新技術(shù)將成為疫苗開(kāi)發(fā)的有效手段

新技術(shù)將成為疫苗開(kāi)發(fā)的有效手段

自從牛痘苗成功生根以來(lái)，疫苗的預(yù)防效果得到了認(rèn)可。但新發(fā)和再發(fā)傳染病的暴發(fā)對(duì)人類(lèi)健康又構(gòu)成了威脅,因此需不斷探索新方法和新技術(shù),以研制新疫苗。本文對(duì)疫苗研發(fā)的歷史、所面臨的挑戰(zhàn)和新技術(shù)作一概述。1免疫、微生物和人自1796年愛(ài)德華·詹納(EdwardJenner)發(fā)明牛痘苗以來(lái),疫苗已成為防控傳染病的優(yōu)先選擇。1977年WHO宣布全球范圍內(nèi)消滅天花,自1978年起,天花疫苗已累計(jì)挽救了3.75億人的生命。脊髓灰質(zhì)炎(脊灰)疫苗的大規(guī)模使用,幾乎根除了小兒麻痹。疫苗每年可阻止千百萬(wàn)人死于傳染病,因而接種疫苗是最有效的公共衛(wèi)生措施之一。1881年,路易斯·巴斯德改進(jìn)了病原微生物減毒方法,為減毒活疫苗的開(kāi)發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ),1886年Salmon和Smith證明了加熱滅活的雞霍亂菌也同樣具有免疫力,并首創(chuàng)了滅活疫苗。20世紀(jì)出現(xiàn)的細(xì)胞、病毒和細(xì)菌培養(yǎng)技術(shù)以及無(wú)菌控制技術(shù)和合成培養(yǎng)基等技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了疫苗研發(fā)的新紀(jì)元,這使20世紀(jì)中后期進(jìn)入了疫苗發(fā)展的黃金時(shí)代,這段時(shí)期成功研制了脊髓灰質(zhì)炎、麻疹、腮腺炎、風(fēng)疹等疫苗(圖1)。20世紀(jì)下半葉,大部分開(kāi)發(fā)的疫苗是通過(guò)直接模擬自然感染途徑而制成的減毒或滅活疫苗,隨著多糖蛋白結(jié)合技術(shù)和重組DNA等技術(shù)的問(wèn)世,開(kāi)發(fā)了預(yù)防肺炎、腦膜炎、乙肝以及人乳頭瘤病毒(HPV)等疫苗(圖2)。目前,大約有70多種疫苗上市銷(xiāo)售,可以預(yù)防白喉、破傷風(fēng)、百日咳、炭疽、結(jié)核病、b型流感嗜血桿菌(Hib)、腦膜炎球菌(Men)、肺炎鏈球菌、鼠疫、傷寒和斑疹傷寒等11類(lèi)細(xì)菌性疾病,以及甲肝、乙肝、戊肝、脊灰、流感、狂犬病、乙腦、黃熱病、麻疹、腮腺炎、風(fēng)疹、水痘、帶狀皰疹、輪狀病毒感染、HPV感染和天花等16類(lèi)病毒性疾病(表1)。2國(guó)際疫苗立法研究的背景全球疫苗免疫聯(lián)盟(TheGlobalAllianceforVaccineandImmunization,GAVI)估計(jì),全球每年約有150萬(wàn)名兒童死于疫苗可預(yù)防的疾病,平均每20s就有一名兒童死于腹瀉、肺炎等疫苗可預(yù)防疾病,可見(jiàn)疫苗并未完全發(fā)揮出其應(yīng)有的作用。首先,因經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件限制,許多發(fā)展中國(guó)家仍不能充分獲得疫苗。據(jù)2001年統(tǒng)計(jì),對(duì)人類(lèi)致病的微生物共有1415種,包括217種病毒和朊病毒,538種細(xì)菌和立克次體,307種真菌,66種原生動(dòng)物和287種寄生蟲(chóng),其中61%是人獸共患病,近40年新發(fā)傳染病也正威脅著人類(lèi)健康,現(xiàn)在疫苗可預(yù)防的傳染病只是少數(shù)。