HIV疫苗将在近几年问世，从源头解决感染问题
2017-02-13 佚名 环球科学
30多年前，科学家就已经确定HIV是艾滋病的致病元凶，但是，直到现在我们依然没有设计出有效的疫苗。虽然目前医生可利用一系列药物，使感染者的病情得到很好的控制（可达几十年的时间），但是研制出能够防止病毒感染的疫苗才是最好的武器。而且在发展中国家，药物所需的费用和其他因素会使很多人无法得到有效的治疗。一旦缺乏有效治疗，患者会慢慢发展出严重的免疫缺陷问题（获得性免疫缺陷综合征，AIDS），没几年，就会面
30多年前，科学家就已经确定HIV是艾滋病的致病元凶，但是，直到现在我们依然没有设计出有效的疫苗。虽然目前医生可利用一系列药物，使感染者的病情得到很好的控制（可达几十年的时间），但是研制出能够防止病毒感染的疫苗才是最好的武器。而且在发展中国家，药物所需的费用和其他因素会使很多人无法得到有效的治疗。一旦缺乏有效治疗，患者会慢慢发展出严重的免疫缺陷问题（获得性免疫缺陷综合征，AIDS），没几年，就会面临死亡的威胁。
疫苗开发进展缓慢并不是因为没有做出尝试，也不是缺少必要的资金支持。问题在于，与科学家研究过的其他病毒不同，HIV太不一样了。任何有效的抗病毒疫苗都必须激活免疫系统，在病毒侵入细胞，蔓延至全身之前攻击、消灭它们。但是HIV演化出了对付人体免疫系统的防御武器。它就像魔鬼一样，杀死或损伤关键的免疫细胞，而这些细胞本该调动身体发起防御反击的。它还是独一无二的伪装者，让大量研究人员投入在疫苗开发上的工作都化为乌有，没有一种疫苗能让人体迅速识别并阻止HIV变异，防止进一步感染。经过近20年的努力，我们联合组建的科研团队终于合成了一种人工蛋白质，它能帮助疫苗生产商克服过去面临的困难。我们的实验证明，这种分子能在动物体内唤起强烈的免疫反应，对抗HIV。不过，要想作为人体疫苗使用，还需要做进一步的调试，才能更有效、更好地对付多种病毒株。
后续工作还有很长的路要走，我们的实验室和其他团队已经在迅速推动相关研究，大家都信心十足，认为我们终于走上了正确的道路。
全新的结构
我们模拟的对象是HIV的囊膜蛋白质（envelope，简称Env）。现在，我们能合成比之前更接近这种物质的蛋白质了。囊膜蛋白质在HIV表面形成钉状突起，使病毒能够进入免疫细胞，比如CD4+T淋巴细胞。正常情况下，这些T细胞通过自身外膜蛋白（包括CD4和CCR5蛋白质）与免疫系统的其他部分保持通讯，囊膜蛋白质就像堡垒高处的信号塔。当HIV企图进入免疫细胞时，它会与 CD4或CCR5蛋白质结合。囊膜蛋白质还会通过扭曲、重构自身的结构，使病毒外膜与免疫细胞的外膜发生融合。膜融合的同时，病毒就会把自己的基因释放到细胞中，生产出上亿份的病毒拷贝。组装好的病毒又会逃出细胞，蔓延到周围的细胞里，重复传染过程。
科研人员一直梦想着，只要能破解囊膜蛋白质的花招，就能预防HIV感染。其中，最合理的方法是“教会”人体免疫系统生产抗体分子，特异识别并附着在HIV的囊膜蛋白质上。理论上，这些抗体应该产生两种功效。第一，它们应该能形成屏障，使HIV不能附着在CD4和CCR5上，从而阻止病毒进入CD4+T细胞；第二，确保免疫系统其他部分迅速响应，破坏病毒并清除残留。类似的策略在其他病毒疫苗上取得了成功，比如乙肝病毒疫苗：在实验室中，研究人员用基因工程的方法得到病毒表面蛋白质，然后将它注射到人体内，这些蛋白质本身不会引发疾病（因为病毒的其他部分缺失），但是它们可以诱导免疫系统在身体中产生抗体，有病毒入侵时，通过识别类似的表面蛋白，从而快速消灭病毒。
可惜，使用标准步骤开发HIV疫苗时，科学家却总是遭遇挫折，因为它的囊膜蛋白质十分“狡诈”，一旦与完整病毒分开就迅速分解。囊膜蛋白质片段包括gp120亚单位和gp41亚单位，前者负责与CD4蛋白质结合，后者负责将囊膜蛋白质锚定在病毒表面，随后促进病毒和免疫细胞膜的融合。
