艾滋病疫苗突破需要顛覆性思維

譚曙光 施一 劉軍 高福

當智能手機、互聯網、人工智能給我們的生活帶來翻天覆地的變革，當靶向治療、免疫治療給腫瘤治療帶來無限可能和希望，當天花病毒經過疫苗免疫早已被人類消滅，我們愕然發現人類努力了30余年仍然沒能在艾滋病疫苗領域取得實質性突破，從而成為《Science》提出的125個最具挑戰的問題之一。自1981年被發現以來，人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）引起的艾滋病（acquired immunodeficiency syndrome，AIDS）已經造成全球范圍內6000多萬人感染和3000多萬人死亡，盡管經過幾十年抗病毒藥物的開發使得HIV已經逐漸變成一種可控的慢性疾病，感染者可以長期帶毒生存，但有效預防HIV感染的疫苗仍未被開發出來，這里的科學問題很多，但最根本的還是人類對病毒與宿主免疫本質的認識有限。

1 究竟什么是疫苗

疫苗是一類能夠引起機體免疫反應應答的生物制劑，通常為蛋白、多糖或核酸，以單一成分或含有效成分的復雜顆粒形式，或通過活的減毒致病原或載體，進入機體后產生破壞或抑制致病原的特異性免疫應答來預防或治療疾病，或達到特定醫學目的。

通過接種低風險的滅活疫苗、減毒活疫苗或亞單位疫苗激發體內產生針對特定病原的特異性免疫反應，進而保護個體能夠預防特定病原感染，是目前人類對抗傳染病的最有效手段之一。中醫書籍《醫宗金鑒》記載，早在16世紀（我國明朝），我國民間就已經出現了“鼻苗”，通過使用人痘預防天花的方法。18世紀末，英國醫生愛德華·詹納通過科學系統的研究，證明接種牛痘能夠預防天花，并在全世界范圍內得到推廣，從而開啟了近代免疫學的發展歷程，愛德華·詹納也由此被譽為“免疫學之父”。1980年，世界衛生組織（WHO）宣布全球范圍內消滅天花，天花成為第一個因為疫苗接種而被消滅的傳染病。除天花外，乙肝、白喉、破傷風、甲肝、百日咳、脊髓灰質炎、麻疹、乙型腦炎、流行性腮腺炎等疫苗都被成功開發出來，目前已經實現計劃免疫，對傳染病的防控發揮了不可替代的作用。一直被稱為中國“國病”的乙型肝炎也通過疫苗接種得到了有效遏制。不僅如此，近年來，寨卡病毒、埃博拉病毒和禽流感病毒等新發突發傳染病相關疫苗的研發也在順利進行當中。這些不斷被突破的疫苗似乎在告訴人們，可怕的傳染病將很快得到有效的預防和控制。然而，在一些重要傳染病面前，我們仍然束手無策，疫苗的成功研發困難重重，艾滋病疫苗便是其中最為典型的代表。

2 對HIV感染保護性免疫的認識

機體免疫系統由天然免疫和獲得性免疫組成，獲得性免疫包括體液免疫和細胞免疫。免疫記憶是獲得性免疫的特性，同時也構成了疫苗免疫后持續性保護的基礎。HIV病毒主要感染CD4+T細胞，而CD4+T細胞對機體免疫反應的產生、維持及免疫記憶都具有重要作用。天然免疫系統能夠通過模式識別受體（pattern recognition receptors，PRR）識別HIV感染，進而募集一系列免疫細胞反應，對于控制HIV感染及獲得性免疫反應的產生具有重要意義。盡管如此，天然免疫的激發在疫苗研發過程中并未受到足夠的重視。鑒于天然免疫對于獲得性免疫有著重要的調節作用，對于疫苗免疫效果具有重要影響，在今后的HIV疫苗研發過程中應該受到關注。

現有HIV疫苗研發處于困境的一個重要原因，在于目前的研究尚未完全明確什么樣的細胞免疫和/或體液免疫能夠對HIV感染提供有效的免疫保護，并控制HIV感染后的疾病進展。由于目前仍然缺乏能夠完全模擬人體感染HIV病理反應及疾病進展的動物模型，對HIV感染保護性免疫的研究造成了一定的障礙，而少量的HIV感染長期不進展人群的存在為我們研究HIV感染保護性免疫的特征提供了重要參考。HIV感染長期不進展一般定義為HIV感染者在不接受抗病毒治療的情況下，至少5年內能夠長期維持＜50病毒拷貝數/mL血漿的低病毒載量，CD4+T細胞水平持續穩定。對于HIV感染LTNPs和HIV感染進展人群免疫反應水平和特征的比較研究，為我們深入理解HIV保護性免疫提供了重要信息。

