在人類生存的歷史中，疫苗挽救的生命比任何其它醫(yī)療手段都要多。在COVID-19大流行的今天，安全有效的新冠疫苗的重要性再一次得到體現(xiàn)。它們被認(rèn)為是讓全球人民恢復(fù)正常生活的關(guān)鍵之一。疫苗的開發(fā)和使用已經(jīng)有幾百年的歷史，日前，《自然》網(wǎng)站列舉了疫苗開發(fā)史上的里程碑。今天，藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)將與讀者一起回顧其中一些重要里程碑，它們不但對新冠疫苗的開發(fā)產(chǎn)生重大的影響，而且為未來預(yù)防和治療多種其它疾病帶來希望。

18世紀(jì)前：疫苗接種的起源

英格蘭的Edward Jenner醫(yī)生被廣泛認(rèn)為是“疫苗之父”，然而在他首次進(jìn)行牛痘接種試驗(yàn)之前，接種疫苗的醫(yī)療實(shí)踐已經(jīng)在不同國家和地區(qū)進(jìn)行。在歐洲國家，最早預(yù)防天花的方法是將天花患者水泡中的膿液接種在未受感染的人的皮膚上。而更早的記載顯示，在中國，15世紀(jì)中葉就有通過將天花物質(zhì)吹到鼻子里來防護(hù)天花感染的醫(yī)療實(shí)踐。

雖然疫苗接種的最初起源尚未得到確認(rèn)，但是這些來自不同國家和地區(qū)的“種痘”實(shí)踐最終導(dǎo)致了人類醫(yī)學(xué)史上最重要的進(jìn)展之一：1980年天花的滅絕。它們也激發(fā)科學(xué)家們開發(fā)了預(yù)防多種其它疾病的疫苗。

1796年：疫苗接種的正式誕生

雖然通過“種痘”可以顯著降低天花的死亡率，但是這種方法也有很大的風(fēng)險(xiǎn)，它本身可能觸發(fā)新的天花爆發(fā)。而與大多數(shù)人不同的是，天天與牛打交道的乳制品工人在那個(gè)年代很少會患上嚴(yán)重的天花。很多得過牛痘的工人似乎對天花感染產(chǎn)生了抵抗力，當(dāng)時(shí)人們并不知道，牛痘病毒與天花病毒是近親，同屬于正痘病毒屬（Orthopoxvirus）。

1796年，英國醫(yī)生Edward Jenner首次驗(yàn)證了接種牛痘可以預(yù)防天花的假說。他將從擠奶工的牛痘傷口獲得的組織接種在一名8歲男孩的身上，這名男孩染上了輕微的牛痘，但是很快就痊愈了。兩個(gè)月后，Jenner醫(yī)生又給這名男孩接種了從天花傷口中獲得的物質(zhì)。這一次，這個(gè)男孩沒有得病。Jenner醫(yī)生在1798年發(fā)表的文章里詳細(xì)描述了這名男孩和其它22例病例，證明牛痘感染或者接種，可以預(yù)防天花接種帶來的疾病。

▲Edward Jenner醫(yī)生（圖片來源：Wellcome Images，CC BY 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/4.0>, via Wikimedia Commons）

Jenner醫(yī)生的醫(yī)療實(shí)踐后來被命名為疫苗接種（vaccination），vacca是拉丁語中“牛”的意思。這一命名也反應(yīng)了疫苗接種這個(gè)詞的牛痘起源。

1881年：首個(gè)減毒疫苗的出現(xiàn)

Jenner醫(yī)生的成功引起了很多科學(xué)家們的關(guān)注，其中就有大名鼎鼎的路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）。他提出疫苗可以用來防護(hù)所有疾病的假說。

巴斯德先生在進(jìn)行雞霍亂的研究時(shí)，用雞湯培養(yǎng)的雞霍亂病菌來感染健康雞來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一次他的助手忘了按時(shí)接種病菌就去度假了，等度假回來的時(shí)候，病菌已經(jīng)培養(yǎng)了一個(gè)月。當(dāng)他用這些病菌接種給健康的雞時(shí)，那些雞雖然患病，卻沒有死，很快就康復(fù)了。當(dāng)巴斯德先生再給這些雞接種毒性很強(qiáng)的病菌時(shí)，通常能夠?qū)⑵渌u殺死的病菌卻無法殺死它們。

巴斯德推測這些雞對病菌產(chǎn)生了免疫力。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在密閉環(huán)境下培養(yǎng)的病菌能夠維持它們的毒性，而暴露在空氣中的病菌的毒性在一定時(shí)間之后就會降低。巴斯德將這種毒性逐漸下降的現(xiàn)象稱為“減毒”（attenuation）現(xiàn)象，這個(gè)描述至今仍然被使用。巴斯德也根據(jù)這一原理開發(fā)出了減毒雞霍亂疫苗和炭疽病疫苗。