你可能会认为，囊膜蛋白质的分解不是什么大问题。毕竟，gp120出问题不能与CD4信号蛋白质结合，病毒就不能感染细胞了，而免疫系统还可以识别单个gp120分子，产生抗体。不过，虽然现在仍然有研究人员在尝试使用gp120亚单位开发疫苗，但都失败了。结果已经证明，针对单个gp120蛋白质的抗体不能触发强烈的免疫应答。相反，对囊膜蛋白质的研究表明，针对整个蛋白质的抗体能更有效地消灭HIV。
1988年，本文作者约翰·P·穆尔终于决定抛弃传统的gp120途径，转而研制基于完整囊膜蛋白质的疫苗。要开发这种疫苗非常困难，原因之一是囊膜蛋白质结构复杂：它是一种三聚体，由3个gp120亚单位和3个gp41亚单位组成。很快，罗吉尔·W·桑德斯也加入了团队，不久以后，我们的另一个主力：伊恩·A·威尔逊也加入了进来。
对抗多方挑战
研制任何抗HIV疫苗（包括我们在研制的）都会面临多重挑战。首先，疫苗必须能刺激免疫系统产生特定种类的抗体。其中最有效的抗体能识别完整病毒（就HIV而论，抗体需要精确附着到囊膜蛋白质上），并与病毒结合，阻止病毒进入细胞。因为能与病毒结合，阻断感染途径，研究人员又把相关防御分子称为中和抗体。
然而，为了在世界范围内预防HIV感染，我们不能仅仅提高某一种中和抗体的效力，而是需要找到一种广谱疫苗：能够识别不同毒株的囊膜蛋白质，阻止它们利用CD4和CCR5进入免疫细胞。理想的中和抗体应该可以针对不同毒株中的囊膜蛋白质的相似部分。如果可能的话，最好的策略是针对囊膜蛋白质的几个不同部分，能产生不同的广谱中和抗体。
要知道HIV表面包裹着厚厚的糖衣，能让HIV躲开免疫系统，而囊膜蛋白质还隐蔽在糖衣下。尽管如此，研究人员还是希望疫苗能与囊膜蛋白质相互作用，产生抗体。其实，在没有用药时，HIV的感染过程也会刺激免疫系统，使其作出响应（包括生产中和抗体），但这种响应太缓慢和微弱了，根本不能根除HIV。人体可能需要几个月甚至是几年时间，才能知道如何制造一种中和抗体，避开或者识别HIV的伪装糖衣。可是在此期间，病毒已经毁灭了大量免疫细胞，使患者病入膏肓。
试验与失败
合成蛋白质三聚体能够达到我们要求的其中两项标准：不能分解；能触发针对相关HIV毒株的中和抗体。在美国国立卫生研究院（NIH）的资金支持下，我们在20年里做了许多尝试，现在，终于有了阶段性成果。
我们从一种HIV中分离出囊膜蛋白质基因，以它为蓝本合成囊膜蛋白质。为此，我们需要把囊膜蛋白质锚定到HIV表面的部分去除。在第一次尝试中，我们得到的蛋白质依然会分解。有几位科学家试图改变囊膜蛋白质的基因，从而确保三聚体的完整。不过，得到的蛋白质虽然不会完全分解，但是它们的结构与HIV上的囊膜蛋白质却大相径庭，不能诱导机体产生必需的抗体。
此后，我们不得不在与HIV结构相似的其他病毒里找寻线索。有些病毒的表面蛋白质中存在新的键，它们通常用一对硫原子把类似gp120和gp41的部分连接起来。我们在研究时，如何才能在合成的HIV囊膜蛋白质中加入这种二硫键？到底把二硫键放在什么位置才能让连接更紧密？在反复试验gp120和gp41的组合后，我们终于找到了正确的位置。可惜，得到的三聚体还是分解了。还好这次失败的经验给了我们新的启示。
疫苗设计思路。图片来源：《环球科学》
接着，我们把gp41部分的结构做了微小的改动。蛋白质都是由不同的氨基酸组成的，其中氨基酸的电荷会导致蛋白质具有独特的构象。桑德斯决定采用特殊的氨基酸置换法，稍微改造三聚体中的gp41部分。最终，他发现，用脯氨酸代替异亮氨酸后，三聚体就能紧密结合在一起。我们将这种蛋白质命名为“SOSIP”，名字本身蕴含了我们对稳定蛋白质的两个策略：开头3个字母（SOS）指的是二硫键，最后2个字母（IP）表明我们在gp41上做了关键变化。这两项关键进展终于让我们迎来了曙光。
首先，安德鲁·沃德（Andrew Ward）加入了我们的团队。此前，他在斯克利普斯研究所任助理教授，负责确定囊膜蛋白质三聚体物理结构。沃德用电子显微镜展现了合成三聚体的结构，发现它们吸引了很多脂质球（或类脂球），让自身变得很黏，容易形成像口香糖一样的凝胶体。虽然我们合成的三聚体中有一部分很像病毒的囊膜蛋白质，但是另一部分还是会形成十分奇怪的结构。显然，我们没有制作出符合要求的钉状三聚体。
