新冠肺炎疫苗的研究現狀及面臨的挑戰

溫亞亞 宋 麗 汪巧菊 潘志明 焦新安

（1.揚州大學江蘇省人獸共患病學重點實驗室，揚州 225009；2.揚州大學江蘇高校動物重要疫病與人獸共患病防控協同創新中心，揚州225009；3.揚州大學農業部農產品質量安全生物性危害因子（動物源）控制重點實驗室，揚州 225009；4.揚州大學農業與農產品安全國際合作聯合實驗室，揚州 225009）

新型冠狀病毒肺炎（COVID-19，簡稱新冠肺炎）于2020年3月11日被世界衛生組織（World Health Organization，WHO）宣布為大流行。截至2021年12月，全球已有2億多例確診病例，其中570多萬死亡病例。該病由一種新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）引起，SARS-CoV-2主要感染人的呼吸道，引起輕度呼吸道感染；嚴重者發展為嚴重急性呼吸綜合征，導致器官衰竭、甚至死亡［1］。疫苗是預防和控制病毒感染的最有效方式之一，WHO已經記錄了331種新冠肺炎候選疫苗，其中進入臨床試驗階段的疫苗共有137種，包括蛋白亞單位疫苗、核酸疫苗、病毒載體疫苗、滅活疫苗、病毒樣顆粒和減毒活疫苗。目前，已有多款疫苗獲批緊急授權使用，全球新冠疫苗預防接種工作正在有序推進，截至2021年12月24日，全世界范圍內已接種疫苗超86億劑次。本文將對疫苗的研發過程和目前國內外批準投入使用的11種新冠疫苗的研究現狀進行概述。

1 新冠肺炎疫苗的研發過程

疫苗的開發需要經過探索階段、臨床前研究、臨床試驗以及審查和批準階段，獲得許可進行生產和上市后，還要繼續進行嚴格監管。一款疫苗的誕生通常需要經歷10-15年，這是一個十分漫長的過程。目前為止，疫苗開發和批準使用的最快記錄是一款針對腮腺炎的疫苗，大約花了5年時間［2］；脊髓灰質炎“糖丸”疫苗從研發到全國范圍內推廣經過了7年時間；國產雙價人乳頭瘤病毒疫苗歷經17年才獲批上市。因此計劃在12-24個月內開發出新冠肺炎疫苗將是一個巨大的挑戰（圖1）。

圖1 常規疫苗與新冠疫苗研發過程對比Fig.1 Comparison of development process between conventional and COVID-19 vaccines

探索階段通過基礎實驗室研究選擇可以用作疫苗候選的天然或合成抗原，確定疫苗類型。研發中的新冠肺炎疫苗大多為亞單位疫苗、病毒載體疫苗和核酸疫苗等新型疫苗，這幾種疫苗具有生產工藝簡單、便于大規模生產的優點，但也存在較大的不確定性和風險［3］。

臨床前研究階段需要進行細胞實驗、動物模型試驗，對候選疫苗的安全性、免疫原性等進行評估，為改進疫苗設計提供平臺。下一步進入臨床試驗階段，在健康志愿者身上測試疫苗。臨床試驗階段通常分為3期。I期臨床側重的是安全性，在小樣本群體（通常為幾十人）中進行。II期臨床以擴大安全性、確定劑量范圍、掌握療效數據以及免疫程序等為重點。一般在數百人（不同年齡階段）中進行［4］。III期臨床評估劑量和疫苗接種程序能否產生預期的療效，通常在數千或者數萬人中進行。當臨床試驗階段的數據證實疫苗效力符合要求后，便可申請審批，進行產品注冊。在整個過程中，安全性是最重要的，因此必須持續監測任何不良事件的發生［5］。疫苗投入市場應用之后，若發生安全性相關的不良事件應立刻召回疫苗。

在新冠肺炎大流行的情況下，全球迫切需求有效疫苗。研究者們通過分階段結合來加快疫苗的開發，例如將第一階段和第二階段結合起來，直接在數以百計的志愿者身上進行安全性測試［3］。疫苗也不需要經過傳統的審批程序，而是通過綠色通道直接審批，從而在嚴格審查后被批準緊急使用，以便更快地投入生產供重點人群使用。

2 國內上市疫苗

目前國內已有3條技術路線共5款疫苗獲得國家藥監局批準附條件上市或緊急使用（表1）。據國家衛健委統計截至2021年12月24日全國累計報告接種新冠疫苗已超27億劑次。

