生命新知一石N鸟泛冠状病毒疫苗pa

年，三位世界领先的疫苗研究人员提交了基金申请，这是一项雄心勃勃的计划。在当时，还从没有人证明一种疫苗可以阻止任意一种β冠状病毒，这种病毒是严重急性呼吸道综合症（SARS）和中东呼吸综合症（MERS）的致死因子，还包括几种可以引起普通感冒的病毒和许多蝙蝠病毒。在这项计划中，研究人员想开发一种可以针对所有β冠状病毒的疫苗。泛冠状病毒疫苗（pancoronavirusvaccines）由一个可以承载不同病毒版本刺突蛋白的纳米颗粒载体构成。（灰色：纳米颗粒，其他颜色：不同版本病毒的刺突蛋白。图源：Science）美国国家过敏和传染病研究所（NIAID）的基金评审人认为该计划“非常出色”。但是他们给该计划的资助优先级别较低，这注定了其对资金的竞争性也会比较低。他们写道：“开发泛冠状病毒疫苗的意义可能不高，”他们显然不相信这种病毒会构成全球威胁。然后三年之后，实际情况彻底改变了人们的想法。随着全世界将近万人死于最新的冠状病毒：SARS-CoV-2，NIAID和其他资助者的想法发生了重大变化。年11月，该机构征集了“紧急奖励”申请，以开发泛冠状病毒疫苗。3月，国际流行病防范创新联盟（CEPI）宣布，将斥资2亿美元实施一项新计划，以加快针对β冠状病毒的疫苗的生产，该家族现已包括SARS-CoV-2。现在，另一轮冠状病毒大流行的威胁似乎非常可能再次发生。除蝙蝠外，冠状病毒还感染骆驼，鸟类，猫，马，貂，猪，兔，穿山甲和其他动物，它们可以像几乎没有免疫力那样跳入人群，就像大多数研究人员怀疑SARS-CoV-2一样。“有可能在未来10至50年内，我们可能会再次爆发类似SARS-CoV-2的疾病，”ScrippsResearch的结构生物学家AndrewWard说，他是提交年基金申请的科学家之一。Ward的实验室已经在计划开发可以针对一系列β冠状病毒的疫苗。世界上还有很多研究小组也正在开展类似的冠状病毒疫苗计划。他们的方法包括排列有病毒颗粒的新型纳米笼，经过COVID-19疫苗验证的信使RNA（mRNA）技术以及灭活病毒的混合物（这是过去疫苗生产的主要手段）。一些团队甚至发表了令人信服的早期候选疫苗的动物试验结果。尚无泛冠状病毒疫苗进入人体试验，如何评估受试者对尚未出现的疾病的防护仍然是一个挑战，而且也不清楚如何使用这种疫苗。但是有一种可能性：那就是保留这种疫苗直到新的威胁出现为止。Ward说：“我们可能使每个人都对新出现的病毒具有基本的免疫力”，从而有时间制造出更具体的疫苗。尽管有许多未知数，但是COVID19疫苗的快速成功激发了人们的乐观情绪。这种冠状病毒似乎可以用疫苗消灭，这给了人们的希望。几年前SARS的幸存者提供了更多的鼓励：他们体内的某些抗体也可以阻碍SARS-CoV-2在实验室培养皿中的传染性。NIAID的BarneyGraham帮助开发了Moderna的mRNACOVID-19疫苗，他对泛冠状病毒疫苗持乐观态度。他预测：“与流感和艾滋病毒相比，这将相对容易实现。”今年早些时候，ScrippsResearch的技术员HannahTurner与Ward一起观察了一个臭名昭著的蛋白：SARS-CoV-2的刺突蛋白，该蛋白使该病毒能够感染细胞，并且是几种COVID-19疫苗的靶点。所有冠状病毒都具有这些刺突蛋白，因其独特的冠状外观而得名刺突蛋白，并且大多数泛冠状病毒疫苗的设计都是为了激发对刺突蛋白的免疫应答。Turner将实验室表达的SARS-CoV-2刺突蛋白与从COVID-19患者身上收获的中和抗体混合在一起。这些抗体在试管研究中有力地抑制了SARS-CoV-2的多种变异以及最初的SARS病毒。