肺結核：被遺忘了的流行病

編譯 凌寒

1949年，奧爾巴尼醫院結核病科主任魯本?埃里克森（Reuben Erickson，左）為嬰兒注射卡介苗

1921年7月18日，第一個嬰兒接種了一種活牛的細菌（牛結核分枝桿菌）。幾小時前，他出生于巴黎的一家醫院，他的母親因感染與牛結核分枝桿菌密切相關的人類病原體結核分枝桿菌而死亡。本將負責照顧孩子的祖母也患有肺結核（TB）。為了保護新生兒不要罹患這種疾病，醫生給他口服了一劑后來被命名為卡介苗（Bacille Calmette-Guérin，BCG）的疫苗，該命名是為了紀念其發明者阿爾伯特?卡爾梅特（Albert Calmette）和卡米爾?介朗（Camille Guérin）。這二人培養牛結核分枝桿菌已逾10年，直到它不再在動物中引起疾病。

如今，每年有超過1億的嬰兒接種卡介苗，主要集中在發展中國家，而該舉措挽救了成千上萬的生命。但它并不能提供完全的保護，肺結核仍然是地球上的頭號傳染病殺手。據估計，在過去的200年里，肺結核已經造成了10億人的死亡，僅2019年就有140萬人死亡。醫生們現在會使用抗生素來治療這種疾病，這一事實使得這個巨大的負擔變得更加悲慘。都柏林大學的感染生物學家斯蒂芬?戈登（Stephen Gordon）告訴他的學生，肺結核是“被遺忘的流行病”。

盡管卡介苗是目前唯一可用的肺結核疫苗，但研究人員幾十年來一直致力于研發出一種更好的疫苗。在對幾十種方法進行了試驗，經歷了一些臨床失敗后，那些在該領域工作的人員表示，第二種肺結核疫苗有望上市。“我們渠道很多——有著大量的候選品，”華盛頓大學傳染病學家托馬斯?豪恩（Thomas Hawn）說，“這讓我很樂觀。”

領跑者

有兩種候選疫苗處于3期臨床階段，緊隨其后另有8種疫苗處于2期臨床階段。再往前看，還有三種疫苗處于1期臨床階段（圖表中未顯示），另有一些臨床前候選疫苗正在努力向人體試驗階段推進。

活疫苗

VPM1002：一種活的減毒卡介苗，它含有來自另一種細菌的成孔蛋白，可使抗原和分枝桿菌DNA從吞噬體中流出進入細胞質BCG再接種：卡介苗的加強注射

MTBVAC：一種包含毒力基因突變的活的、經過基因弱化的結核分枝桿菌（第一個也是唯一進入臨床試驗階段的此類疫苗）

蛋白亞單位疫苗

M72 + ASO1：由兩個結核分枝桿菌抗原和一個佐劑組成的重組融合蛋白

H56:IC31：由兩種早期分泌蛋白和一種潛伏蛋白輔以佐劑組成的一種蛋白疫苗

ID93/GLA-SE：由四種結核分枝桿菌毒力抗原融合體與佐劑組成

GamTBVac：一種融合了兩種結核分枝桿菌抗原與佐劑的亞單位疫苗

全細胞疫苗

DAR-901：相關物種奧布分枝桿菌的滅活制劑，它不會引起疾病

MIP：一種滅活疫苗，由一種生長迅速但不會引起疾病的indicus pranii分枝桿菌組成

基于載體的疫苗

TB/Flu04L：一種通過鼻腔給藥的減毒活流感病毒，攜帶有結核分枝桿菌的兩種抗原

卡介苗的缺點

雖然肺結核通常被認為是一種嚴重的肺部疾病，會造成胸痛和經常性咳血，但在兒童中，感染通常會轉移到肺部以外。當這種疾病影響到多個器官時，可能會轉化為粟粒性肺結核，如果得不到抗生素治療通常幾乎是致命的；當大腦和脊髓周圍的膜被感染時，可能會轉化為結核性腦膜炎。卡介苗最大的好處之一是它可以預防這些形式的感染。“出生時即注射卡介苗可以持續且可靠地預防兒童體內結核病的彌散性傳播。”牛津大學的疫苗研究人員海倫?麥肯肖恩（Helen McShane）說道。