研究表明，LTNPs中HIV特異性的多功能CD4+T細胞頻率顯著高于HIV感染進展人群，提示多功能CD4+T細胞在HIV感染保護中可能具有重要作用。CD8+T細胞由于能夠直接殺傷HIV感染的細胞，被認為在HIV感染控制過程中發揮了關鍵作用，LTNP人群中HLA-B*5701比例顯著高于基礎人群比例（美國白種人）的事實提示 CD8+T細胞在HIV感染控制中的重要作用。此外，猴免疫缺陷病毒（simian immunodeficiency virus，SIV）感染模型的研究明確表明CD8+T細胞的缺失能夠導致 SIV病毒水平的顯著升高。然而，HIV感染進展人群中同樣含有較高水平的 HIV特異性CD8+T細胞。進一步研究提示，HIV病毒特異性CD8+T細胞的多功能特征而非數量水平決定了HIV感染后的疾病進程。CD8+T細胞的功能特征包含多方面信息，包括 T細胞表面分化相關分子表達、T細胞受體（TCR）多態性、T細胞活化閾值及分泌細胞因子特性、抗病毒活性等。在 LTNP群體中存在更多的多功能CD8+T細胞，表明這一類T細胞在HIV感染疾病進程控制過程中發揮了重要作用。然而，這些CD8+T細胞的功能特性究竟是HIV感染進程控制的“因”還是“果”目前尚存在爭議。但是一個事實是清楚的，HIV感染破壞了CD4+T細胞，使其逐漸耗竭而使感染者容易繼發機會性感染或其他疾病而導致死亡；CD8+T細胞盡管不是HIV病毒直接靶細胞，但其單獨作用不足以清除HIV感染。

中和抗體，尤其是廣譜中和抗體的存在被認為是 LTNP群體得以成功控制疾病進程的關鍵因素之一，因此，能否誘導大量廣譜中和抗體的產生目前被認為是HIV疫苗研發的關鍵。目前，通過結構生物學手段已經解析了多個HIV廣譜中和抗體的作用位點，發現其主要分布在 HIV病毒表面糖蛋白 Env抗原的5個區域，即CD4結合區域、V1V2區域、V3區域、gp120-gp41接合面區域和胞外近膜區域。廣譜中和抗體作用位點的鑒定為反向疫苗學設計提供了重要思路和方向。VRC01是最具代表性的廣譜中和性抗體，能夠靶向Env抗原的CD4受體結合區域，阻斷HIV與受體CD4之間的結合，進而抑制HIV病毒入侵 CD4+T細胞，體外實驗表明其能夠中和目前 90%以上的 HIV流行株。目前，美國國立衛生研究院（NIH）下屬的國立過敏反應與傳染病研究所（NIAID）正在組織開展Ⅱ期臨床試驗，通過多次注射VRC01抗體來驗證過繼性廣譜中和抗體能否降低HIV感染風險（美國臨床試驗注冊號：NCT02568215，NCT02716675）。廣譜中和抗體的產生是病毒與中和抗體在病人體內長期共同進化的結果，在此過程中，HIV病毒變異與中和抗體的產生和成熟不斷博弈，輪番上演“中和抗體抑制”—“突變逃逸”—“新的中和抗體抑制”過程，一般需要經過 2～4年甚至更久的時間才能在15%～20%的個體中產生能夠對多種變異毒株具有廣譜中和活性的抗體。然而，目前開發的疫苗在臨床研究中都不能有效激發機體產生大量的廣譜中和抗體。

除中和抗體外，依賴于抗體依賴的細胞殺傷效應（ADCC）發揮抗病毒作用的非中和抗體的存在對于HIV感染后的疾病控制也具有重要意義，而非中和抗體與中和抗體，尤其是廣譜中和抗體在HIV感染疾病進程中的產生和成熟過程及其對HIV感染控制的意義目前仍未完全明晰。擺在我們面前的一個更為重要科學問題在于，盡管在一些 HIV陽性個體中存在廣譜中和抗體，但不是所有體內存在廣譜中和抗體的個體都能夠保持長期不進展，而這些廣譜中和抗體為什么不能發揮清除病毒、徹底保護HIV陽性人群呢？