然后，Turner将混合物放入液氮中冷冻，然后将样品放在冷冻电镜（Cryo-EM）下观察。接下来的几天中，计算机将对从不同角度拍摄到的样品图像进行分类，将最佳图像转移到软件中，该软件将创建带有附加抗体的复合物结构，其分辨率接近3?，（1?=0.1纳米）。Ward希望通过获得许多不同的冠状病毒与其中和抗体的三维结构，从中鉴定出刺突蛋白可以与抗体结合的最短片段。沃德认为，这些最短片段是设计泛冠状病毒疫苗的关键。理想的泛冠状病毒疫苗可以保护我们免受所有四个属（α，β，γ和δ）的冠状病毒的侵害，但是大多数研究人员的目标都比较小。ScrippsResearch的免疫学家DennisBurton说：“我们的目标越大，难度就越大”。Dennis是Ward的合作者之一。γ和δ冠状病毒主要在鸟类和猪中发现，尚不感染人类，因此疫苗开发者很少注意它们。人们对甲型冠状病毒的兴趣越较浓，因为有两种会引起人类感冒。但是最吸引人注意的是β属，尤其是sarbecoviruses，这是一个包含SARS-CoV-2和SARS-CoV序列的亚组。Sarbecoviruses是Ward的目标。北卡罗来纳大学教堂山分校的RalphBaric对冠状病毒进行了35年的研究，他认为这一亚组是最重要的威胁。他说：“SARS-CoV-2在这里并不意味着它将提供任何形式的重要保护，以防止另一种病毒突然出现。”而且，如果“SARS-CoV-3”突然出现感染了处在大流行中的人们，并且通过交换遗传信息而产生了更致命的作用（冠状病毒经常发生重组），那会是非常恐怖的事情。在这一新兴领域中，Ward和其他人正紧随疫苗研发成功的潮流，从脊髓灰质炎到人类乳头瘤病毒，这些疫苗都依赖于多种病原体成分的组合，例如：抗肺炎球菌疾病的疫苗包含多达23种糖分子，以增加保护范围。尽管Ward仍处于设计过程的早期阶段，正试图确定保守的病毒靶标，但加州理工学院的结构生物学家PamelaBjorkman已经在评估泛冠状病毒候选疫苗在小鼠中的作用了。Bjorkman及其同事选择了一部分刺突蛋白，这些刺突蛋白来源于一系列β冠状病毒：从穿山甲中分离的SARS-CoV和SARS-CoV-2，以及五种蝙蝠病毒。他们使用了每种病毒的受体结合结构域（RBD），该区域通过与人体细胞上的一种蛋白质血管紧张素转化酶2（ACE2）结合而引发感染。RBD是阻止SARS-CoV-2的大多数抗体的靶标。通过对编码刺突蛋白的基因的比较表明，RBD的顶部变化很大，但下半部分在不同的病毒中是保守的。因此，研究人员从保守的RNA序列中合成了8种小蛋白质。然后，他们将它们的组合固定在由细菌蛋白制成的纳米颗粒的表面上，制成了各种“马赛克”疫苗。从理论上讲，这将诱导产生针对已知病毒的抗体，而且由于序列是保守的，因此疫苗也可能针对那些病毒的其他远亲。去年，Bjorkman和同事们给小鼠注射了一些疫苗。他们在2月12日的《Science》报告说，在实验室培养皿中，从小鼠身上收获的抗体可以有效地中和多种sarbecovirus病毒（包括未用于制造疫苗的病毒）。Graham，在大流行之前就曾研究过冠状病毒疫苗的科学家，认为是整个刺突蛋白三聚体可能比仅仅RBD诱导更好或更广泛的免疫保护。他的团队从SARS-CoV-2和两种引起人感冒的β冠状病毒中提取了三聚体，并将其置于可延展的纳米笼中，该笼由西雅图华盛顿大学（UW）的计算生物学家NeilKing开发，由两种不同蛋白质制成。NIAID研究小组还使用了第二种支架：由铁蛋白（一种通常会螯合并释放铁的血液蛋白）产生的纳米颗粒。