青少年和成人患者在肺結核病例中占比90%以上，在這些患者中肺結核表現為更為常見的肺部感染，出于某種原因，卡介苗在預防這種形式的疾病方面效果較差。麥肯肖恩說：“它為肺部疾病提供的保護是個可變量，而肺部疾病正是目前肺結核的負擔所在。”

奇怪的是，卡介苗對青少年和成人的保護力度因地域而異。該疫苗在斯堪的納維亞和其他高緯度地區有良好的效果，但在靠近赤道地區的人群中保護作用較弱。一種接受度較高的解釋是，在赤道地區發現的其他種類的分枝桿菌可以觸發人體產生一種免疫記憶，這種免疫記憶可識別并減少卡介苗的生物體增殖。麥肯肖恩說：“在世界上卡介苗似乎不太起作用的地區，接觸到非結核分枝桿菌的概率最大，所以這是這種關聯性的流行病學證據。”

更復雜的是，結核分枝桿菌可以潛伏在人體內數十年。大約有20億人受到了感染并處于潛伏期，當機會出現時——比如免疫系統抑制，這在艾滋病患者中很常見——細菌就會激活，使人發病，并更易于將這種空氣傳播型病原體傳播給其他人。

專家表示，理解這些動態的關鍵點在于免疫應答。結核分枝桿菌與人類共存了數千年，已經從分子層面上進化出了一些小花招，可以躲避人類的免疫雷達，甚至在被檢測到時也能使免疫應答變得遲鈍。當人們吸入結核分枝桿菌時，這種微生物隨即進入肺部，似乎會引誘免疫細胞。在肺部巡邏的肺泡巨噬細胞會吞噬結核分枝桿菌并試圖殺死它，但“它們卻在無意中提供了細菌想要進入的生態位”，戈登說道。在巨噬細胞內，結核分枝桿菌可免于抗體的追殺。

哥本哈根丹麥國立血清研究所肺結核疫苗研究負責人拉姆?莫特森（Rasmus Mortensen）在一封電子郵件中寫道，結核分枝桿菌的“蠟狀”膠囊有助于掩護細菌，使其不被免疫系統識別。如果分枝桿菌被巨噬細胞識別和攝取，它們一旦進入巨噬細胞，就能夠“阻止吞噬溶酶體的成熟，使其自身能夠留存在巨噬細胞內，甚至進行復制”。結核分枝桿菌還能夠干擾抗原呈遞（一線免疫細胞正是借由抗原呈遞來向輔助型T細胞展示肺結核桿菌抗原的），從而“延緩保護性T細胞應答的啟動，并限制T細胞啟動后的作用”。

機體最終會在被稱為肉芽腫的免疫細胞團內將結核分枝桿菌隔離開來，“在那里細菌就像一個定時炸彈，”戈登說道，“等待著你抵抗力下降這一合適時機。”

并不是所有的病例都很嚴重。大多數結核分枝桿菌感染者都沒什么大礙；只有5%～15%的人會發展為肺結核。南非開普敦大學的肺結核免疫學家托馬斯?斯克里巴（Thomas Scriba）評論道：“肺結核和人類已經針鋒相對地廝殺了很長一段時間了，勝負之間已經達到了非常好的平衡。”

在研肺結核疫苗多管齊下

卡介苗（BCG）可引起多重免疫反應，為兒童有效地抵御肺結核病，而在發展中國家肺結核病仍然很常見。疫苗的保護作用會隨著年齡的增長而減弱，而且病原體也會感染青少年和成年人，引發肺部疾病，其特征是持續的、有時帶血的咳嗽。研究人員并不確定免疫反應的哪些部分對于保護的有效性最為關鍵，他們正在采取多管齊下的方式用下一代肺結核疫苗來改進卡介苗。這里展示的一種主要的候選疫苗包含與卡介苗相同的微生物，但在基因層面上做出了一些調整，研究人員希望該候選疫苗能提供更好的保護。另一種候選疫苗則采用了完全不同的方法，即從卡介苗細菌中提取經過加工改造的抗原。還有一些正在研發中的肺結核疫苗，包括多種分枝桿菌（包括可引發肺結核的結核分枝桿菌）的活疫苗和整菌滅活疫苗，以及分枝桿菌抗原基因圖譜的病毒遞送。

