新型冠狀病毒疫苗的研究進展

胡明霞， 袁建明， 張 彬， 秦 剛

新型冠狀病毒嚴重危害全球公眾健康。2019年12月發現多例新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）病例，此后疫情迅速蔓延至全球，造成大量的感染和死亡病例，對全球公共衛生安全造成巨大的威脅。COVID-19在全球范圍內大流行，它以指數速率蔓延，目前尚無有效的藥物治療這種疾病，新型冠狀病毒的疫苗對于遏制COVID-19的傳播，改善全球健康至關重要。在中國新型冠狀病毒傳播的基本再生數（R0）為2.40，疫苗接種率達到83.3%可形成群體免疫。據我國衛生健康委員會通報，截至2022年6月23日，我國累計報告接種新型冠狀病毒疫苗超過33.9億劑次，疫苗接種總人數超過12.9億，覆蓋人數和全程接種人數分別占全國總人口的91.74%和89.73%。

1 新型冠狀病毒結構和疫苗靶點選擇

新型冠狀病毒屬于冠狀病毒科β冠狀病毒屬，是一種表面有包膜的單股正鏈RNA病毒。成熟的新型冠狀病毒具有4種結構蛋白，即突刺蛋白（S）、包膜蛋白（E）、膜蛋白（M）和核衣殼蛋白（N），所有這些蛋白質沿著病毒RNA基因組嵌入病毒表面包膜中[1-2]。除了這些結構蛋白外，新型冠狀病毒還編碼16個非結構蛋白（NSP1-16）和9個輔助蛋白[3]。S蛋白是三聚體跨膜糖蛋白，在病毒表面形成特殊的花冠結構，負責識別和結合細胞受體并介導病毒膜和宿主細胞膜融合，是介導病毒進入宿主細胞的主要蛋白。M蛋白和E蛋白主要參與病毒的組裝和裝配[4]。N蛋白起著保護基因組的作用，N蛋白的N端和C端均可與病毒RNA結合，N蛋白主要負責RNA的復制功能，常被用于冠狀病毒的診斷檢測。

S蛋白由膜遠端的S1亞基和膜近端的S2亞基組成，S1亞基負責識別宿主細胞受體并結合，S2亞基負責病毒膜與細胞膜融合。在新型冠狀病毒感染過程中，受體結合域（RBD）與其細胞受體的人血管緊張素轉換酶2（hACE2）結合，隨后S蛋白被宿主蛋白酶切割，釋放融合肽（FP）與RBD之間的結構約束，S1亞基與S2亞基解離，分離后的S2亞基重折疊，FP重排到端部，其后融合構象的S2亞基作為長螺旋束，其FP插入宿主細胞膜[3，5-6]。中和抗體可以在病毒入侵人體過程中靶向S蛋白以抑制病毒感染，RBD是干擾病毒受體結合的中和抗體的主要靶標[7-9]。迄今為止，大多數有效的疫苗是產生靶向RBD的中和抗體。此外，在新型冠狀病毒和中東呼吸綜合征冠狀病毒（MERS-CoV）感染中也有報道了靶向N端結構域（NTD）的中和抗體，使其成為新型冠狀病毒疫苗的另一個潛在靶標[10-13]。針對S2亞基的干擾S蛋白結構重排和FP與膜融合的中和抗體也是新型冠狀病毒疫苗的潛在靶標[10，13-15]。與S蛋白不同，冠狀病毒M和E蛋白質體液免疫原性差，可能是由于它們分子量小和供細胞免疫識別的胞外域小，一般認為其并非產生免疫應答的主要靶點[16-17]。滅活的病毒疫苗實際是以整個病毒顆粒為免疫原，除了其S蛋白可以引起人體免疫反應產生具有保護作用的中和抗體，其含有的大量N蛋白也可能引起免疫反應產生抗體，但是針對N蛋白產生的抗體并不能阻止新型冠狀病毒與ACE2結合，因此不具有保護作用，不能稱為中和抗體[18]。在嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒（SARSCoV）的早期研究中，表明表達N蛋白的疫苗沒有提供保護，反而通過增加肺嗜酸粒細胞浸潤和Th2細胞偏置免疫反應感染誘導肺炎發生[19-20]，造成增強型呼吸道疾病（ERD）。