▲路易斯·巴斯德（圖片來源：Paul Nadar, Public domain, via Wikimedia Commons）

1890年：血清療法的威力

在治療COVID-19的潛在療法中，從康復(fù)患者中獲取的血漿或血清是經(jīng)常被提到的潛在療法之一。根據(jù)其中包含的中和抗體開發(fā)的有些中和抗體療法已經(jīng)獲得FDA的緊急授權(quán)申請，用于治療輕中度COVID-19患者。雖然科學(xué)家們很長時(shí)間不知道抗體的存在，但是血清的治療潛力早在100多年前就得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

在1890年，Emil von Behring和Shibasaburo Kitasato公布的動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，將曾經(jīng)接受破傷風(fēng)梭菌（Clostridium tetani）注射的兔子的血液或血清注射到小鼠中，能夠防止小鼠受到致命劑量的破傷風(fēng)桿菌感染。而且，提前用血清處理包含破傷風(fēng)毒素的細(xì)菌成份也能夠阻斷它的致命毒性。這一突破性研究表明，對破傷風(fēng)梭菌產(chǎn)生免疫力的兔子的血清中包含能夠破壞毒素效力的成份。

▲Emil von Behring（圖片來源：www.nobelprize.org）

這一發(fā)現(xiàn)成為血清療法的奠基石，Emil von Behring被譽(yù)為“血清療法之父”，在1901年，他獲得了首屆諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。他建立的用于開發(fā)血清和疫苗的公司Behringwerke是如今在血漿衍生療法和其它治療產(chǎn)品方面享有盛名的CSL Behring公司的前身。CSL Behring目前正在開發(fā)治療COVID-19的超免疫球蛋白療法。

1921年：卡介苗的誕生——第一款預(yù)防結(jié)核病的疫苗

在過去的200多年里，結(jié)核?。╰uberculosis）殺死的人數(shù)超過10億人，是殺死人類數(shù)目最多的傳染病之一。然而，直到1882年，德國科學(xué)家Robert Koch才分離出導(dǎo)致肺結(jié)核的結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis），為治愈這一惡疾帶來了希望。

1894年，巴斯德研究所的首任院長Albert Calmette醫(yī)生和實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Camille Guérin開始合作開發(fā)預(yù)防結(jié)核病的減毒疫苗。在1906年，他們終于發(fā)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下培養(yǎng)結(jié)核分枝桿菌方法，隨后開始了通過不斷傳代，發(fā)現(xiàn)減毒菌株的漫長過程。在經(jīng)過大約230次傳代培養(yǎng)之后，兩位科學(xué)家在1919年終于發(fā)現(xiàn)了一種毒性高度減弱的牛分枝桿菌。這一遺傳成份與原先致病菌已大不相同的病菌被命名為Bacille Calmette–Guérin（BCG），也就是我們所知的卡介苗。

如今，卡介苗是世界上接種最為廣泛的疫苗之一。而且，它的獨(dú)特之處在于通過激發(fā)免疫系統(tǒng)的免疫反應(yīng)，它可以用于治療除了結(jié)核病以外的其它疾病和某些癌癥。例如，卡介苗是目前治療早期膀胱癌的最有效手段之一?？茖W(xué)家們也計(jì)劃進(jìn)行臨床試驗(yàn)，檢驗(yàn)卡介苗預(yù)防新冠病毒感染的效果。

1926年：輔劑的發(fā)現(xiàn)和使用

為了讓疫苗能夠激發(fā)長久的免疫保護(hù)作用，目前很多疫苗中會添加稱為輔劑（adjuvant）的成份，這些成份不但能夠更有效地激發(fā)人體的免疫反應(yīng)，而且可能減少疫苗中致病抗原的用量。在開發(fā)新冠疫苗的過程中，葛蘭素史克（GSK）公司就在與賽諾菲（Sanofi）和中國的三葉草生物制藥等公司合作，提供輔劑技術(shù)增強(qiáng)新冠疫苗的效力。而輔劑的發(fā)現(xiàn)則要追溯到接近100年前。

在1926年，免疫學(xué)家Alexander T. Glenny和他的同事們在純化和富集白喉類毒素時(shí)，使用了硫酸鋁鉀沉淀蛋白毒素。令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)用這種方法生產(chǎn)的疫苗在動物實(shí)驗(yàn)中比液體毒素激發(fā)更好的抗體反應(yīng)。這是鋁鹽的輔劑效應(yīng)首次得到證明。鋁鹽至今仍然是最廣泛使用的輔劑之一。