其次,諸如艾滋病、結(jié)核和瘧疾等嚴(yán)重傳染病,每年奪去約450萬(wàn)人的生命,目前仍未開(kāi)發(fā)出相關(guān)疫苗或現(xiàn)有疫苗效果不理想。許多成功開(kāi)發(fā)出相應(yīng)疫苗的病原體,感染人體會(huì)產(chǎn)生保護(hù)性免疫應(yīng)答,疫苗只是模擬這種自然感染,而且這些疫苗所能夠預(yù)防的病原體幾乎都是抗原組成相對(duì)穩(wěn)定,并可以刺激人體產(chǎn)生保護(hù)性抗體。HIV、瘧原蟲(chóng)以及結(jié)核桿菌這3種病原體則情況不同,它們的抗原組成多變、不穩(wěn)定,而且都需要T細(xì)胞免疫提供保護(hù),至今仍未開(kāi)發(fā)出可以更有效預(yù)防上述這3種病原體感染的疫苗。研制針對(duì)這些傳染病的疫苗,需要基于對(duì)免疫發(fā)病機(jī)理更深入的研究,并采用新方法設(shè)計(jì)疫苗。第三,傳統(tǒng)的疫苗技術(shù)難以適應(yīng)對(duì)新發(fā)傳染病疫苗研發(fā)的需要。這些無(wú)疫苗可預(yù)防的傳染病或常見(jiàn)疾病,可在全球引起相當(dāng)高的發(fā)病率和死亡率。研制這些病毒、細(xì)菌及寄生蟲(chóng)或自身免疫性疾病的疫苗會(huì)更困難,因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出廣泛的可變性,有的進(jìn)化成可逃避人體免疫系統(tǒng)的免疫逃逸機(jī)制。例如,流感病毒和登革病毒在多數(shù)情況下,由自然感染引起的免疫記憶對(duì)再次感染的同源血清型具有保護(hù)作用,而對(duì)異源血清型則無(wú)保護(hù)作用,甚至預(yù)先存在的非保護(hù)性抗體會(huì)加重非同型病毒的感染的嚴(yán)重程度。因此,即使流感病毒流行株的外層糖蛋白發(fā)生極小變化,也需要每年接種新疫苗。再如,HIV具有超級(jí)變異性,又能夠整合進(jìn)人體基因組,引起持續(xù)感染,而且無(wú)法清除。最后,如巨細(xì)胞病毒(CMV)、單純皰疹病毒、結(jié)核桿菌等病原可引起人體免疫抑制。第四,新的傳染病及其病原體不斷出現(xiàn),如SARA、禽流感等,對(duì)其發(fā)病機(jī)制也在不斷的認(rèn)識(shí),對(duì)其疫苗的研發(fā)策略也在不斷地探索。20世紀(jì)80年代前,疫苗開(kāi)發(fā)主要集中在滅活、減毒、多糖疫苗等。而且,有時(shí)僅需要幾百例的臨床試驗(yàn),即可通過(guò)審評(píng)進(jìn)入生產(chǎn)階段。進(jìn)入21世紀(jì),各國(guó)加強(qiáng)對(duì)疫苗監(jiān)管,對(duì)臨床試驗(yàn)要求更高,通常需要幾千甚至幾萬(wàn)例臨床數(shù)據(jù),國(guó)際上一種新型疫苗平均開(kāi)發(fā)周期為10~12年,創(chuàng)新成本大幅提高。未來(lái)10年,隨著疫苗新工藝、新技術(shù)的突破,非臨床評(píng)估體系將大幅縮短疫苗開(kāi)發(fā)周期。疫苗研究正引起全球科學(xué)家的興趣,主要是:(1)對(duì)許多嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康的傳染病缺少有效的治療措施;(2)耐藥菌株越來(lái)越多;(3)提高已上市傳統(tǒng)疫苗的有效性和安全性;(4)全基因組測(cè)序、蛋白質(zhì)組學(xué)、反向疫苗學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、免疫組學(xué)等新技術(shù)的出現(xiàn)為新疫苗的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了希望。