2 新型冠狀病毒疫苗研究概況

據世界衛生組織官方數據統計，截至2022年7月1日，全球進入臨床試驗期的新型冠狀病毒疫苗有167種，進入臨床試驗前期的疫苗有198種。研究最多的疫苗種類為蛋白亞單位疫苗。最常使用的是肌肉注射，多數采取兩針間隔注射。目前新型冠狀病毒疫苗的種類有滅活病毒疫苗、減毒活疫苗、病毒樣顆粒、蛋白亞單位疫苗、重組載體疫苗、核酸疫苗6種。見圖1。

3 新型冠狀病毒疫苗的種類和策略

3.1 滅活病毒疫苗

滅活病毒疫苗是最經典的一種疫苗形式，是將體外培養的新型冠狀病毒運用物理或化學方法滅活并純化，但保持病毒顆粒的完整性。被滅活后的病毒喪失致病能力，但仍然可以刺激機體產生免疫反應，使體內產生抗體。接種方式多采取兩針間隔肌肉注射。截至2022年7月1日，處于臨床階段的滅活病毒疫苗有22種。國藥集團北京生物制品研究所和科興研發有限公司的疫苗目前處于臨床試驗Ⅳ期。國藥集團北京生物制品研究所生產的疫苗3～17歲年齡組Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗顯示該年齡段接種后中和抗體轉陽率為100%，且接種后安全性良好，無嚴重不良反應，已于2021年7月16日正式獲批在3～17歲人群中緊急使用。科興研發有限公司的疫苗也于2021年6月獲批緊急使用范圍擴大到3歲以上。滅活病毒含有所有結構蛋白質（S、N、M和E蛋白），因此，跟單一蛋白或蛋白質片段疫苗相比，這類疫苗可以誘導更廣泛的中和抗體。然而，滅活疫苗不能誘導或僅能誘導低水平的CD8+T細胞免疫，導致其產生的抗體滴度會隨著時間的推移而下降。由于滅活疫苗難以通過內源性抗原加工提呈，因此這些疫苗通常不會引發T細胞應答。此外，這些滅活的疫苗都使用氫氧化鋁作為佐劑，這通常是誘導T細胞反應比較差的激動劑[3]。有研究表明，93.3%的COVID-19患者的中和抗體滴度在3個月的研究期間逐漸下降[21]。滅活病毒具有很好的安全性和有效性，但是需要在三級生物安全防護條件下生產大量病毒以供滅活疫苗的制備，并且需要廣泛的安全測試來確保其不恢復傳染性。

3.2 減毒活疫苗

減毒活疫苗是用減毒或無毒力的活病原微生物制成。傳統的制備方法是將病原體在培養基上反復傳代，使其失去或明顯降低毒力，但保留免疫原性。現有的新型冠狀病毒減毒活疫苗都是通過密碼子去優化產生的[22-24]。將其接種到身體內，不會引起疾病的發生，但病原體可以引發機體免疫反應，誘導機體產生體液免疫和細胞免疫，經自然感染途經接種還能形成黏膜局部免疫。截至2022年7月1日，處于臨床階段的減毒活病毒疫苗有2種，包括印度血清研究所聯合美國生物技術公司Codagenix研發的COVI-VAC疫苗和Meissa疫苗公司研發的MV-014-212疫苗，主要通過鼻部吸入的方法接種。與滅活疫苗相比，這類疫苗免疫原性強、作用時間長，通常接種一次即能夠產生很好的免疫應答，效果穩固，但是疫苗在體內存在回復突變的危險，從而形成感染或傳播。與注射疫苗相比，鼻噴式疫苗使用起來比注射疫苗更加的簡易和方便，然而，噴入鼻腔的疫苗劑量也可能受到打噴嚏流出來或者流入口腔的影響。鼻噴式疫苗對黏膜免疫反應的檢測通常更為困難。人體黏膜免疫反應分泌的IgA抗體會因樣本收集方法的不同發生變化。在多個注射型新型冠狀病毒疫苗已經獲得緊急授權在世界各地廣泛使用的情況下，仍然處于研發階段的鼻噴疫苗可能不會立即對控制COVID-19疫情產生重大影響。然而，隨著疫苗接種者免疫力的衰退和新型冠狀病毒突變株的產生，當人們需要再次接種疫苗時，鼻噴疫苗可能給人們提供一種新的選擇。它不需注射，尤其適合給兒童和青少年使用。