1986年：首款利用重組DNA技術(shù)開發(fā)的乙肝疫苗

1986年，默沙東（MSD）公司開發(fā)的Recombivax乙肝疫苗獲得FDA的批準(zhǔn)上市。這也是1979年以來科學(xué)家William Rutter博士、Pablo Valenzuela博士和他們的同事克隆乙肝病毒（HBV）抗原的輝煌成果。Recombivax是首個(gè)使用重組DNA技術(shù)生產(chǎn)的疫苗，它代表著疫苗開發(fā)技術(shù)方面的一個(gè)重大突破。

首款商業(yè)化乙肝疫苗是基于乙肝患者血漿中提取的滅活病毒，然而當(dāng)時(shí)，這些血漿產(chǎn)品經(jīng)常攜帶HIV-1和丙肝病毒，而且來源有限，因此使用重組DNA技術(shù)來開發(fā)一款疫苗很具有吸引力。

在1979年，William Rutter博士、Pablo Valenzuela博士和他們的同事成功將表達(dá)乙肝病毒表面抗原（HBsAg）的基因序列克隆到大腸桿菌表達(dá)載體中，邁出了表達(dá)重組HBsAg蛋白作為乙肝病毒疫苗的第一步。隨后在1982年，這一研究團(tuán)隊(duì)成功將表達(dá)HBsAg的基因克隆到酵母表達(dá)載體中，并且發(fā)現(xiàn)被轉(zhuǎn)染的酵母細(xì)胞能夠分泌由HBsAg構(gòu)成的22nm大小病毒顆粒。這一顆粒與乙肝病毒感染人類細(xì)胞生成的22nm病毒顆粒非常相像，而且與未組裝的HBsAg蛋白相比，免疫原性提高1000倍以上。

能夠生產(chǎn)具有免疫原性的HBsAg類病毒顆粒（VLPs）是疫苗開發(fā)的重大突破。它不但允許大量成產(chǎn)不會感染宿主細(xì)胞的乙肝病毒疫苗，而且表明無需使用造成疾病的病原體，仍然能夠制造有效的疫苗。

1991年：預(yù)防人乳頭瘤病毒相關(guān)癌癥的疫苗

早在1976年，德國病毒學(xué)家Harald zur Hausen就提出宮頸癌可能是由于乳頭瘤病毒的假說。隨后的研究證明了人乳頭瘤病毒（HPVs）感染在宮頸癌和其它癌癥發(fā)生中的重要作用。

開發(fā)HPV疫苗的一個(gè)重要阻礙是HPV病毒無法在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)，因此無法制造減毒或者滅活疫苗。不過在1991年，免疫學(xué)家Ian Frazer博士、分子免疫學(xué)家周健博士和他們的同事一起做出了突破。他們通過將HPV16病毒衣殼的L1和L2蛋白同時(shí)表達(dá)在一個(gè)載體里的方法，成功在細(xì)胞培養(yǎng)中生成了與HPV類似的類病毒顆粒。對類病毒顆粒的電鏡研究顯示它具有和病毒相似的三維結(jié)構(gòu)。這一研究在1991年發(fā)表在科學(xué)期刊Virology上。

基于這一突破，科學(xué)家們用更有效的蛋白表達(dá)系統(tǒng)生成大量VLPs并且證明它們能夠與病毒一樣激發(fā)中和抗體的產(chǎn)生。這些科學(xué)突破最終在2006年帶來了首款HPV疫苗Gardasil。如今，Gardasil已經(jīng)通過不斷迭代，對多種導(dǎo)致宮頸癌的高危HPV病毒株產(chǎn)生保護(hù)作用。

2000年：“反向疫苗學(xué)”的誕生

在上世紀(jì)90年代末，腦膜炎奈瑟菌血清型B（Neisseria meningitidis，MenB）感染是導(dǎo)致流行性腦膜炎的主要原因之一。然而，基于MenB的表面多糖開發(fā)的疫苗效力不佳，而且已知的MenB抗原蛋白的序列具有非常大的多樣性，讓疫苗開發(fā)面臨很大挑戰(zhàn)。

在Craig Venter博士領(lǐng)導(dǎo)的基因組研究所（Institute for Genomic Research，TIGR）于1995年完成對流感嗜血桿菌基因組的測序之后，科學(xué)家們開始考慮是否可以通過研究MenB的基因組序列來協(xié)助疫苗的開發(fā)。在2000年，Chiron Vaccines公司、TIGR與牛津大學(xué)的研究人員合作在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了兩篇標(biāo)志性論文，對名為MC58的MenB菌株的全部基因組進(jìn)行了注釋，并且利用這些基因組信息發(fā)現(xiàn)了大量創(chuàng)新表面抗原。這兩項(xiàng)研究的發(fā)布，標(biāo)志著“反向疫苗學(xué)”的誕生，這是從病原體基因組出發(fā)來開發(fā)疫苗的策略。