表1 國內已上市新冠肺炎疫苗概況Table 1 Overview of COVID-19 vaccines licensed in China

2.1 國藥集團兩款新冠滅活疫苗

北京生物新冠疫苗（BBIBP-CorV）以19nCoVCDC-Tan-HB02為原始毒株，在非洲綠猴腎細胞（Vero細胞）中傳代，經β-丙內酯滅活后，以Al（OH）3佐劑和含磷酸鹽的緩沖液制備而成［6］。I/II期臨床試驗結果顯示，BBIBP-CorV免疫原性較強，能迅速誘導出較強的體液反應。接種兩劑后中和抗體陽轉率達100%［7］。III期臨床試驗中期數據結果顯示，BBIBP-CorV接種后安全性良好，疫苗組接種者均產生高滴度抗體，中和抗體陽轉率為100%，疫苗針對新冠肺炎的保護效力為78.1%［8］，預防中度和重度疾病的有效性為100%［9］。

武漢生物新冠疫苗I/II期臨床試驗結果顯示，疫苗在不同注射程序下各劑量組耐受性良好［10］。III期臨床試驗中疫苗接種者均產生高滴度抗體，中和抗體陽轉率為99.3%，總保護效力72.51%［8］。有研究表明該疫苗針對10株國內外流行的新冠野毒株均具有廣泛的交叉中和反應［11］。

兩款疫苗常見不良反應主要是注射部位疼痛，癥狀輕微，未出現與疫苗相關的嚴重不良反應［8，10］。截至目前，中國國藥集團新冠肺炎滅活疫苗已在阿聯酋、巴基斯坦、阿根廷等全球范圍內110多個國家和地區開展接種或緊急使用。

2.2 CoronaVac

北京科興新冠肺炎疫苗CoronaVac由接種SARS-CoV-2冠狀病毒CN02株的Vero細胞制成［12］。目前已獲得印度尼西亞、土耳其、巴西、老撾等國家緊急使用授權。I/II期臨床試驗結果表明疫苗可以誘導較高的中和抗體效價，并且參與者均無嚴重不良反應。0、14 d和0、28 d計劃組接種兩劑后，參與者中和抗體陽轉率分別在92%和97%以上［13］。老年組臨床試驗結果顯示中和抗體陽轉率大于95%［14］。2020年7月起，該疫苗分別在巴西、印度尼西亞、智利、土耳其等地進行III期臨床試驗。智利開展的III期臨床試驗結果顯示，接種14 d后，疫苗對預防有癥狀的新冠確診病例的保護效果為67%，預防重癥病例的保護效果為89%［15］。

2.3 Ad5-nCoV

康希諾生物股份公司和軍事醫學科學院陳薇院士團隊共同研發的中國首個單劑新冠肺炎疫苗（Ad5-nCoV）克威莎TM已在巴基斯坦、墨西哥、匈牙利等獲批緊急使用授權。該疫苗將含有組織型纖溶酶原激活劑信號肽基因的全長S基因克隆到復制缺陷型人5型腺病毒中構建而成，單次接種Ad5-nCoV可以保護小鼠呼吸道和肺部免受SARS-CoV-2感染［16］。I期臨床試驗結果顯示從接種疫苗后第14天開始觀察到快速、特異性T細胞反應，特異性體液反應在接種疫苗后第28天達到高峰［17］。II期臨床試驗結果顯示，人體對腺病毒的免疫力水平也在影響著該疫苗的免疫原性。中劑量組不良反應率高達24%，但具有自限性，一般在72-96 h內消失［18］。國際多中心III期臨床試驗中期結果顯示，單針接種疫苗14 d和28 d后，疫苗對所有癥狀的總體保護效力分別為63.7%和57.5%，對重癥的保護效力分別為96.0% 和 91.7%［19］。

2.4 ZF2001

智飛生物新冠肺炎疫苗為全球第一個獲批使用的新冠重組蛋白疫苗。該疫苗是通過基因工程的方式在中國倉鼠卵巢細胞（CHO）內表達純化SARSCoV-2 S-RBD二聚體抗原蛋白，輔以Al（OH）3佐劑制成，不攜帶任何形式的外源標簽［20］。II期臨床試驗結果顯示，兩劑方案中第二劑注射后14 d，25 μg組和50 μg組的中和抗體血清轉換率分別為76%和72%，中和抗體幾何平均滴度（GMT）分別為17.7和14.1；三劑方案中第三劑注射后14 d，中和抗體血清轉換率分別為97%和93%，中和GMT分別為102.5和69.1。此外，疫苗能產生適度的Th1/Th2混合型細胞免疫應答［21］。2020年11月起陸續在中國湖南及烏茲別克斯坦、巴基斯坦等多國啟動III期臨床試驗，國際多中心III期臨床試驗結果顯示，該疫苗對所有癥狀的總體保護效力為81.43%，對重癥的保護效力為100%［22］。有研究表明該疫苗接種者血清對南非新變種（501Y.V2）具有大部分中和活性，對南非新變種有保護效果［23］。