在电子显微照片的启发下，我们想出了另一种方法：截去三聚体的一部分，让它不能吸引讨厌的脂质分子。我们把这个截短的三聚体叫做SOSIP.664，这意味着，三聚体中的三个个体都是一条氨基酸长链，我们在664位进行截断。沃德在电子显微镜下看到，这种三聚体比往常更短，但更有意思，与感染性HIV上发现的钉状结构非常类似：被截去的部分经常躲藏在病毒表面下。 这里的SOSIP.664还不完整，只是与一种HIV毒株的囊膜蛋白质拥有同样的氨基酸组成。我们希望进一步构建新的三聚体，让它诱导人体产生对大部分毒株都有效的中和抗体。
即使到现在也没有人真的知道，怎样才能准确制造一种三聚体，诱导人体产生广谱中和抗体。不过我们采取了一个巧妙的策略：在实验室中，先用不同的HIV诱导机体生成抗体，然后看我们合成的三聚体能否被这些抗体识别出来。由于我们不知道在囊膜蛋白质中，哪种氨基酸组成能让大多数抗体识别出来，因此只能一步一步地尝试，从来自世界各地的100种HIV里筛选蛋白质。然后，我们合成所有囊膜蛋白质的SOSIP版本，找到那个既具有钉状结构，又能与许多抗体结合的蛋白质。
还好，我们总算找到了。病毒样本编号BG505，来自一名出生在肯尼亚首都内罗毕的婴儿，当时他只有6周大，出生时就携带着HIV。这个特殊的毒株是美国弗雷德·哈金森癌症研究中心的朱莉·欧维巴（Julie Overbaugh）和她在内罗毕大学的同事们分离出来的，国际艾滋病疫苗行动组织（IAVI）也把相关的基因序列和氨基酸组成信息发给了我们，用于筛选。
另一个进展是，我们发明了一种方法，可以大量制备高纯度的三聚体BG505 SOSIP.664（简称BG505三聚体）。这就意味着，我们将有足够的样品进行动物实验，甚至把它推向临床试验。除此之外，我们还得到了三聚体的晶体，用x射线衍射就能观测它的分子结构。
现在我们合成了足量的三聚体，可以注入到兔子和猴子体内，收集它们产生的HIV抗体。在接下来的研究中，我们又把这些抗体添加到由人类细胞培养的组织中，结果发现它们确实可以保护人类细胞免受BG505病毒的感染，不过，对其他毒株还无能为力。虽然现在的抗体还无法达到临床应用的标准（它应该对绝大多数病株都有效），但是，我们已经打开了一扇门。
我们的下一步计划是在人体中重复这些试验。到目前为止，是比尔与梅林达·盖茨基金会支持了我们在蛋白质方面的多项研究。我们还与IAVI和NIH商量好，要设计和资助探索性的临床试验，到时候，可能还会招募50名左右的受试者。要知道，虽然动物试验上获得的成功给了我们希望，但这并不代表在人体上也会百分百有效。只有临床试验才能真正让我们了解，人体的免疫系统是如何应答这些人造的三聚体的。
临床试验的数据会结合威尔逊实验室获得的信息一同使用，在威尔逊实验室中我们能观察到这种三聚体到底与自然合成的包膜蛋白有多像。通过这些信息再设计新的蛋白质，我们就会越来越靠近真正能保护人体健康的疫苗了。在这个过程中，问题会一直出现，更改方案的次数也不会少。当然，这些进展让我们更深入地认识到，人体的免疫系统如何才能产生广谱中和抗体，也增加了我们应该如何递送三聚体的知识。
事实上，我们已经创建了疫苗的第一代原型，经过多次修改，就可以确定哪种配方最有可能产生有效的抗体。虽然距离最终目标还有一定的距离，到目前为止，我们在动物和细胞测试中都取得了很好的结果，这让我们相信，制造艾滋病疫苗不是不可解决的难题。
现在，各研究团队拥有SOSIP工具包，也能合成更好的蛋白质用作疫苗。目前，许多科研小组正在制作自己的钉状三聚体，从而测试各种疫苗。在HIV疫苗的研制道路上，科学家经历过太多打击了，未来几年应该是收获的时节了。
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