在第三种策略中，Graham设想给人们提供一系列疫苗，每种疫苗都包含来自β属不同成员的三聚体，以建立对病毒的广泛防御。他说：“基本上，这就是我们现在对流感所做的。”（流感疫苗含有三到四株该病毒的表面蛋白，随着病毒的突变，疫苗生产者每年都要改变其成分。）Baric的研究小组正在探索一种呈现多种抗原的不同方法。不是将它们安排在支架上，而是使用了一种编码嵌合蛋白的mRNA，该蛋白混合了来自人类和蝙蝠的sarbecovirus的刺突蛋白。“刺突蛋白可塑性强，所以它是一种模块化设计，”Baric说。“我们可以毫无疑问的更改或移动某个组分。”在3月12日发布的bioRxiv预印本中报道，其中四种mRNA嵌合体可牢固保护小鼠免受人类和蝙蝠sarbecoviruses的各种攻击。除了精心设计的策略外，运气还可以帮助人们寻找泛冠状病毒疫苗。杜克大学的BartonHaynes团队与Baric小组合作，设计了一种包含SARS-CoV-2RBD的疫苗，它被固定在一种在铁蛋白纳米粒子中。旨在作为mRNACOVID-19疫苗的加强剂量，事实证明它具有更多的用途。在猴子中，它可以有效抵抗SARS-CoV-2。但令研究人员惊讶的是，在实验室研究中，从接种过的猴子身上获得的抗体也中和了SARS-CoV和两种相关的蝙蝠冠状病毒。当研究小组从多年前从非典中康复的人中分离出一种抗体时，就提供了这种令人惊讶的广泛保护的线索。它也可以中和各种各样的sarbecovirus病毒。对与RBD结合的抗体的结构分析表明，它结合在结构域的一侧，而不是大多数疫苗诱导的中和抗体偏爱的顶部区域。因为这种抗体不会干扰附着在顶部的抗体，所以Haynes认为，一种旨在触发这种抗体的疫苗以及更常见的中和抗体可以对多种病毒提供一石二鸟的效果。他希望这一想法的临床试验可以在6个月内开始。从分子角度讲，有些小组已经把目光投向了远离RBD的区域。刺突蛋白具有包括RBD在内的头部，又具有茎部（称为S2），茎部在冠状病毒之间差异很小。“S2亚基是冠状病毒最保守的部分，”德克萨斯大学奥斯汀分校的结构生物学家JasonMcLellan说，他与Ward共同撰写了年的基金申请书。刺突蛋白落在人细胞受体上后，冠状病毒酶切下头部，露出茎部。然后，并启动细胞融合使病毒卸载其遗传物质，对S2的免疫反应可能会使该关键过程脱轨。几年前，McLellan从MERS病毒的S2开发了一种疫苗，与具有完整刺突的疫苗一样，它能有效保护小鼠免受病毒感染。疫苗产生的抗体还与SARS-CoV，SARS-CoV-2和人类流感β冠状病毒结合，但不会中和。McLellan的实验室现在正在使用SARS-CoV-2的S2进行抗体-茎突结合物的冷冻电镜实验，以开发用于β冠状病毒的疫苗。“我们最初的免疫原靶向所有S2，但我们可能希望对其进行精准区分并靶向较小的部分，”McLellan说。像大多数冠状病毒疫苗的开发者一样，McClellan试图集结产生抗体的B细胞。但是，有几个小组希望也能激发免疫系统的另一支强大力量：T细胞，它们可以通过破坏受感染的细胞来保护人体。年5月18日，VirBiotechnology与UW结构生物学家DavidVeesler合作，在《Nature》上描述了一种抗体，该抗体从年患有SARS的人中分离出来，可以中和SARS-CoV和SARS-CoV-2的感染力，但需要T细胞的帮助。Cryo-EM结果表明，尽管抗体与每种病毒的刺突蛋白的RBD结合，但它不会阻止它们附着在ACE2上。研究发现反而发现它可能与“免疫战士”的表面结合，后者可以激活T细胞摧毁已经感染的细胞。这种“疫苗作用”是在15年前的癌症研究中首次描述的，当时科学家发现某些单克隆抗体可以触发杀伤性T细胞消除肿瘤。