3 國外上市疫苗

在新冠肺炎全球大流行的形勢下，疫苗接種已成為控制疫情、實現群體免疫的必需措施。國外也已有多款疫苗獲得授權，在多個國家進行接種工作（表2）。

表2 國外已上市新冠肺炎疫苗概況Table 2 Overview of COVID-19 vaccines licensed abroad

3.1 BNT162b2（美國）

輝瑞新冠肺炎疫苗（BNT162b2）以脂質納米顆粒的形式存在，結合了1-甲基偽尿苷修飾的RNA，編碼 SARS-CoV-2 全長 S蛋白抗原［24］。I/II期臨床試驗結果顯示，兩劑30 μg劑量的BNT162b2可誘導較高中和抗體滴度以及抗原特異性CD8+和Th1型CD4+T細胞反應，BNT162b2誘導的血清對不同SARS-CoV-2 S變異株的假病毒具有中和作用［25］。II/III階段臨床試驗中接種疫苗者有局部的不良反應出現，多為輕度至中度，一般在1-2 d內消失。主要表現為發燒、疲勞和頭痛。兩劑疫苗接種后對新冠肺炎的保護率達到95%［26］。

3.2 mRNA-1273（美國）

Moderna新冠肺炎疫苗（mRNA-1273）由新型脂質納米顆粒包裹，編碼預融合穩定的SARS-CoV-2 S蛋白（S-2P）［27］。I期和II期臨床試驗結果顯示，疫苗誘導產生的中和抗體水平接近或高于新冠肺炎康復期患者血漿中的抗體水平，并持續到第28天，產生Th1偏向的T細胞免疫反應［27］。III期臨床試驗中除了短暫的局部和全身性反應外，沒有發現任何安全問題，疫苗有效率為94.1%［28］。有研究證明，mRNA-1273疫苗接種第二劑后，抗體可持續6個月［29］，疫苗對新興變種（英國B.1.1.7和南非B.1.351）具有中和作用［30］。

3.3 Ad26.COV2.S（美國）

強生新冠肺炎疫苗（Ad26.COV2.S）利用了公司的AdVac?疫苗平臺，基于重組非復制型人26型腺病毒載體，編碼穩定的SARS-CoV-2 S蛋白［31］。I/II期臨床試驗中期結果顯示，Ad26.COV2.S單次免疫可誘導中和抗體反應以及細胞免疫反應，接種后第8天，在90%的疫苗接受者中誘導RBD特異性結合抗體。此外，該疫苗可誘導多種抗體亞類，具有FCR結合特性和抗病毒功能［32］。最常見的不良反應是發熱、疲勞、頭痛、肌肉疼痛和注射部位疼痛，老年組系統性不良反應的發生率低于年輕組［33］。III期臨床試驗數據顯示，接種28 d后，預防中重度新冠肺炎和重度新冠肺炎的總體保護效力分別為66.1%和85.4%，并證明可完全預防因新冠肺炎引起的死亡［34］。

3.4 ChAdOx1 nCoV-19（英國）

阿斯利康新冠肺炎疫苗（ChAdOx1 nCoV-19）是以非復制型黑猩猩腺病毒為載體，編碼全長SARS-CoV-2 S 蛋白［35］。在英國（I/II期和 II/III期）、巴西（III期）、南非（I/II期）進行的4項臨床試驗結果顯示，ChAdOx1 nCoV-19在雙劑量方案中耐受性良好，除了T細胞免疫反應外，還能誘導多功能抗體反應［36］。III期試驗的初步分析結果顯示，疫苗對有癥狀的COVID-19的有效率為76%，對嚴重新冠肺炎有效率為100%，在65歲及以上的成年人中，疫苗效力為85%［37］。

3.5 Covaxin（印度）

印度Covaxin新冠肺炎疫苗為吸附在明礬上的TLR7/8激動劑分子配制的全病毒滅活苗［38］。II期臨床試驗顯示，3 μg和6 μg組局部和全身不良反應比例分別為20.0%和21.1%，未出現嚴重不良事件［39］。Covaxin疫苗的第三階段中期臨床試驗效果顯示，在第二次注射后，該疫苗在預防新冠方面的有效率為80.6%［40］。國家病毒學研究所的分析表明Covaxin疫苗誘導的抗體可以中和英國變異株和其他異源株［41］。

