疫苗研发之路

    早期的疫苗研发速度非常慢，因为科学家们对免疫系统的工作原理了解不多，只能遵循已有的成功案例，满世界寻找合适的病原体作为制造疫苗的原材料。 

    人类找到的第一种疫苗原材料是牛痘病毒

    人类找到的第一种疫苗原材料是牛痘病毒，它本质上是一种减活疫苗，即用毒性减弱的活病毒去感染健康人，希望能激发出针对强毒性病原体（天花）的免疫力。由于牛痘疫苗的成功，此后相继出现的狂犬病疫苗，破伤风疫苗、霍乱疫苗、腺鼠疫疫苗和猩红热疫苗等等都沿用了这一思路。

    牛痘是天然存在的病毒，这就相当于大自然为我们进行了毒性弱化的筛选，医生只需要大着胆子为病人接种就行了。但后续出现的那些减活疫苗都不是天然存在的，而是科学家们用病原体去感染其他动物，然后一代一代地筛选出来的。这个过程不但很费时间，而且不能保证一定成功，所以这段时期新疫苗的研发速度极慢，一款疫苗耗时几十年是常事。

    上世纪50年代才终于成熟起来的细胞培养技术为减活疫苗的研发提供了新的工具，从此科学家们可以通过体外培养的细胞系来筛选毒株了，这就大大节省了研发成本。

    大家熟悉的麻疹、腮腺炎、风疹三联疫苗就是通过这个方法研制成功的。减活疫苗本身是活的:可以在接种者体内不断増殖，所以减活疫苗具有免疫原性强、持续时间久、制备相对容易、接种方法相对简单等优点。但也正因为用的是活病原体，减活疫苗有可能因为基因突变而重新获得毒性。另外，减活疫苗只适合基因组相对简单的病毒，如果病原体是细菌或者其他更复杂的寄生虫，这个方法就不太适用了，因为谁也无法确定它们会突变成什么样子，危险系数太高。此时就要用到灭活疫苗，即釆用物理或者化学的方法将病原体杀死，再将其制成疫苗，希望这些病原体的“尸体”也足以骗过人体免疫系统，诱导出强烈的免疫反应。

    最早的灭活疫苗是1924年研制成功的破伤风疫苗，但这款疫苗并不典型，因为破伤风之所以会让人得病，原因不是破伤风梭菌本身，而是这种细菌所分泌的毒素。因此这款疫苗不是用破伤风梭菌的尸体制成的，而仅仅是一种毒性较弱的毒素而已，它只要激发出人体对这种毒素的免疫反应就行了，不需要杀死破伤风梭菌。

    美国科学家乔纳斯·索尔克研制成功的脊髓灰质炎疫苗才是真正意义上的灭活疫苗。他用细胞培养的方式生产出了大量活病毒，然后用福尔马林将其杀死，制成了第一批灭活脊髓灰质炎疫苗。表面上看，这个方法非常安全，起码不用担心基因突变导致疫苗恢复毒性，但实际上这个方法也存在一定的风险，如果病原体没有被彻底杀死的话，后果将是灾难性的。事实上，美国就曾经发生过脊髄灰质炎疫苗灭活不彻底而导致的悲剧，被反疫苗运动者抓住了把柄，差点就让全球消灭小儿麻痹症运动毁于一旦。

    不过，灭活疫苗最大的问题是免疫原性太弱。因为疫苗本身是死的，不但生物活性低，而且进入人体后很快就会被降解，从而失去激发免疫系统的能力，所以灭活疫苗往往需要接种好几次，对疫苗的需求量较大，成本也较高。正因为如此，灭活疫苗上市前必须经过大规模长时间的临床试验，确定这种疫苗真的管用，并摸索出一套可靠的接种方案。实践证明，灭活疫苗不仅需要接种好几次，而且还经常需在疫苗中中添加佐剂来增加免疫反应的强度，这就进一步增加了研发成本。另外，佐剂的安全性也有待考察，这点后来也被反疫苗运动者所利用，成为攻击疫苗的靶子。

    还有一点值得一提，那就是灭活疫苗必须采用皮下注射的方法进行接种，操作起来比较麻烦，这就是为什么世卫组织最终选择了口服减活疫苗作为全球消灭小儿麻痹症运动的主力疫苗。总之，减活疫苗和灭活疫苗是预防性疫苗的两个最常见的类型，迄今为止绝大部分已上市的疫苗都属于这两类。这两种疫苗都需要事先生产出大量病毒，因此寻找合适的病毒宿主就成了科学家们最头痛的问题。所幸日本千叶大学的科学家于1962年从绿猴的肾细胞中培养出了Vero细胞系，这才部分地解决了这个问题。Vero细胞天生没有分泌干扰素的能力，非常适合用来作为生产病毒的宿主。目前已经进入III期临床试验的“新冠疫苗六杰”当中，由国药集团武汉生物制品研究所、国药集团北京生物制品研究所和北京科兴中维生物技术有限公司研发的灭活疫苗都是用Vero细胞作为宿主生产出来的新冠病毒制成的。这3家企业之所以进展神速，关键就住于他们曾经用Vero细胞系培养过“非典”病毒，积累了丰富的经验。