T细胞对于LosAlamosNationalLaboratory的计算生物学家BetteKorber的疫苗研究也至关重要。她设计了算法来搜索β冠状病毒的基因组序列，寻找可以触发T细胞反应，并且在不同的冠状病毒之间差异很小的病毒蛋白区域。Korber说，那些保守的T细胞表位可能是一种很好的疫苗。她希望将这种T细胞方法与B细胞策略结合起来，以防止所有SARS-CoV-2的变异株。现在，它对数据库中近一百万个病毒序列进行了分析，以了解病原体的“进化空间”:哪些变化可以帮助其规避抗体反应以及无法承受哪些突变。最后，有一种古老的方法可以预防泛冠状病毒疫苗，这种疫苗应同时参与B细胞和T细胞的战斗。NIAID的资深流感研究人员MatthewMemoli和JefferyTaubenberger希望结合来自β属的四个已知谱系的代表性冠状病毒的灭活版本。Memoli解释说，基于整个病毒的疫苗可以帮助免疫系统“对目标进行多次射击”，而不是将所有响应都集中在它的刺突蛋白或其中的一个点上。某些抗原会为刺激产生抗体，某些抗原可能会产生更多的T细胞反应，某些抗原可能会同时起到两种作用。一些抗原可能比全身免疫更能诱导粘膜免疫。”他说。“事实是，最好的疫苗将提供诱导所有这些反应的抗原。”泛冠状病毒疫苗的开发者如何证明自己的疫苗可以预防假设的SARS-CoV-3？Baric强调了一个障碍：“必须拥有一组有效的挑战性病毒才能真正开始测试这些疫苗”。美国政府认为SARS-CoV，MERS和许多冠状病毒是“精选剂”，这使处理它们的实验室受到更大的限制。Baric指出，他的实验室是少数具有这种冠状病毒生长和实验所需的生物安全性的实验室之一。另一个法规可以简化这条路。由美国食品和药物管理局（FDA）在9/11之后创立的，当时人们对工程病毒或其他生物威胁的担忧有所增加，“动物法则”指出，如果这项研究不能从伦理上进行，则无需进行功效试验就可以批准疗法或疫苗或实际上是在人类身上完成的。如果一种泛冠状病毒疫苗可以在小鼠或猴子中针对各种已知的冠状病毒进行研究，并且在人类中看起来安全，并且能够在人体内引发广泛中和的抗体或其他相关的免疫反应，那么它就可以在这一规则下确立其真正的信誉。如果泛冠状病毒疫苗获得批准，各国是否会建立库存以迅速扑灭新病毒的爆发？还是一旦看到新的威胁，他们是否打算从蓝图迅速开始生产疫苗？这些是CEPI的倡议将探索的问题，但该领域的许多提议还提出了第三个更简单的选择：在当前的大流行中使用它，作为最终的助推器，以防止潜在的免疫力下降并防御SARS-CoV-2突变株的不断涌现。人们已经开始努力开发可以保护这些变种的第二代COVID-19疫苗。但是Hayne说，这是一场“猫鼠游戏，没有尽头，我们只是在等待下一个版本疫苗的问世。”他和其他人则提出，泛冠状病毒疫苗可以起到双重作用。如果它可以处理冠状病毒家族树的其他成员，则应对SARS-CoV-2的变体应该没有问题，相比之下，这些变体的数量很小。“随着时间的流逝，可能会使用更具保护性的疫苗来增强免疫力，”领导白宫医疗和生物防御准备工作的LucianaBorio说，他现在在一家风险投资公司，其投资组合包括生物技术公司。这可能有助于结束当前的大流行并阻止下一场大流行。“一种具有广泛保护作用的疫苗的目标就是防止大流行的发生，”Memoli说。“我们现在面临的问题是，如果出现一种全新的病毒，我们仍然无能为力。”

来源

Science、VOB生物之声

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