或能更好地激活免疫系统，产生抗体。此外，RNA疫苗还能诱导免疫系统产生更强的免疫力。由于它能增强免疫系统的记忆力，因此需要的剂量更低。针对狂犬病毒、HIV和寨卡病毒等病毒的RNA疫苗，目前正处于早期临床试验阶段。位于美国马萨诸塞州的Moderna公司利用这种方法，制造了一款新冠病毒疫苗（mRNA-1273）。5月底，mRNA-1273疫苗的II期临床试验已经开启。

但是，相较于DNA疫苗，RNA疫苗的稳定性更差。人体内常见的酶都能快速降解RNA，高温也会破坏RNA。RNA疫苗通常必须冷冻或冷藏储存，这无疑会增加物流难度，尤其是在一些较贫穷的国家。而DNA疫苗可以在较高的温度下保持稳定。

巴鲁奇和强生公司的研究人员正在合作使用第三种方法制造疫苗：将DNA遗传信息插入一类普通感冒病毒（腺病毒）中。腺病毒疫苗载体被注射进入人体后，能够感染人体细胞，传递它携带的遗传信息。腺病毒擅长入侵细胞，但过去的研究表明，人类的免疫系统很容易识别出一些腺病毒，并在它们进入细胞之前对其进行攻击。巴鲁奇正在使用的，是一种经实验证实不太容易被人体识别的腺病毒。但是，一些专家还担心腺病毒可能在体内复制，引发疾病。为了解决这个问题，巴鲁奇的团队使用了一种无法复制的基因工程腺病毒——它无法在人体细胞内自我复制，因为人体无法为其提供一种复制需要的底物。

加速试验进程

一旦科学家通过实验室的细胞实验确认了疫苗的效果，便会在动物身上评估其安全性，以及能否激活免疫反应。随后，他们会在人体上进行测试，首先是通过小规模的人体试验检验疫苗的安全性和副作用，而接下来，还会通过更大规模的人体试验，检测疫苗的效果。4月6日，Inovio制药公司研发的DNA疫苗开始小规模人体试验，而这一时间距新冠病毒基因组的发表只过了3个月。

今年4月，美国政府承诺，如果试验进展顺利，将投入4.83亿美元以加速疫苗的大规模生产。巴鲁奇的研究团队也在短短4周内，就设计出了腺病毒疫苗的原型。强生公司与巴鲁奇等人合作，正在小鼠、雪貂和恒河猴等动物模型中测试这一疫苗。3月30日，美国政府和强生公司承诺投入10多亿美元，以资助大规模人体临床试验。如果疫苗在小规模试验中被证实有效，大规模临床试验将于今年9月开始。

尽管从病毒暴发到疫苗小规模测试的时间，比使用鸡胚胎制造疫苗要短得多，但基因工程疫苗的大规模试验依旧可能会持续数年。幸运的是，新冠病毒的变异速度似乎没有流感病毒那么快，这表明一旦一种有效的疫苗被开发出来，或许就能给接种者提供长期的保护。

除了观察疫苗的有效性，专家还关注了试验中的“疫苗增强性疾病”（Vaccine-enhanced disease，VED）——疫苗可能会无意中加重新冠病毒引起的新冠肺炎症状。在2004年的SARS疫苗试验中，雪貂在接种疫苗后出现了破坏性炎症反应。金说，虽然在试验中接种SARS疫苗的人没有表现出疾病加重的症状，但由于SARS疫情在2003年已经结束了，这些疫苗并没有经过大规模的人体试验。

各公司正在加快新冠病毒疫苗的研发进度，其中一种方法是在多种动物中测试疫苗的同时，进行小规模的人体试验。通常的疫苗研发过程是，一次性只在一种动物身上进行测试，完成动物试验后，在人体中测试，以确保疫苗的副作用较小、免疫效果良好，确实起到抵抗病毒的作用。研发时间的缩减也意味着更大的的风险。

为了让全球免受新冠病毒的侵袭，还需要强大的工业生产能力。此前从未进行过剂量高达数百万的DNA疫苗和RNA疫苗生产，而Inovio和Moderna这样的小公司，也不具备大批量生产疫苗的能力。据巴鲁奇称，虽然腺病毒疫苗在开始阶段耗时较多，但一旦证明其可行性，就可以迅速扩大生产规模。强生公司曾利用腺病毒载体，制造了数百万剂的埃博拉病毒疫苗，目前该疫苗正在处于大规模的人体试验阶段。还有少数研究小组正在研究其他的DNA疫苗技术，耗时可能会更长。

亚利桑那州立大学的病毒学家布伦达·G·霍格（Brenda G. Hogue）说，目前还没有一种疫苗原型受到明显的青睐，但她表示，遗传学研究工作的速度以及全力以赴的公司确实令人鼓舞：“我感到非常积极。”

（作者系查尔斯·施密特是美国波特兰市的自由撰稿人，涉及主题包括健康和环境。他曾为《科学美国人》撰写文章《PFC污染：全球健康隐患》和《噬菌体疗法：杀灭耐药菌》。译者系中国医学科学院微生物与生化药学博士、助理研究员，研究方向为抗病毒药物。）