已獲準(zhǔn)上市疫苗雖然基于科學(xué)、可靠方法,但仍以經(jīng)驗(yàn)、反復(fù)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)為主。這些疫苗保護(hù)作用一般是通過(guò)抗原抗體特異性結(jié)合,從而阻止或減少感染。對(duì)研制可預(yù)防全球范圍內(nèi)針對(duì)HIV、HCV等具有超級(jí)變異病毒類(lèi)疫苗而言,疫苗能誘導(dǎo)針對(duì)這些病毒高度保守區(qū)域的廣譜中和抗體非常必要。目前在HIV攜帶者中以檢測(cè)出多種抗HIV廣譜中和抗體,但這些廣譜中和抗體大多具有高頻變異性。此外,對(duì)于人體如何從生殖細(xì)胞系發(fā)育成熟為產(chǎn)生廣譜中和抗體細(xì)胞的最佳免疫策略理解有限。研究免疫應(yīng)答策略還集中在保護(hù)性抗原表位,而遠(yuǎn)離誘餌免疫表位還不明確,它們都參與長(zhǎng)期免疫應(yīng)答。此外,液體免疫主要靠血液中的抗體,而免疫系統(tǒng)對(duì)細(xì)菌的抵抗作用主要發(fā)生在淋巴結(jié)和其他組織。最后,因新生兒和老年人免疫力低下,新一代疫苗需要有更好的免疫原性,且免疫覆蓋的年齡段要更廣。雖然小動(dòng)物和非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物模型在基礎(chǔ)研究和疫苗臨床前研究中起著關(guān)鍵作用,但應(yīng)用于人類(lèi)研究時(shí)其作用仍然非常有限,這在很大程度上歸因于免疫遺傳差異、致病菌的物種特異性以及影響物種特異性的常住菌群的不同。3雙向基因免疫免疫藥物等新型疫苗的研制過(guò)去30年中,全基因組測(cè)序和生物信息等一些革命性技術(shù)運(yùn)用于疫苗研究領(lǐng)域,對(duì)新疫苗的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)生產(chǎn)影響深遠(yuǎn),使現(xiàn)在的疫苗更加安全有效,也使研制以前用傳統(tǒng)方法無(wú)法開(kāi)發(fā)的疫苗成為可能。例如,重組DNA技術(shù)使大規(guī)模生產(chǎn)乙型肝炎疫苗成為現(xiàn)實(shí);多糖蛋白結(jié)合技術(shù)使人們研制出Hib、多價(jià)肺炎和多價(jià)腦膜炎球菌多糖蛋白結(jié)合疫苗,新型聯(lián)合疫苗的出現(xiàn)可減少注射針次;MF59和AS03新型佐劑也成功用于新研制的HPV疫苗和流感疫苗;無(wú)細(xì)胞百日咳疫苗取代全細(xì)胞百日咳疫苗,這些對(duì)原有疫苗生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn),提高了其安全性和有效性;通過(guò)反向疫苗學(xué)技術(shù),全基因組測(cè)序分析可發(fā)現(xiàn)保護(hù)性抗原,利用該技術(shù)研制的B型腦膜炎球菌疫苗已上市銷(xiāo)售。全基因組測(cè)序使找到B群鏈球菌、A群鏈球菌、肺炎球菌、抗生素依賴(lài)性細(xì)菌的保護(hù)性抗原成為可能。HPV疫苗通過(guò)病毒樣顆粒(VLP)技術(shù)開(kāi)發(fā)成功。核酸疫苗和合成肽疫苗也給我們帶來(lái)了新的希望?？茖W(xué)家在理解人體免疫系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)新型佐劑方面已取得新進(jìn)展。