mRNA疫苗和灭活疫苗，哪一种更善于应对病毒突变？

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　　让人谈虎色变的新冠病毒突变问题又一次上了新闻头条，这一次是在英国， 这种新出现的突变体似乎显示了超乎寻常的传播力，在短短的几个月的时间就出现在伦敦60%的确诊病人体内。这次的突变体，主要是在人人耳熟能详的“刺突蛋白”中的三个位点发生了变化：

　　细胞表面的ACE2受体，象一只小手一样紧紧抓住病毒表面的刺突蛋白，促使它被细胞吞噬，然后在细胞内复制

• 　　在新冠病毒颗粒和人细胞表面的血管紧张素转化酶2（ACE2）的接触表面，新冠蛋白的一个天冬酰胺（N）突变成了酪氨酸（Y），据说这一改变提高了病毒和宿主细胞的亲和力，当然就增加了传染力。

• 　　这个突变型在刺突蛋白上有两个氨基酸残基的缺失（69-70 del），据说这个变化有可能使病毒逃避机体的免疫防御。

• 　　最后一个突变是在刺突蛋白酶切位点附近，那么这个变化有可能影响新冠刺突蛋白的包装和成熟。

　　可想而知，人们当然忧虑这种突变毒株是否会对刚刚热气腾腾出锅的辉瑞/Moderna的mRNA疫苗产生抗性，这俩公司也忙不迭地对外声明：他们正在从疫苗注射者体内抽血，看看受试者血清抗体抑制突变毒株的能力有无下降。

　　在这俩公司长长的to-do list上，这算是新添加的任务。

　　为什么这么说呢？原来在最近的FDA疫苗专家评审会上，专家们已经表达了对毒株突变从而逃逸疫苗钳制的忧虑了（）。

• 　　他们问辉瑞说：你们的疫苗接种组里有8例感染，能否对他们进行测序，看看他们的毒株是否因为发生了突变才导致了失去保护？辉瑞说这个实验他们还没有做。

• 　　一周后专家们也问了Moderna一模一样的问题：你们的疫苗组里有11例感染，是否由于是他们的毒株突变？Moderna的态度比辉瑞积极多了说实验正在做。

　　现在又有了英国的实锤突变，不知道两个公司先测哪一个样本？我们只能希望辉瑞和Moderna那8个和11个接种了疫苗依然感染的患者，携带的不是这个英国突变。

　　好消息是，病毒刺突蛋白是一个不小的蛋白质，所以mRNA疫苗应该能刺激出针对该蛋白不同位点的多种抗体，突变毒株在个别位置变化，应该还不至于导致疫苗诱发的整体免疫防护失灵。但是，也不能就此说担心的人是杞人忧天，因为我们也许还记得半年曾让人紧张的那个新冠突变新种D614G（）。

　　幸运的是，D614G这个突变虽然大大提升了病毒的传播力，但是并未增加致死率，也没有降低中和抗体的效价。但趋势是显著的：新冠刺突蛋白在变，而且幅度在增大。D614G系单点突变，而半年后这个伦敦新种，在刺突蛋白上已经有三个不同位点的突变了。看来，即使两个药厂得出疫苗继续有效的结论，病毒越来越变脸，最后逃逸现存疫苗的天罗地网，也是迟早的事。

　　根据最近的报道，中国国药和科兴的灭活疫苗也分别在阿拉伯国家和巴西得到了肯定，即将上市。那么一个自然的问题是，在对待病毒突变这个问题上，是疫苗新贵RNA品系更有利，还是传统的灭活疫苗？

　　要讨论这个问题，就不能不提及这两种不同工艺的作用机理。

　　mRNA疫苗，和其他的高端疫苗比如纯化抗原组分疫苗（如人乳头瘤病毒HPV疫苗，防宫颈癌），和DNA载体疫苗（比如尚在测试中的中国康熙诺，英国牛津/阿斯利康，美国强生），都有一个共同的特点，那就是专门铆定了病原表面单一一个高抗原性和高致病性的的组分。