自從2000年這兩項(xiàng)研究發(fā)布以來，收集病原體基因組的工作飛速發(fā)展，而且反向疫苗學(xué)的策略已經(jīng)被用于開發(fā)針對其它病原體的疫苗，包括呼吸道合胞病毒、HIV病毒、耐藥性鏈球菌等等。雖然最初這一策略的局限性是不容易評估基于基因組發(fā)現(xiàn)的抗原的免疫原性，但是隨著B細(xì)胞技術(shù)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的進(jìn)展?？茖W(xué)家們已經(jīng)能夠更好地評估抗原的免疫原性。

如今新冠疫苗的飛速開發(fā)，也離不開在COVID-19疫情爆發(fā)以后，科學(xué)家們迅速對新冠病毒進(jìn)行測序并分享它的基因組序列。

2013年：合成生物學(xué)加快疫苗開發(fā)速度

2009年的H1N1流感大流行時(shí)的疫苗開發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)時(shí)疫苗開發(fā)的速度還不足以應(yīng)對突發(fā)性的大流行事件。為了加快疫苗開發(fā)的速度，諾華（Novartis）公司的科學(xué)家們與J. Craig Venter研究所和Synthetic Genomics公司的科研人員合作，探索利用合成生物學(xué)手段，從基因序列數(shù)據(jù)迅速生成候選疫苗的方法。

這支研究團(tuán)隊(duì)利用RNA片段，讓身體中的細(xì)胞能夠表達(dá)模擬病原體的抗原蛋白，從而激發(fā)免疫系統(tǒng)的免疫反應(yīng)。這一策略在2013年的禽流感爆發(fā)中得到了驗(yàn)證。在得到發(fā)現(xiàn)禽流感病例的消息后，研究人員從網(wǎng)上下載了病毒的基因組序列，在幾周內(nèi)就通過化學(xué)合成出一款基于RNA的候選疫苗。這一合成生物學(xué)策略大幅度加快了諾華的疫苗開發(fā)速度。在首例禽流感病例報(bào)告后5個(gè)月左右，該公司開發(fā)的候選滅活疫苗已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，并且表現(xiàn)出了良好的安全性和免疫原性。在2013年末，諾華已經(jīng)開始候選疫苗的大規(guī)模生產(chǎn)。

雖然禽流感并沒有擴(kuò)展成為大流行病，但是使用合成生物學(xué)策略生成疫苗的方法卻成為科學(xué)家們應(yīng)對突發(fā)性大流行病的研發(fā)方向。在新冠疫苗的開發(fā)中，Moderna的候選疫苗在病毒基因組公布后66天就能夠進(jìn)入臨床開發(fā)階段，便是遵循了這一疫苗開發(fā)理念。

2020年：首款mRNA疫苗獲得FDA緊急使用授權(quán)

2020年，在COVID-19疫情席卷全球的情況下，新冠疫苗的快速開發(fā)無疑是生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)對COVID-19的多重努力中的一大亮點(diǎn)。日前，輝瑞/BioNTech開發(fā)的BNT162b2和Moderna開發(fā)的mRNA-1273先后獲得FDA授予的緊急使用授權(quán)（EUA），它們均達(dá)到95%左右的保護(hù)效力，為遏制COVID-19疫情的進(jìn)展帶來了希望。這兩款疫苗也代表了mRNA疫苗技術(shù)首次在廣泛人群中的使用。

回顧疫苗開發(fā)歷史上的里程碑，我們不難看出新冠疫苗開發(fā)的飛速進(jìn)展離不開前人的理論和技術(shù)積累。而以往對SARS、MERS病毒的研究和在癌癥領(lǐng)域?qū)RNA技術(shù)平臺的探索也是讓mRNA新冠疫苗能夠首先獲得FDA緊急使用授權(quán)的重要因素。

圖片來源：Nature

日前，《自然》雜志發(fā)表的一篇文章將新冠疫苗開發(fā)的速度與歷史上其它重大疫苗的開發(fā)速度進(jìn)行了對比。文章指出，大部分疫苗的開發(fā)都需要多年才能夠完成，而科學(xué)家們只用了不到1年，就開發(fā)出了可以被大眾使用的新冠疫苗。我們期待在COVID-19疫情中得到的寶貴疫苗開發(fā)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌虮挥糜谄渌膊〉囊呙玳_發(fā)中，為未來的疫苗開發(fā)過程帶來永久性的進(jìn)步。

參考資料：

[1] Nature Milestones in Vaccines. Retrieved December 23, 2020, from https://www.nature.com/immersive/d42859-020-00005-8/index.html

[2] Emil von Behring: The Founder of Serum Therapy. Retrieved December 24, 2020, from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1901/behring/article/

[3] The lightning-fast quest for COVID vaccines — and what it means for other diseases. Retrieved December 24, 2020, from https://www.nature.com/articles/d41586-020-03626-1.

來源：藥明康德