氫氧化鋁佐劑已經(jīng)使用了70多年,在過(guò)去20年中,水包油乳劑和脂質(zhì)體類(lèi)新型佐劑獲得批準(zhǔn),含有鋁鹽、TLR和MPL的佐劑也在HPV疫苗中得以應(yīng)用,此外幾個(gè)TLR激動(dòng)劑的佐劑也正在開(kāi)發(fā)之中。伴隨疫苗開(kāi)發(fā)新技術(shù)的問(wèn)世,也出現(xiàn)了一些快速評(píng)估疫苗安全性的新技術(shù)。反向疫苗學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)這些新技術(shù)或者理論的出現(xiàn),為用傳統(tǒng)方法難以成功研制的疫苗帶來(lái)了新的希望?，F(xiàn)在人們不僅希望開(kāi)發(fā)預(yù)防兒童傳染病的疫苗,也希望開(kāi)發(fā)出針對(duì)健康成人、孕婦、老年人以及其他特殊人群的疫苗,以及針對(duì)自身免疫性疾病和癌癥的疫苗。隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)、生物信息學(xué)、計(jì)算生物學(xué),納米技術(shù)、劑型技術(shù)和系統(tǒng)生物學(xué)等新技術(shù)的發(fā)展,使抗原設(shè)計(jì)、新型佐劑和免疫監(jiān)測(cè)進(jìn)入新的時(shí)代。新型疫苗研發(fā)的技術(shù)進(jìn)展,特別是免疫監(jiān)測(cè)技術(shù)、系統(tǒng)疫苗學(xué)、后基因組技術(shù)和反向疫苗學(xué)的重大發(fā)展,為新保護(hù)性免疫生物標(biāo)記的發(fā)現(xiàn)以及動(dòng)物模型用于篩選和優(yōu)化人用疫苗限制因素的確定等提供了巨大的幫助。4治療性疫苗repond-rendth21世紀(jì),我們堅(jiān)信在預(yù)防性和治療性疫苗領(lǐng)域均會(huì)有長(zhǎng)足進(jìn)展,主要體現(xiàn)在以下幾方面:利用新技術(shù)開(kāi)發(fā)針對(duì)HIV、HCV、瘧疾、結(jié)核、巨細(xì)胞病毒、衣原體、皰疹病毒、志賀桿菌等嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康的傳染病的疫苗;改進(jìn)疫苗安全性和有效性的臨床前評(píng)估,利用系統(tǒng)生物學(xué)方法加快更安全的新疫苗開(kāi)發(fā),目前已有人提出了“系統(tǒng)疫苗學(xué)(systemvaccinology)”的概念;除感染性疾病以外,加快針對(duì)自身免疫性疾病、慢性老年性疾病以及癌癥疫苗的開(kāi)發(fā);開(kāi)發(fā)與青少年和成人年齡結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的疫苗,以及不同性別對(duì)疫苗產(chǎn)生最佳免疫應(yīng)答所需疫苗配方和劑量,新近稱(chēng)為“個(gè)性化疫苗學(xué)(personalizedvaccinology)”;開(kāi)發(fā)針對(duì)在發(fā)展中國(guó)家廣泛流行性疾病的疫苗,特別是聯(lián)合疫苗;提高包括在發(fā)展中國(guó)家和特殊人群疫苗上市后評(píng)估的基礎(chǔ)能力;優(yōu)化初免-加強(qiáng)免疫的方案來(lái)提高疫苗的免疫效果;用創(chuàng)新性設(shè)計(jì)加速疫苗開(kāi)發(fā),有人提出“疫苗組學(xué)(vaccinomics)”的概念;開(kāi)發(fā)能誘導(dǎo)T細(xì)胞免疫應(yīng)答的新型佐劑,以更有效地抵抗慢性感染性疾病和癌癥;改善公眾對(duì)疫苗接受和使用的公共健康意識(shí)。