3.6 Sputnik V（俄羅斯）

俄羅斯Sputnik V疫苗使用異源重組腺病毒方法，使用腺病毒26（Ad26）和腺病毒5（Ad5）作為表達SARS-CoV-2 S蛋白的載體［42］。I/II期臨床試驗表明該疫苗耐受性良好，在100%的健康參與者中誘導了強烈的體液和細胞免疫反應［43］。III期臨床試驗結果顯示，疫苗有效率為91.6%，嚴重臨床病例保護率為100%。未出現與疫苗相關的嚴重不良事件和死亡案例［44］。此外，有研究發現Sputnik V疫苗能夠在60歲以上的參與者中誘導抗體中和反應［44］。

4 當前疫苗面臨的挑戰

傳統疫苗研發通常需要長達15年的時間，但現在將時間縮短至2年或更短，新冠疫苗上市使用后將面臨許多新的挑戰。

4.1 接種群體

目前疫苗接種對象主要為18-59周歲成年人以及60歲以上身體基礎狀況較好的老年人［26，28］，針對兒童、青少年和有基礎疾病人群疫苗有效性的研究報道相對較少。目前全球有多款疫苗在進行18歲以下人群的臨床試驗，北京生物制品研究所的新冠滅活疫苗BBIBP-CorV在 3-17歲人群中進行的I/II期結果顯示，接種兩劑滅活疫苗后產生強烈的免疫反應，各免疫組血清陽轉率均達到100%［45］。一項針對慢性肝病患者的Ⅳ期臨床試驗正在香港展開，其目的是比較該人群接種BNT162b2、CoronaVac、ChAdOx1 nCoV-19疫苗3種不同平臺疫苗后的抗體反應［46］。

國內正在嘗試多條路線，為研制更安全的疫苗而努力。提高安全有效的授權疫苗免疫人群的比例仍然是最大限度減少新變種出現和結束新冠肺炎大流行的關鍵戰略。

4.2 安全性和有效性

通過聯合階段加快疫苗開發，涉及在較小樣本群體中進行實驗，小概率的副作用可能無法發現，但隨著疫苗的大規模接種，疫苗的各種不良反應逐漸浮出水面。FDA發布公告，mRNA-1273和BNT162b2疫苗接種后可能出現心肌炎、心包炎等罕見副作用，尤其是在第二劑疫苗接種后出現機率更大［47］。Ad26.COV2.S疫苗接種后出現格林-巴利綜合征（GBS）的風險增加，該病使患者神經系統受損，導致肌肉無力甚至癱瘓［48］。此外，有報道指出Ad26.COV2.S疫苗和ChAdOx1 nCoV-19疫苗接種后可能會導致接種者出現嚴重的血栓癥狀［49-50］。國內批準上市的多款疫苗未出現疫苗相關嚴重不良事件的報道［8，13，18］，多為注射部位疼痛紅腫、疲勞、發熱等輕微不良反應。

已上市疫苗的安全性和有效性仍需長期持續的監測，尤其是在未來對18歲以下未成年人群體的監測。就目前已發表臨床研究結果的新冠疫苗的效力與安全性比較，mRNA疫苗和病毒載體疫苗保護效力較好，但是安全性欠佳；蛋白疫苗和滅活疫苗則相反［13，22，48-49］。從理論上來說，序貫免疫通過在不同時間免疫不同的抗原、載體類型、遞送途徑、劑量或者佐劑，可以提高抗體親和力的成熟，增加免疫應答的廣度［51］，實現不同疫苗的優勢互補。在俄羅斯開展的一項基于rAd26和rAd5載體的新冠肺炎疫苗序貫免疫的研究顯示，此接種方案誘導了強烈的免疫應答，對有癥狀的新冠肺炎有效率為91.6%［44，52］。關于 ChAdOx1 nCoV-19 和 mRNA-1273序貫免疫的研究也表明，與同源ChAdOx1 nCoV-19加強免疫相比，序貫免疫對SARS-CoV-2的野生型和B.1.351變異株的血清中和效價增加［53］。國內的一項臨床研究結果表明，接種兩劑CoronaVac滅活疫苗后，再接種一劑Ad5-nCoV疫苗作為加強，14 d后抗體水平升高約78倍［54］。