　　对于新冠而言，就是它的刺突蛋白。其他类似的例子还有肺炎球菌的脂多糖外荚，人乳头瘤病毒HPV的主要衣壳蛋白1（L1 Protein），流感病毒表面的血凝素蛋白hemagglutinin，等等。

　　这种疫苗做法的好处首先在于，诱发的机体抗体可能直接作用于病原体的表面，在物理上就直接打断了病原和人细胞的黏附；其次，诱发的抗体比较单一，直指病原致病的主要组分，而不是产生很多针对病原其他成分的杂七杂八的抗体，据说这些杂质可能诱发一种叫做ADE的疫苗副作用，这个机制非常复杂这里不多说。

　　但是，成也萧何，败也萧何，既然这个刺突的功能是如此的重要，病毒也在无时不刻地在设计改造它。就拿新冠这种突变率并不高的病毒来举例吧，它平均每个月会积累1-2个自然随机的突变。如果这些突变发生在和病毒/宿主相互作用关系不大的地方，就会自生自灭，引不起神马风浪；而一旦这样的突变碰巧地提高了病毒和人细胞受体的结合力，那么他们就会在自然选择的进化压力下胜出，就如同现在这个英国突变株一样，短时间内占据了伦敦60%的阳性人群。再加上如果这样的突变改变了免疫性的话，疫苗就在群体中失效了。

　　所以有聪明人提出，除了病毒表面成分之外，如果能找到一种既能诱发强烈免疫反应，而且突变率低的病毒“内部”组分的话，那会是对刺突蛋白疫苗的极大补充。

　　还真有人这样尝试了，英国有一家小疫苗公司叫Emergex，他们在研究黄热病毒（和新冠一样，也是一种RNA病毒）的免疫应答时，惊讶地发现，机体对入侵病毒的T细胞反应，竟然主要是瞄准了病毒颗粒的内部抗原，反而对病毒表面的E型糖蛋白熟视无睹。

　　另外一家深谙此道的小疫苗公司Osivax指出，对新冠而言，除了刺突蛋白之外，深藏病毒颗粒内部的核酸衣壳蛋白Nucleocapsid protein（顾名思义，这个蛋白是用来包装病毒RNA遗传物质的），也是一个制作疫苗的很有吸引力的靶子，这个道理和上面举的黄热病毒的例子类似。这个靶点的另一个优势在于，由于它不和人类细胞表面的识别相关，所以比刺突蛋白更稳定，突变和进化的速率更慢，也就说逃逸疫苗所诱导免疫网的可能性更低。

　　病毒颗粒内藏的紫色念珠状长链，就是新冠的核酸衣壳蛋白复合物

　　可惜了，这样一个有潜在价值的疫苗靶子，被专攻刺突蛋白的高端RNA疫苗错过了，这是它的机理所限制。

　　这也正成为灭活疫苗为数不多的优势之一。

　　我们知道，灭活疫苗是全病毒颗粒被化学灭活之后，整体注入人体，那么除了刺突蛋白之外，核酸衣壳蛋白Nucleocapsid protein也在其中，并可能刺激相应的抗体和细胞免疫记忆。万一，我是说万一，由于刺突蛋白的突变而让体内相关抗体失去了对其的杀伤力，这个核酸衣壳蛋白可没变，人体免疫力仍可通过攻击它而达到对整体病毒的刹车。

　　那么，深埋在病毒颗粒内部的组分，如何能被机体免疫组织快速识别？也许很多有人疑问。

　　病毒进入人体并复制时，部分会被巨噬细胞等体内防御体系所吞噬，胞内的溶酶体等会把病毒颗粒消化，刺突蛋白和内部蛋白都会被化成碎片，被一种叫做MHC的大分子包装转运到细胞表面，再被其他免疫细胞所识别并记忆（下面这个10秒的短片演示了这一点）。所以，即使是病毒内部组分，也有可能成为刺激强化机体免疫力的重要因素。