BCG

這種擁有100年歷史的疫苗是一種與結核分枝桿菌（Mtb）相關的牛細菌的減毒活疫苗。接種該疫苗可將一線免疫細胞吸引到注射部位。樹突狀細胞和其他抗原呈遞細胞會在其表面呈現卡介苗微生物的某些部分，以驅動T細胞做出應答，而T細胞應答正可對抗未來病原體的感染，并訓練B細胞產生抗體。卡介苗和結核分枝桿菌都會進入被稱為吞噬體的囊泡中，在那里它們互相干擾并阻止自己進行破壞。然而卡介苗最終會降解，而結核分枝桿菌卻能在細胞內存活很長時間

肺結核病免疫保護的徒勞探索

研究人員并不知道卡介苗在保護兒童時究竟起到了什么樣的免疫學作用，他們對成人究竟需要什么樣的免疫應答才能保證疫苗有效仍有些許困惑。像大多數疫苗一樣，卡介苗在刺激抗體產生方面的表現要比招募強烈的T細胞反應方面好得多，而抗體正是機體用來對付細胞外微生物的。戈登說：“我們擁有的幾乎每一種疫苗都是通過產生中和抗體來發揮作用的，但對于肺結核病，我們認為只靠中和抗體還不夠。”

疫苗有關的保護相關性（COPs）是一種可度量的免疫反應，用于指代預防感染的效果，只有從數千名進行了成功的安慰劑對照試驗的志愿者中獲得樣本時，才能測算出COPs。“我們無法從血液中明確檢測出這位患者接種了疫苗并已獲得保護。” 默多克兒童研究所和墨爾本大學的肺結核疫苗研究人員奈杰爾?柯蒂斯（Nigel Curtis）說道。

多年來，科學家一直認為，T細胞消滅被感染細胞時產生的強烈反應是抵御肺結核病的關鍵。“大量研究表明需要CD4+T（也叫作TH1）細胞，”莫特森說道，這似乎是“控制感染和預防傳播性疾病的必要條件。”然而，他指出，更多的CD4+T細胞并不一定意味著會對肺結核病有著更好的預防作用，因此它們的豐度并不能作為完美的COP。近年來，人們認為可產生促炎細胞因子的輔助型T細胞17（Th17）具有保護作用，莫特森補充道。

為了制造一種能夠很好地募集和激活T細胞的疫苗，牛津大學的麥肯肖恩團隊使用了一種改良過的安卡拉牛痘（MVA）病毒作為載體，用以遞送肺結核抗原85A。在早期的臨床試驗中，生成的MVA85A疫苗“激發了我們認為正確的免疫反應類型”，麥肯肖恩回憶道——具體來說就是，疫苗注射誘導了CD4+T細胞分泌干擾素γ、腫瘤壞死因子和白細胞介素-2。然而，在南非對已經接種過卡介苗的嬰兒進行的一項試驗中，接種MVA85A與單純接種卡介苗相比并沒有顯示出優勢。“讓所有人都感到驚訝的是，試驗發現這種疫苗并不能預防肺結核。”柯蒂斯說道。他沒有參與這項試驗。對他來說，這表明“我們用來度量的東西和我們認為具有保護作用的東西都是錯誤的”。研究人員得出的結論是，試驗中誘導出的T細胞應答水平并不足以增強注射了卡介苗后的保護作用。

“肺結核是一種呼吸道感染病，現在的問題是，我們幾乎總是聚焦于研究血液中發生了什么，”倫敦衛生與熱帶醫學院免疫學家黑茲爾?道克里爾（Hazel Dockrell）說，“但這并不能讓你了解肺部發生了什么，而肺部的特殊細胞在抗擊肺結核中可能是至關重要的。”