3.3 蛋白亞單位疫苗

蛋白亞單位疫苗是目前研究最多的新型冠狀病毒疫苗。蛋白亞單位疫苗以合成肽或重組蛋白為基礎，大多以新型冠狀病毒S蛋白的RBD為靶點，通過重組表達S蛋白，誘導人體產生中和抗體，從而阻斷新型冠狀病毒與宿主細胞表面受體ACE2結合，達到預防感染的目的[25]。截至2022年7月1日，全球處于臨床階段的蛋白亞單位疫苗有54種，有20種處于臨床試驗Ⅲ期。蛋白亞單位疫苗比整個病原體疫苗有更高的安全性和可伸縮性，然而，它們可能表現出較少的免疫原性并需要多次免疫[26]，并且需要合適的佐劑來發揮輔助作用。傳統的疫苗佐劑為氫氧化鋁，而由美國Novavax醫藥公司研發的NVX-CoV2373應用了專利技術Matrix-M佐劑。該佐劑由40 nm顆粒組成，是一種從南美洲皂角樹中提取的物質，這種佐劑可以更有效地刺激和活化免疫細胞，使免疫系統產生更強更持久的免疫應答。俄羅斯的EpiVacCorona屬于合成肽抗原疫苗，是由人工合成的病毒蛋白質片段組成，相對而言更加安全。目前的重組蛋白亞單位疫苗多為重組表達的S蛋白或RBD亞基，法國OSE Immunotherapeutics 公司研發的CoVepiT疫苗是基于優化肽抗原針對S、M、N和幾種非結構蛋白的疫苗，旨在增強免疫反應并誘導強烈的組織定居記憶T細胞反應，這與中和抗體提供的瞬時保護相反，組織定居記憶T細胞可以提供長期保護性免疫[27]。CoVepiT為多靶點肽疫苗，涵蓋了具有重復突變和SARS-CoV的同源位點的表位，進一步增加了其長期保護的潛力[27]。蛋白亞單位疫苗產品成分明確，安全性高，但是激發T細胞能力較弱，需要佐劑增強免疫應答。

3.4 載體疫苗

重組載體疫苗是將編碼病原體有效免疫原的基因插入載體（減毒的病毒或細菌）基因組中，接種后，隨疫苗株在體內的增殖，大量表達所需的抗原。

3.4.1 病毒載體疫苗 病毒載體疫苗可分為復制型病毒載體疫苗和非復制型病毒載體疫苗。由廈門大學、香港大學和北京萬泰生物聯合研發的減毒流感病毒載體疫苗目前處于臨床試驗Ⅲ期。該疫苗是減毒流感病毒植入新型冠狀病毒S蛋白基因后形成的融合病毒，可以刺激人體產生針對兩種病毒的抗體，達到既能防流感又能防COVID-19的目的。在COVID-19與流感流行重疊時，其臨床意義非常大。由于減毒流感病毒容易感染鼻腔，所以這種疫苗僅通過滴鼻的方式就可以完成疫苗接種。以色列生物研究所在重組泡狀口炎病毒（rVSV）內植入新型冠狀病毒的S蛋白基因研制的復制型病毒載體疫苗目前處于臨床試驗Ⅱ/Ⅲ期。非復制型病毒載體疫苗目前有21種處于臨床試驗階段。腺病毒載體疫苗屬于新型疫苗中的非復制型病毒載體疫苗，它是將病毒的核酸片段裝到經過安全處理的腺病毒體上，再注射到人體內，激發機體的免疫作用。由中國康希諾生物公司與軍事醫學科學院陳薇院士共同研發的腺病毒載體疫苗和英國阿斯利康公司和牛津大學共同研發的AZD1222疫苗，臨床試驗數據表明其具有良好的安全性，及較高的體液免疫及細胞免疫應答水平，目前已經獲批進入臨床試驗Ⅳ期。腺病毒載體疫苗不需要處理傳染性病毒，具有安全高效的特點，能夠刺激機體產生體液和細胞免疫并長期表達。然而，重組病毒載體疫苗研發需要考慮如何克服“預存免疫”。以康希諾生物公司的“重組新型冠狀病毒疫苗”為例，該疫苗以5型腺病毒作為載體，但絕大多數人成長過程中曾感染過5型腺病毒，體內可能存在能中和腺病毒載體的抗體，從而可能攻擊載體、降低疫苗效果。也就是說，疫苗的安全性高，但有效性可能不足。