    疫苗生产一直是个瓶颈。尤其是灭活疫苗，需要的病毒量非常大，所以产能一直是这类疫苗的最大问题。比如常用的流感疫苗都是灭活疫苗，目前所能找到的最好的流感疫苗宿主就是鸡蛋，而每只鸡蛋只能生产出一人份的流感疫苗，大家简单算一下就会知道流感疫苗的推广难度究竟在哪里了。假如新冠疫苗也只能靠鸡蛋来生产的话，恐怕我们得等10年之后才能用得上了。

    具有划时代意义的预防性疫苗

    所幸科学家们一直在默默努力着，新一代疫苗早已今非昔比了。设计疫苗领域的真正突破，是从科学家们搞清了抗原抗体反应的基本原理之后才开始的。除了少数细菌的表面抗原属于多糖之外，已知的绝大部分抗原都是蛋白质，而每一种蛋白质都会按照自己独特的氨基酸顺序折叠成一个独一无二的三维结构。由B型淋巴细胞分泌的抗体同样是蛋白质，能够和抗原形成独一无二的互补关系，类似于一把钥匙开一把锁，抗原抗体就是这样一对一地绑在一起的。世界上现有的蛋白质种类加起来至少有10的15次方那么多，也就是亿亿级别。当一种外来蛋白质进入人体之后，B细胞都会在1~2周内生产出专门针对它的抗体，它们是如何做到这一点的呢？这个问题困扰了科学家很多年，直到上世纪50年代末期才由一位名叫麦克法兰·伯内特的澳大利亚病毒学家给出了答案。

    免疫系统的诸多特性都非常反直觉，这个答案同样如此。一般人都会认为，每一把“抗原锁”入侵人体后都会被免疫系统用作模板，指导B细胞生产出专门针对它的“抗体钥匙”。这个理论统治了科学界40多年，因为大家都认为只有这样才能解释人体为什么会对自己从来没有见过的抗原也能立即产生抗体。伯内特却相信每个成年人体内都早已存在着一个包含亿亿把不同类型抗体的“钥匙库”，足以应对自然界现存的所有类型的“抗原锁”。每当一种新的抗原进入人体后，免疫系统就会从“抗体钥匙库”里调出抗体挨个进行配对尝试，直到找出正好匹配的那个抗体，然后被选中的这个抗体便开始疯狂地复制（克隆）自己，生产出一支专门对付这个入侵抗原的单克隆抗体军团，迅速将其歼灭。换句话说，抗体不是B细胞根据抗原的样子设计生产出来的，而是抗原从人体内已有的抗体库里挑选出来的。伯内特凭借这个相当反直觉的“克隆选择学说”获得了1960年的诺贝尔生理学或医学奖，疫苗研发也随着该学说的确立而开始腾飞。日常生活中，钥匙的作用是开锁，但抗体钥匙的作用却是将抗原锁锁住，使之不再发挥作用，科学术语称之为“中和”。于是有人想到，可以将病原体的某个重要的表面抗原制成疫苗，诱导免疫系统生产出专门针对它的抗体，将病原体“中和”掉。

    这个疫苗研发思路是革命性的，因为某些传染病用老思路解决不了，比如乙型肝炎就是如此。乙肝病毒的体外培养非常困难，无论是减活疫苗还是灭活疫苗都很难生产出来。1963年，有人意外地在血友病人的血清中 发现了乙肝表面抗原，默克制药公司的莫里斯·希尔曼博士尝试以它为原材料制造乙肝疫苗，并于1981年获得成功。

    这是人类发明的第一种针对单一抗原的预防性疫苗，具有划时代的意义。此前的疫苗都是用整个病原体做原材料，其中包含的抗原种类非常多，诱导出的抗体种类自然也非常多，很容易和人体内的其他结构相似的蛋白质发生交叉反应，这就是疫苗副作用的一大来源。希尔曼博士发明的乙肝疫苗虽然效果不错，但有个严重的问题，那就是他只能从乙肝病人的血清中收集乙肝表面抗原作为疫苗的原材料，成本很高不说，还极有可能带来污染。事实上，当年乙肝和艾滋病这两个患者群体有很多重合，不少人怀疑希尔曼博士的乙肝疫苗才是导致艾滋病在美国大暴发的真凶。虽然后续研究证明他当年采用的病毒灭活方法非常可靠，没有造成交叉感染，但这件事还是吓住了不少人，严重影响了乙肝疫苗的接种率。