3 HIV疫苗發展歷程及當前研發方向

在過去30年，HIV疫苗研發經歷了3個階段：第一階段，疫苗研發以激發體液免疫的產生為主要目標，利用現有成功的疫苗開發技術，以Vaxgen公司的AIDSVAX B/B和AIDSVAX B/E為代表，其 Ⅲ 期臨床試驗的失敗提示只有抗體免疫不能對HIV感染提供足夠的免疫保護；第二階段，疫苗開發以激發T細胞免疫反應為主要目標，以默克公司和美國NIH的MRKAd5 HIV為代表，Ⅲ 期臨床試驗表明該疫苗不僅不能對HIV感染產生有效的免疫保護，還有增加HIV感染幾率的風險，表明只有 T細胞免疫也不能提供有效的免疫保護；第三階段，疫苗開發以同時激發體液免疫和細胞免疫為目標，以Vaxgen公司AIDSVAX B/E和Aventis Pasteur公司的痘病毒載體疫苗聯合組成的RV144疫苗為代表，在Ⅲ期臨床研究中表現出31.2%的保護效率，盡管保護效果并不盡如人意，但RV144是目前開發的HIV疫苗中唯一一個明確的在一定比例的人群中產生有效的免疫保護效果的疫苗，為我們認識HIV疫苗保護性免疫和進一步的疫苗研發提供了寶貴的經驗，但仍不足以產生有效的人群保護。

盡管HIV疫苗研發道路曲折，目前仍有多個HIV疫苗在開展Ⅱ/Ⅲ期臨床研究。美國NIH與南非衛生部及大型跨國藥企合作實施P5計劃（pox protein public private partnership），以RV144的部分成功經驗為基礎，在南非開展RV144疫苗（所用疫苗抗原來自南非HIV流行株）的重復試驗（HVTN 702）。強森公司以非復制型 Ad26病毒為載體的HIV-V-A004/APPROACH疫苗在開展Ⅱb期臨床試驗。另外還包括中國疾病預防控制中心開發的DNA復制型痘病毒（rTV）載體聯合Ⅱb期臨床試驗。這些臨床研究的開展將為新一代疫苗的開發提供重要的參考信息。

近年來，廣譜中和抗體的發現及結合位點的解析促進了反向疫苗學的發展，反向疫苗學從微生物基因組或蛋白質組出發，利用生物信息學、免疫學等相關技術手段，篩選和鑒定出具有一定免疫原性特征的蛋白質，作為疫苗抗原。目前已經開發了多種策略進行HIV反向疫苗學設計，使疫苗能夠更多地產生廣譜中和抗體。這些策略包括：設計廣譜中和抗體靶向的最小抗原表位作為免疫原；通過突變設計結構更為穩定的三聚體 Env抗原，以BG505 SOSIP gp140三聚體疫苗為代表。目前，人們通過反向疫苗學對廣譜中和抗體的產生和演化過程進行了多項研究，并實現了一定的突破，對我們理解廣譜中和抗體的產生和進一步疫苗研發提供了重要信息。以BG505 SOSIP三聚體疫苗為基礎，通過不同突變水平的BG505 SOSIP疫苗序貫免疫廣譜中和抗體 PGT121前體基因的轉基因小鼠，能夠在小鼠體內誘導產生針對V3保守區的廣譜中和抗體。廣譜中和抗體的產生和成熟需要胚系B細胞的分化和成熟，而這個過程需要活化的T細胞免疫環境。腫瘤免疫檢查點阻斷療法的成功表明通過調節免疫檢查點信號能夠打破免疫耐受，激活型免疫檢查點抗體在人乳頭瘤病毒（HPV）疫苗開發中已經被證實能夠產生具有更好保護效果的細胞免疫應答，由此推測激活型免疫檢查點抗體對HIV廣譜中和抗體胚系 B細胞的分化和成熟過程可能也具有重要作用，因此結合免疫檢查點阻斷療法可能會給疫苗設計或免疫方案提供重要思路。

盡管中和抗體作為HIV感染防御的重要防線對疫苗效果起關鍵作用，可是T細胞免疫對于清除被感染細胞及抑制病毒復制等也具有重要作用。因此，在新型HIV疫苗開發過程中，T細胞免疫的產生也是一個重點環節。過去的 T細胞疫苗盡管在疫苗接種后能夠產生一定水平的 T細胞免疫反應，但這并不能對HIV感染提供有效的免疫保護。最近幾年，美國Piker及其團隊利用巨細胞病毒（CMV）載體構建了一個包括除vif基因外所有SIV基因的疫苗，RhCMV68.1，通過在非人靈長類動物模型中的研究發現，盡管該疫苗并不能阻止 SIV病毒感染，但令人意外的是該疫苗免疫后55%的動物體內 SIV病毒被完全清除。通過進一步研究表明，發揮作用的是非常規的Ⅱ類主要組織相容性復合物（MHC-Ⅱ）類限制性或 MHC-E限制性的CD8+T細胞。盡管在人體臨床研究中的效果仍存在懸念，但這一研究拓展了我們對于抗病毒感染T細胞疫的認識，為新型HIV疫苗的開發提供了重要方向。