VPM1002全細胞疫苗

注射經過基因修飾的卡介苗。巨噬細胞將細菌納入體內的吞噬體中，吞噬體中會產生一種酶，該酶作用下吞噬體膜上形成孔隙。這使得抗原泄出到細胞溶質中并觸發炎癥小體的活化，該過程類似于細胞對結核分枝桿菌做出的反應，而卡介苗沒有這種效果

正在研發中的肺結核疫苗

目前正在進行臨床試驗的肺結核疫苗有超過12種。雖然新的肺結核疫苗可能無法阻止一個人被感染，但一些疫苗已經顯示出它們可以阻止被感染者發展為疾病的跡象。“能夠阻止感染的疫苗猶如和璧隋珠，但它真的是很高的門檻，”戈登承認，“阻止潛伏期的感染者發展為疾病才是游戲規則的變革者。”在幾乎所有的肺結核疫苗試驗中，志愿者都有潛伏的肺結核感染并且既往對卡介苗免疫。

有兩種疫苗——臨床2a期的MTBVAC和臨床3期的VPM1002——正在成人以及嬰兒和新生兒中進行試驗，這可能對免疫功能缺陷的艾滋病毒兒童特別有用。這是很值得注意的，因為大多數肺結核候選疫苗都正在青少年和成人中進行試驗。“如果我們能阻止青少年和成年人感染肺結核，那么我們就不用擔心需要肺結核疫苗的兒童了。”斯克里巴說道。

討論度最高的候選疫苗當屬M72，這是葛蘭素史克（GSK）正在開發的一種蛋白質亞單位疫苗。該疫苗融合了結核分枝桿菌的兩種蛋白質及一種佐劑AS01，該佐劑也被GSK用在其熱銷的帶狀皰疹疫苗和領先的瘧疾候選疫苗中。盡管M72疫苗在非人類靈長動物身上看起來并不那么有希望，但在最近的一項涉及肯尼亞、南非和贊比亞3 000多名成年人的試驗中，它將三年內肺結核的發病率降低了54%。

因為這種疫苗不過是幾組蛋白質而已，“我曾經懷疑過這種疫苗能否奏效。” 臨床研究員羅伯特?威爾金森（Robert Wilkinson）說道。他是倫敦弗朗西斯?克里克研究所的一名肺結核研究人員。威爾金森解釋說，卡介苗是一種活的、可復制的載體，模擬了自然感染結核分枝桿菌時較慢的轉化狀態。雖然在青春期保護作用減弱，但卡介苗在整個兒童時期都能預防肺結核。“在我的直覺中，對肺結核病最有效的疫苗應該是這樣的：能夠提供足夠長的免疫刺激期，以避免自然感染……從這個方面來講，我是錯的，因為M72提供的保護可持續三年時間。”

豪恩并未參與M72的開發，他把功勞歸功于疫苗的佐劑，該佐劑可以觸發一種被稱為toll樣受體4 （TLR4）的先天免疫受體，從而產生強烈的免疫反應，這種免疫反應除了能夠募集可產生抗體的B細胞外，還能募集T細胞。“縱觀歷史，我們從未有過能發揮如此強效力的佐劑，”他解釋道，“現在我們有了新的佐劑，我們以更微妙的方式觸發不同免疫反應的能力也有了很大提高。”

M72蛋白亞單位疫苗

構成卡介苗的兩個來源于分枝桿菌的重組蛋白融合在一起并進行注射。免疫細胞將融合蛋白吸收，然后將它們呈現在細胞表面，從而引發針對抗原的免疫反應。葛蘭素史克的一種專利佐劑（AS01）可以增強免疫反應

威爾金森指出，在安慰劑組中只有26例肺結核病例，在疫苗組中只有13例。他說，在尋求監管機構的緊急使用授權之前，下一步顯然需要進行涉及數萬人的更大規模的試驗。

與此同時，哥本哈根丹麥國立血清研究所正在開發兩種亞單位疫苗，其主要候選疫苗H56包含三種抗原和一種新型佐劑，正在坦桑尼亞和南非進行2b期臨床試驗。該研究所還在開發一種名為H107的亞單位疫苗，該疫苗含有八種結核分枝桿菌特有的抗原。由于這些抗原跟卡介苗包含的抗原不同，H107疫苗“不會與卡介苗發生交叉反應，這就意味著這兩種疫苗可以共同使用”，領導H107開發的莫特森說。