4.3 變異株的頻繁出現

雖然新冠疫苗接種工作在世界范圍內正在進行，但該病毒變異株仍在不斷出現和傳播。繼Alpha（B.1.1.7）和Beta（B.1.351）變異株之后，更具傳染性的Delta（B.1.617.2）變異株目前多個國家和地區流行。從7月20號到目前為止，國內感染Delta毒株的病例不斷上升。Delta變異株S序列的N-末端結構域（NTD）和RBD（L452R和T478K）上存在突變，這使得該毒株具有傳播速度快、傳播范圍廣、體內復制快、癥狀不典型、轉陰時間長等特點，目前已成為全球新冠大流行的主要病毒株［55］。L452R可能通過誘導結合域的結構變化來促進S蛋白和血管緊張素轉換酶2（ACE2）結合，從而削弱抗體的中和作用［56］。Delta變異株所特有的T478K突變可導致某些抗體譜系中和能力喪失，與免疫逃避密切相關［57］。研究表明，BNT162b2疫苗對Delta、Alpha和Beta變種的疫苗效力分別約為88%、93%和 75.0%［56，58］。mRNA-1273 疫苗對 Gamma和 Delta變異株保護效力為95.5%和86.7%［59］。ChAdOx1 nCoV-19疫苗對Delta和Alpha的有效率為66%和70.4%［60-61］。

Omicron（B.1.1.529）變異株于 2021年 11月26日被 WHO 指定為值得關注變種（VOC）［62］。Omicron包含許多其他VOC中已報道的突變，其中僅S蛋白就包含至少32個突變，而具有高度傳染性的Delta變異株中只有16個突變［63］。關于Omicron變異株的進化模式，目前有以下幾種說法：（1）由COVID-19慢性感染患者之間的潛在循環引起，（2）病毒在缺少監測的人群中完成傳播和進化，（3）在非人類物種中進化而來［64］。關于Omicron變異株的來源、傳播效力和致死性等問題，以及高度突變對宿主免疫調控的影響、現有疫苗的免疫保護效率等臨床數據仍需繼續研究。

5 展望

當前一代疫苗對Delta變異株仍有一定的保護效果［56，60］，而目前還沒有關于針對Omicron變異株的疫苗有效性完整數據。Delta變異株相關疫情發展表明突破性感染病例的出現是無法避免的。隨著新冠肺炎大流行的持續，必須要密切監測新突變或突變組合對病毒傳播、發病機制以及疫苗和治療效果的影響。目前全球尚無針對變異株的疫苗。S蛋白的快速變異導致中和抗體的結合能力下降，疫苗接種后抗體水平隨時間逐漸下降［65］。有研究表明，感染新冠肺炎后7個月的康復患者體內的中和抗體水平下降，但T淋巴細胞免疫持續存在［66］。對SARSCoV的研究顯示，與抗體反應相比，SARS-CoV特異性T細胞對病毒的反應可以維持更長時間［67］。因此研制新一代新冠病毒疫苗時可將T細胞免疫保護作用納入考慮。細胞毒性T細胞可以通過殺死病毒感染的細胞來清除感染［68］，靶向SARS-CoV-2病毒蛋白的特異性T細胞免疫在新冠預防和病毒清除中發揮著重要作用［69］，目前已有研究團隊篩選出H2-Db/N219-227等N蛋白來源的T細胞表位，可誘導強烈的CD8+T細胞反應，這為基于高度保守的T細胞抗原表位的“通用性”多肽疫苗開發奠定了基礎［70-71］。體液免疫和細胞免疫反應之間的平衡對于預防新冠肺炎和避免疫苗增強型疾病至關重要。目前已上市的部分疫苗在誘導中和抗體的同時也可以誘導 CD4+或 CD8+T 細胞應答［21，25，27］，但是存在中和抗體的情況下，細胞免疫反應的持續性是否能夠防止SARS-CoV-2再次感染或降低感染的嚴重程度尚未可知，仍需要進一步探索。

隨著新冠病毒的不斷變異，疫苗接種比以往任何時候都更加重要。即使現在越來越多的數據表明疫苗不能完全防感染，但是疫苗可以防重癥，在面對越來越多的新冠變異毒株，仍然需要疫苗的保護［72］。全球抗疫工作正穩步推進，多個國家和地區政府出臺關于推進疫苗接種工作的政策，全球疫苗接種已進入加速階段。疫苗聯盟（GAVI）等國際組織進行合作，以確保獲得足夠的疫苗研發資金，保證公平疫苗分配供應。相信在科學的指導下，人類終將戰勝新冠病毒的挑戰和威脅。