4 HIV疫苗開發困境和關鍵科學問題

自HIV發現至今的30多年時間里，全球科學家和產業界從未停止進行 HIV疫苗開發，雖屢戰屢敗，仍屢敗屢戰。從體液免疫到細胞免疫再到兩者并重，從亞單位疫苗到 DNA疫苗再到病毒載體疫苗直至反向疫苗學的新設計等，HIV疫苗設計的各種嘗試不可謂不廣。然而，我們仍未能開發出普遍有效的HIV疫苗。HIV疫苗的開發瓶頸是多方面的，既有病毒自身的原因，也有思維認識及現有技術手段局限等因素。

HIV病毒感染與其他病毒相比較有其自身顯著的特點，導致疫苗研發相對其他病毒要更加困難。首先，HIV病毒直接感染CD4+T細胞，這直接導致了感染后機體免疫機能的損傷，對特異性抗體的產生及CD8+T細胞免疫的功能及分化等均造成不利影響。另一方面，HIV病毒慢性感染條件下的高頻率變異以及多種免疫逃逸策略，使得HIV病毒感染后機體免疫系統對HIV感染控制能力明顯不足。再次，HIV病毒特殊的復制周期使其能夠實現在體內形成不易被清除的病毒儲存庫，使得病毒完全清除非常困難。不僅如此，不排除HIV病毒感染還有一些目前尚未明晰的免疫逃逸及病毒清除障礙，HIV病毒的這些特性使得針對其開發預防性疫苗充滿挑戰，傳統思維很難研發出“經典”疫苗。

目前我們對于什么樣的抗體和/或免疫細胞能夠提供對HIV感染有效的免疫保護，以及通過哪種手段來獲得這些持久的保護性免疫，仍然沒有完全明晰。盡管通過 LTNP人群的隊列研究發現了一些線索，多個研究都明確表明大量廣譜中和抗體的存在對于控制HIV感染后疾病進展具有重要意義，然而這些廣譜中和抗體是如何經過體內胚系 B細胞篩選、分化、成熟產生的，什么樣的抗原及免疫途徑或策略能夠激發出足夠的、有效的、持久的廣譜中和抗體，這些關鍵的科學問題仍未闡明。此外，哪些CD4+或CD8+T細胞免疫反應特性是與HIV感染的疾病進展控制相關的，而這些特征與HIV感染疾病進程的因果關系如何、如何能夠突破HIV感染的免疫耐受和免疫逃逸產生廣譜保護性T細胞免疫等，這些重要機制仍尚待解決。

不僅如此，能夠精確模擬人體感染后病理反應及疾病進程的動物模型的缺失仍然是HIV疫苗研發的一個關鍵性障礙，因此，新型HIV感染動物模型的建立對HIV疫苗的研發具有重要意義。

5 結束語

在人類與腫瘤經歷了長期的斗爭后，終于發現了腫瘤的“阿喀琉斯之踵”，推動了近年來蓬勃發展的腫瘤免疫治療，為人類最終征服腫瘤帶來了希望。腫瘤免疫治療的成功也讓人們認識到了機體免疫系統的強大力量。然而，在人類與HIV戰斗的30余年的時間里，仍然沒有找到HIV感染的“阿喀琉斯之踵”。機體免疫系統高度復雜，我們對于HIV感染的免疫保護機制仍然有很多未知，需要投入大量的資源和時間去完全搞清楚這些機制。HIV疫苗研發能否突破現有的科研思維和研發思路是其成功的關鍵，因此，我們要大膽嘗試新方法新技術，基因編輯、細胞治療、免疫治療等相關技術和思路都可能為 HIV疫苗開發提供參考，需要運用顛覆性科研思維來進行HIV疫苗研發。

回顧歷史，當人類對于病原細菌束手無策時，弗萊明的偶然發現導致了青霉素的發明，而后各種抗生素層出不窮，這在當時就是一種顛覆性思維；詹納對于疫苗、免疫的科學發現也是源于細心的觀察而導致的有悖于傳統認知的發現。因此，艾滋病疫苗的成功開發可能也需要這樣的一個“偶然”機會的到來，或許這種“疫苗”與經典疫苗沒有任何關系，甚至不能被稱為是“疫苗”，而是需要一個新名詞來定義它。創造需要新思維，創新需要新膽略。☉