　　如果灭活疫苗以它“杂”的特征，从而诱导出刺突蛋白以外的关键性免疫组分，比如针对核酸衣壳蛋白的，那就是难能可贵了。

　　当然，RNA疫苗对付抗原突变也绝非一筹莫展。

　　和灭活疫苗相比，它无需培养活病毒和摸索灭活条件；和纯化病原组分疫苗比，它无需大规模发酵和对合成抗原的复杂分离纯化；和DNA载体疫苗比，它免去了制造突变并分子克隆这一步（其实这一步也很简单）。

　　针对突刺蛋白之突变，RNA疫苗只须相应改变核酸序列即可，在现代化高端的化工生产流程中，这就像是打开一个开关一样容易。

　　假如病毒的突变让灭活疫苗也失效了该如何呢？

　　说不得，他们将不得不找到突变的活毒株培养扩大，根据美国新冠疫苗项目协调人Moncef Slaoui估计（他是著名的RNA疫苗粉和灭活疫苗黑），这个过程要几个星期，然后是扩大生产和摸索灭活工艺，有了之前工作的基础，这些会很快。因此所有时间加起来，拿到新灭活苗也许会比RNA疫苗慢一个月左右。

　　这一个月也算不了什么，因为耗时费力的步骤还在后面呢。

　　根据我的理解，在拿到了针对突变株的RNA和灭活疫苗升级版后，他们至少要做这么一个人体实验，找大约100 ~ 1000人来注射，检查他们体内被诱导出来的抗体，看看有无中和突变株的能力 。

　　如果成功了，那么整个疫苗界要问自己一个问题：是否要重做上万人的三期临床以验证预防疗效？还是直接用于大规模的接种？如果英国突变体引发世界范围的疫情大爆发的话，我想强烈呼吁后一个选项的呼声会震耳欲聋。

　　究竟如何，也许我们可以找两个例子来借鉴。

　　第一个例子是目前世界上最热销的疫苗，辉瑞的肺炎链球菌疫苗，Prevnar 13，年销售额超过60亿美元。值得一提的是，肺炎球菌在生物科技史上曾扮演过举足轻重的历史角色。原来，在上世纪40年代，美国的微生物学家Oswald Avery发现有两种肺炎球菌，一种是光滑型的，因为表面有一层脂多糖荚，这一类可以导致老鼠死亡；还有一种无毒，表面因为缺乏脂多糖荚而成粗糙状。Avery在研究两种类型细菌互相转化的机理时，无意间揭示了DNA是遗传物质这一20世纪划时代的理论。

　　在Avery的原始文献中，光滑肺炎链球菌表面包裹了一层有毒的脂质粘多糖壳

　　如今我们知道，光滑型的肺炎链球菌之所以能导致肺炎，是因为它的表面脂多糖荚会引发强烈免疫反应。因此这个疫苗的工艺就是，把细菌脂多糖成分和白喉蛋白偶联，注射后激发人体对活菌的抗性。这个菌外膜脂多糖，和新冠刺突蛋白有类似的地方，刺突蛋白可能由于突变而呈现不同的免疫原性，肺炎球菌脂多糖也在漫长的进化过过程种形成了多样的糖基化形态，从而具有不同的免疫原性。

　　这个疫苗比较早的版本在2000年得到批准，它当时包含了七种常见的肺炎球菌亚型的糖脂外膜成分，这七种涵盖了美国80%的球菌性肺炎病例，疫苗保护率达到98%。

　　又经过了10年漫长的基础研究和临床试验，该疫苗的升级换代版Prevnar 13获得了批准。除了原先的七种细菌亚型多糖成分外，这个新产品又添加了六种新亚型的成分，这样把原来疫苗保护不到的病株给涵盖了。

　　又是十年过去，在今年初新冠疫情在美国刚刚冒头的时候，辉瑞宣布完成了将近四千人的三期临床试验，证实了这些额外添加的病菌亚型多糖，能够有效地诱导相关抗菌抗体的产生，这就达到了FDA批准的标准。