其他一些帶有佐劑的蛋白質亞單位疫苗在早期和中期試驗中看起來很有前景，但最終都失敗了，這讓澳大利亞昆士蘭州詹姆斯庫克大學的疫苗學家安德烈亞斯?庫普茲（Andreas Kupz）對這種方法失去了興趣。“總的來說，人們對這些疫苗感到失望。”庫普茲說，他認為采用原始版本卡介苗的方法開發活疫苗更有希望。例如，比爾和梅林達?蓋茨醫學研究所正在進行一項試驗，給南非10至18歲的人群注射卡介苗增強劑。莫特森說，這種方法“以前被認為是無效的”，但是蓋茨研究所的試驗表明，在南非青少年中，注射增強劑可以預防45%的持續性肺結核感染，抑或預防持續6個月以上的感染。道克里爾解釋說：“這并不能預防他們（對肺結核）的血液檢測呈陽性，我們認為這意味著他們還是被感染了，但是他們中的更多人又轉陰了，這表明他們將感染清除了。”

幾種新的活疫苗正在研發中，其中最先進的是VPM1002，這是一種經過基因修飾的卡介苗，目前正處于第三期試驗階段。VPM1002的研發是柏林馬克斯?普朗克感染生物學研究所斯蒂芬?考夫曼（Stefan Kaufmann）牽頭的一個項目的一部分。“我們覺得卡介苗一點也不差，”考夫曼說，“但我們希望改善它對新生兒的作用，當然最好也能應用于成人和青少年。”在他們對疫苗所做的其他改進中，考夫曼及其同事們加入了一種來自李斯特菌的致孔蛋白（李斯特菌溶血素O）基因。一旦細菌被一線免疫細胞（如巨噬細胞）吞噬，它就會被隔離在被稱為吞噬體的小室中；李斯特菌溶血素O可在吞噬體膜上穿孔，使得VPM1002來源的分子泄出，這些分子被呈現在細胞表面，誘導CD8+T細胞攻擊被感染的細胞，還能誘導DNA的逃逸，啟動促炎通路。

另一種候選活疫苗與卡介苗的區別更大，因為它使用的就是結核分枝桿菌本身。威爾金森說：“人們相信，如果你能模擬的更接近自然感染，那可能就是一條成功之路。”西班牙薩拉戈薩大學的研究人員開發了號稱MTBVAC的疫苗，該疫苗刪除了兩種毒性基因，使結核分枝桿菌更加安全，目前正在進行臨床2a期試驗測試這種經過修飾的細菌。荷蘭內梅亨大學的免疫學家米哈伊?乃提雅（Mihai Netea）在一封電子郵件中寫道：“與卡介苗相比，MTBVAC能更好地模擬肺結核病的感染過程，并誘發更相似的免疫反應記憶，以達到更好的保護性。” 他在過去的幾年中參與了MTBVAC免疫學特性的研究。

斯克里巴敲響了警鐘：既然赤道附近數量較多的分枝桿菌似乎會降低卡介苗對成年人的有效性，那么同樣的現象可能也會在這些新的分枝桿菌活疫苗上重演。“有相當好的證據表明，對環境分枝桿菌的免疫應答會干擾卡介苗的效力。那么問題來了，對于MTBVAC和VPM1002來說，這種干擾的嚴重程度有多大？”斯克里巴說道。給那些一生都暴露在分枝桿菌中的老年人注射疫苗的話，不知道又會有什么吸引人的結果。如果分枝桿菌之間的交叉反應確實存在問題，那么蛋白質亞單位疫苗或基于載體的疫苗（例如麥肯肖恩的研究小組正在研究的疫苗）可能會是更好的選擇。“你肯定不會想把所有的雞蛋都放在一個籃子里的。”斯克里巴說道。