隨著對(duì)人類(lèi)免疫系統(tǒng)的不斷認(rèn)識(shí)和了解,治療性疫苗(therapeuticvaccines)的開(kāi)發(fā)已成為可能。與預(yù)防性疫苗不同,治療性疫苗可以誘導(dǎo)患者體內(nèi)再次免疫應(yīng)答,從而治療已有的疾病,徹底消除或防止疾病復(fù)發(fā)。因此,對(duì)于治療損害免疫系統(tǒng)的疾病或者免疫應(yīng)答受限的疾病,對(duì)HIV/AIDS和慢性乙型肝炎等具有巨大潛力。此外,治療性疫苗有望滿(mǎn)足一些未知醫(yī)療問(wèn)題的巨大需求。治療性疫苗在拯救生命和解決慢性疾病的治療費(fèi)用問(wèn)題方面效果顯著,具有極大的商業(yè)前景,為疫苗工業(yè)和市場(chǎng)注入了新的活力。大多數(shù)治療性疫苗還處在開(kāi)發(fā)階段,雖然起步較晚,但發(fā)展很快。美國(guó)食品藥品管理局在2006年批準(zhǔn)默沙東公司的重組人乳頭狀瘤病毒(HPV)疫苗Gardasil用于預(yù)防HPV6、11、16和18型感染引起的宮頸癌;2010年4月首次批準(zhǔn)了第一個(gè)用于前列腺癌的治療性疫苗藥物—sipuleucel-T(別名Provenge,Dendreon公司)。這一舉措重新激發(fā)了生產(chǎn)廠家在多個(gè)領(lǐng)域?qū)︻A(yù)防或治療性疫苗的廣泛興趣,包括老年癡呆癥、物質(zhì)依賴(lài)癥、丙型肝炎和HIV相關(guān)疾病。而在流感疫苗、某些兒童疫苗等預(yù)防性疫苗的開(kāi)發(fā)方面,一些新技術(shù)的引進(jìn),例如改變佐劑、無(wú)針給藥、黏膜給藥等,以及更快捷、靈活的生產(chǎn)方式的誕生,為產(chǎn)品改進(jìn)和多樣化提供了廣闊的空間。由于現(xiàn)有產(chǎn)品主要以針對(duì)健康人群的預(yù)防類(lèi)疫苗為主,所以對(duì)疫苗開(kāi)發(fā)中的新候選產(chǎn)品而言,較高的安全性以及耐受性仍然至關(guān)重要。最具開(kāi)發(fā)前景的疫苗項(xiàng)目是預(yù)防或治療目前不能滿(mǎn)足治療需要的疾病,如癌癥、成癮、過(guò)敏反應(yīng)、糖尿病、感染性疾病、阿爾茨海默、HIV、丙型肝炎、高血壓等,其中治療性癌癥疫苗最多,約占3/4。對(duì)病原體致病機(jī)理理解的日益深入,已大大推動(dòng)了新疫苗和治療制劑的開(kāi)發(fā)。然而,對(duì)許多病原體疫苗的開(kāi)發(fā)仍遙遙無(wú)期,對(duì)日益增多的新型病原體迫切需要開(kāi)發(fā)出有效疫苗。過(guò)去30年里,DNA重組技術(shù)和多糖蛋白結(jié)合技術(shù)大大改變了疫苗開(kāi)發(fā)的局面。最近,包括反向疫苗學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的新技術(shù)已開(kāi)始用于抗原設(shè)計(jì)和疫苗免疫效果的評(píng)估?；蚪M技術(shù)能夠在功能未知的前提下選擇候選疫苗,不但可以發(fā)現(xiàn)新的保護(hù)性抗原,而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種病原體的新的毒力因子。因此,疫苗開(kāi)發(fā)過(guò)程不斷推動(dòng)對(duì)病原體的理解,這反過(guò)來(lái)促進(jìn)研究病原體和設(shè)計(jì)更成功疫苗的新方法。隨著耐藥菌、新發(fā)和再發(fā)傳染病問(wèn)題的日益嚴(yán)重,