　　值得注意的是，在三期临床中FDA并没有要求这个新型肺炎疫苗测试感染保护率。如果能把这个标准也应用于未来的抗新冠病毒突变型疫苗就好了，因为这会大大缩短测试审批的过程。

　　第二个例子是默克防宫颈癌的抗人类乳头瘤病毒(HPV）疫苗，在世界销售榜上排名第三，年销售额20亿。这是一种纯化蛋白亚基疫苗，基于高纯度的HPV重组衣壳蛋白（L1 Capsid protein）。它和新冠刺突蛋白一样，是病毒表面的高抗原性蛋白，那么可想而知有大量序列各异的亚型会在漫长的进化期内形成。所以，它和辉瑞的肺炎球菌疫苗一样，也走过了一条漫长而曲折的发展之路。

　　和新冠刺突蛋白一样，人乳头瘤病毒的外衣壳蛋白L1 protein 也是一个结构精美的具有高度抗原性的病毒表面蛋白，制作疫苗的好材料

　　第一个石破天惊的大突破发生在1998年，当年第一个“单价”HPV疫苗，也就是只识别一种分布最为广泛的HPV亚型16，它在预防少女慢性宫颈感染和恶性增生方面有效率达到100%。4年后所谓的“四价”疫苗问世，在机体内诱导出的抗体能够识别四种HPV变异亚型，在很大程度上预防宫颈癌和生殖道疣增生。然后很多年后又有了“九价”疫苗......

　　但是FDA对HPV疫苗预防力的要求就高太多了，仅仅展示相关抗体的产生是不够的，他们的三期临床必须能够切切实实地观察到抗亚型疫苗组在病理学上的改善，所以他们的试验样本非常大，招收了一万七千名年轻女性，观察期长达几年。

　　很显然，对于抗突变的新冠疫苗，如果也做同样要求的话，那就意味着需要重做几万人的三期临床感染试验，过于费时耗力，在疫情大流行的紧急状况下，似乎是不大可能的。

　　所以，未来抗突变新冠疫苗的测试和审批，更有可能遵循辉瑞Prevnar-13/20的模式，而不是默克HPV模式。

　　从长远来看，如果如专家所预言的那样，新冠将与人类长期共存，那么毒株依据其突变型和免疫性而分成各种亚型是迟早的事。也许多年以后，当人们接种新冠疫苗的时候，我们所关心的不再是RNA疫苗还是灭活疫苗，不是辉瑞还是强生疫苗，不是美国疫苗还是中国疫苗，而是“单价”疫苗还是“多价”疫苗，他们能否抗英国亚型，伦敦亚型还是武汉亚型？等等，等等。

　　图片来自网络

　　参考资料

　　https://www.sciencemag.org/news/2020/12/mutant-coronavirus-united-kingdom-sets-alarms-its-importance-remains-unclear

　　https://virological.org/t/preliminary-genomic-characterisation-of-an-emergent-sars-cov-2-lineage-in-the-uk-defined-by-a-novel-set-of-spike-mutations/563

　　https://www.fiercepharma.com/pharma/pfizer-moderna-urge-calm-as-they-launch-tests-vaccines-against-mutated-covid-19

　　https://www.wsj.com/articles/sinovacs-covid-19-vaccine-shown-to-be-effective-in-brazil-trials-11608581330

　　https://www.nature.com/articles/d41586-020-03563-z

　　https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32716500/

　　https://www.labiotech.eu/medical/emergex-covid-19-vaccine/

　　https://www.businesswire.com/news/home/20200818005732/en/Emergex-Bio-ManguinhosFiocruz-Elucidate-Cell-Epitopes-Produced-Commercial

　　https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25980355/

　　https://www.pfizer.com/news/press-release/press-release-detail/us-fda-accepts-priority-review-biologics-license

　　https://www.pfizer.com/news/press-release/press-release-detail/pfizer_announces_top_line_results_from_phase_3_study_of_20_valent_pneumococcal_conjugate_vaccine_in_pneumococcal_vaccine_na_ve_adults_aged_18_years_or_older

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