    基因工程技术让疫苗研发突飞猛进

    这个问题最终还是依靠科技进步解决的。70年代诞生的基因工程技术使得科学家们可以把编码蛋白质的基因整合进酵母菌的基因组中，诱导后者生产出大量特定的外源蛋白质。1986年，基于这项技术的基因工程重组乙肝疫苗问世，人类终于有了廉价又安全的乙肝疫苗。这件事还标志着疫苗研发正式进入了设计时代，科学家们可以根据病原体的生物学特征，设计出专门针对某个表面抗原靶点的单克隆抗体疫苗，这就大大减少了疫苗的副作用。早期的基因重组疫苗属于蛋白质疫苗，生产者需要事先将特定基因导入酵母菌的基因组，并在发酵罐里培养酵母菌，然后再从培养液中将目标蛋白质提取出来，才能制成疫苗。整个过程不但耗时长，而且成本也居高不下。后来有人想到，为什么不想办法省掉酵母菌这一步，直接把编码蛋白质的遗传物质（核酸）导入人体，让人体细胞自己去生产抗原蛋白呢？于是，核酸疫苗诞生了。核酸疫苗最大的技术难点就是如何将外源核酸（DNA或者RNA）安全地导入人体细胞，并让其发挥应有的作用。为了实现这一目标，科学家们想出了各种办法。有人尝试用纳米颗粒包裹遗传物质，再将其送入细胞内。还有人尝试将某种病毒的基因组稍加改造，去掉其中的致病基因，制成一种病毒载体。此后只要将目标基因装入这个病毒载体，就可以利用病毒感染人体细胞的特殊能力，将外援基因导入人体细胞了。“新冠疫苗六杰”之一的研发者美国莫德纳公司是前一项技术的全球领军者，尤其擅长制造基于mRNA技术的核酸疫苗。他们研制的代号为mRNA-1273的新冠疫苗早在2020年3月16日就在美国西雅图市进行了第一例人体试验，距离第一个新冠确诊病例的出现仅仅过去了67天，创下了人类疫苗研发史上的最快纪录。如此快的速度有两个原因：一个是中国科学家在确定病原体4天之后就向全世界公布了新冠病毒基因组全序列，这个速度是史无前例的；另一个原因是美国国家过敏与传染病研究所的疫苗专家巴尼·格拉姆博士在拿到病毒序列后，只花了3天时间就计算出了疫苗的最佳靶点，这个速度同样也是史无前例的。

    全球第二例新冠疫苗人体试验是中国军事科学院军事医学研究院陈薇院士领衔的研究团队和天津康希诺生物股份公司联合开发的Ad5-nCoV载体疫苗，用的是一种经过改造的人类腺病毒基因载体。牛津大学和阿斯利康合作研发的ChAdOx1疫苗也是一种载体疫苗，用的是一种源自黑猩猩腺病毒的基因载体。载体疫苗最大的特点就是性能稳定，有效期长，而且已有成功案例（埃博拉疫苗就是载体疫苗）。而德国BioNTech公司研发的新冠疫苗BNT162b2则与莫德纳的mRNA-1273类似，都属于mRNA型核酸疫苗。这种疫苗的特点是起效快，免疫原性强，生产过程简单，但这一技术路线目前尚无成功案例，将来批准起来可能会比较麻烦。以上这4种疫苗都属于核酸疫苗，针对的靶点都是位于新冠病毒表面的刺突蛋白，不同的只是有的人用脱氧核糖核酸（DNA），有的人用信使核糖核酸（mRNA）。虽然核酸种类不同，但两者本质上都是把生产蛋白质的图纸送入人体细胞，指导后者源源不断地生产出相应的抗原蛋白，因此核酸疫苗的免疫活性大致介于减活疫苗和灭活疫苗之间，我们可以简单地将其看成是一种介于活病毒和死病毒之间的减活疫苗。这几款核酸疫苗之所以能够在如此短的时间里就被研制出来，一方面要感谢病毒学和基因工程这两个基础科学领域的飞速进步，另一方面则要感谢“非典”期间科学家们对SARS病毒所做的基础研究。换句话说，假如这次疫情不是源自冠状病毒，而是源自某个人类以前从未见过的新型病毒，我们很可能需要多等一年的时间才能有疫苗。从这点来看，人类已经算是很幸运的了。

    （《三联生活周刊》2020年第38期 袁越）