3.4.2 細菌載體疫苗 復制細菌載體疫苗和減毒活菌載體疫苗目前有3種處于臨床前研究階段。分別以腸炎沙門菌和百日咳活菌為載體，植入新型冠狀病毒S蛋白基因片段，形成抗原刺激機體形成免疫反應。目前關于細菌載體的新型冠狀病毒疫苗研究還較少。

3.5 核酸疫苗

核酸疫苗是通過對新型冠狀病毒關鍵的蛋白結構（S蛋白）進行基因編碼，以載體來遞送病毒的基因或片段，將免疫原性抗原編碼到宿主細胞中。這種方法有效地誘導體液和細胞介導的免疫反應。美國Moderna公司的mRNA-1273RNA疫苗和德國BioNTech公司、美國輝瑞公司及中國復星醫藥集團合作共同開發mRNA疫苗BNT162b2目前處于臨床試驗Ⅳ期研究階段。這種疫苗的優點在于不需要合成蛋白質或者病毒，開發流程較快，且生產周期短，安全性相對比較高。

3.6 病毒樣顆粒疫苗

病毒樣顆粒疫苗是使病毒結構蛋白在細菌、昆蟲、酵母或哺乳動物細胞中共同表達以形成非感染性顆粒作為疫苗免疫原，它們類似于真正的病毒，只不過缺乏病毒基因組，不能自主復制。目前病毒樣顆粒疫苗有6種處于臨床試驗階段。病毒樣顆粒疫苗不含有病毒遺傳物質，安全性高，結構與天然新型冠狀病毒顆粒相同或類似，能夠高效誘導細胞和體液免疫。然而免疫原性不足，需要佐劑來增強免疫效應，并且需要多次注射。

4 小結

至今為止，幾種新型冠狀病毒疫苗已經達到了大規模臨床試驗疫苗安全和保護療效的最終階段。這些疫苗的利弊需要進一步研究，以更好地了解其安全性、免疫原性和保護率。此外，需要詳細的縱向研究來確定每個疫苗的保護性免疫的持續時間[10]。幾乎所有臨床試驗中的疫苗候選者通過肌肉注射或皮下注射途徑遞送，尚不清楚血清中的抗體是否達到呼吸系統，尤其是肺部。通過呼吸系統的黏膜疫苗接種可能有利于誘導黏膜的免疫應答，并通過呼吸道原位防止新型冠狀病毒傳播。目前已有通過鼻部吸入的復制型病毒載體疫苗在臨床試驗階段，如果能投入使用將使疫苗接種更方便并大大降低疫苗的成本。總之，新型冠狀病毒疫苗的研制是人類在對抗新型冠狀病毒、控制COVID-19傳播上的第一要務，仍然存在很多挑戰。目前全球COVID-19疫情形勢依舊嚴峻，非藥物性干預措施在疫情防控過程中起到了非常重要的作用，但是真正要戰勝疫情，仍有賴于提高群體免疫力。而接種疫苗是最快、最有效提高群體免疫力的方法。然而，要達到群體免疫的接種規模，接種任務仍然非常艱巨，需要全人類同心抗疫，打贏疫苗攻堅戰，一起攜手共筑免疫屏障，共同維護全球公共衛生安全。