消滅肺結核

為了重振肺結核疫苗的風采，研究人員必須考慮到卡介苗不僅有助于預防肺結核病，它還能使免疫系統時刻準備好抵御更廣泛的呼吸系統疾病，甚至是敗血癥。在卡介苗被廣泛使用后不久，研究人員就觀察到了這種非特異性保護，當時接種疫苗不僅降低了兒童中的肺結核死亡率，而且還減少了其他原因造成的死亡。卡介苗現在也被用作治療早期膀胱癌的免疫療法，將卡介苗直接注射入膀胱，激發患者的免疫系統攻擊腫瘤。相關的VPM1002疫苗在臨床試驗中的表現，也給膀胱癌的治療帶來了希望。

在過去的十年里，研究人員穩步揭示了這些非特異性效應的機制，發現它涉及先天免疫細胞的基因重組，這種現象被稱為訓練免疫。庫普茲解釋說：“從本質上講，人們現在相信通過注射卡介苗，你可以在表觀遺傳學層面上留下一種記憶，使這些細胞對隨后的其他感染做出反應。”一些科學家甚至推測，這種免疫防御的常規機制可以解釋卡介苗對肺結核提供的大部分或全部保護。雖然大多數正在開發中的肺結核疫苗正在進行專門針對肺結核病的試驗，但柯蒂斯目前正在領導一項對接受過卡介苗的醫務工作者進行的多國試驗，以研究卡介苗是否對SARS-CoV-2感染有影響。

目前，COVID-19疫情使得肺結核疫苗的開發變得復雜化。接受《科學家》（The Scientist）雜志采訪的專家指出，有些肺結核疫苗試驗已被推遲或減緩進度。威爾金森說：“這肯定對我們造成了阻礙，因為我們本可以完成這項（關于M72的）試驗。”此外，麥肯肖恩補充說，肺結核病例很有可能未再報告，而且在疫情期間其治療也有所滯后，“針對另一種病原體的全球封鎖，打亂了肺結核防控項目的步伐。”

的確，非政府組織遏制肺結核聯盟的數據顯示，2020年，在肺結核病例最多的9個國家中，肺結核感染的診斷和治療人數大幅下降，降幅范圍在16%～41%。該組織估計，COVID-19疫情肆虐的12個月即抹殺了全球抗擊肺結核病12年來取得的進展。考夫曼說，由于疫情的干擾，2020年官方統計的肺結核的病例數和死亡人數可能會降低，“但2020年中肺結核奪走的生命數量可能會超過COVID-19，因為未經確診的肺結核患者將無法得到救治”。

95%以上的肺結核死亡發生在中低收入國家。倫敦衛生和熱帶醫學院的一項研究估計，基本的社會支持可以減少85%的肺結核病負擔。“我們很好地適應了它，”斯克里巴說道，“但是惡劣的生活條件、貧困、過度擁擠、由于艾滋病毒而引發的免疫缺陷——這些都會導致更多的疾病。”世界衛生組織說，在實施現有的肺結核病干預措施方面仍有33億美元的資源缺口。

疫苗可以成為應對肺結核感染和死亡災害的全球性戰略的重要組成部分。“如果我們有一種可以阻斷（疫苗接種者）因潛伏感染而發展成肺結核疾病的疫苗，或者更好的是可以根除這種潛伏感染，那將會是了不起的成就。”麥肯肖恩說道。

盡管疫情暫時阻礙了疫苗的開發，但人們希望能從COVID-19疫苗研發的緊張工作中取取經，即使肺結核病更難搞定。“對于疫苗開發來說，COVID是更容易解決的對象。而肺結核要復雜得多，”麥肯肖恩承認，“盡管如此，我們仍需要嘗試，看看可以從中吸取什么教訓，以便更快地推動肺結核疫苗的發展。”例如，一些研究人員提出，號稱對免疫系統具有強烈刺激作用的mRNA疫苗策略，也可以針對肺結核進行應用。斯克里巴說：“我對信使mRNA疫苗技術感到非常興奮，希望這些技術不久就能應用于肺結核，因為mRNA顯然非常靈活，而且具有極強的免疫原性。”

無論答案在哪里，該領域的研究人員都決心要找到它，臨床研究也在不斷推進。“這是所有傳染性疾病中最大的殺手，”庫普茲說，“我們需要更好的肺結核疫苗。”

資料來源The Scientist