【疫苗简史】为啥新冠疫苗不到1年就研究成功了，HIV疫苗等了快40年咋还搞不成

作者 | 王新宇

转载自公众号“华山感染”

#01

足足等了40年的HIV疫苗

1981 年，艾滋病才首次出现在公众视线中。最初的病例是一群注射吸毒者和男同性恋者，他们没有已知的免疫受损原因，他们表现出肺孢子菌肺炎的症状，这是一种罕见的机会性感染，已知会发生在人类身上 免疫系统非常受损。

在1983到1984年间，造成艾滋病的“幕后黑手”——人类免疫缺陷病毒（HIV）被发现。当时，所有人都自然而然地认为研究界一定能研发出用于预防艾滋病的疫苗。 

1984年4月23日，在一场著名的新闻发布会上，当时的美国卫生与公共服务部部长玛格丽特·赫克勒(Margaret Heckler)宣布艾滋病是由HIV引起的，并预测两年后将会有一种疫苗问世。然而转眼时间已经过去了37年，有效的HIV疫苗却还是迟迟没有出现。

1984年美国卫生与公共服务部部长首款HIV疫苗预测2年内可以问世，但事实远远超出了想象

艾滋病被发现的近 40 年间，全球每年都有许多人饱受其苦，甚至因此丢到性命。据联合国联合国艾滋病规划署统计，仅在 2018 年，全球就有 3790 万人感染了 HIV，感染者大部分生活在非洲、南美洲和东南亚等地；此外还有 7.7 万人死于艾滋病相关疾病。与此同时，对抗艾滋病的相关研究也取得了不少进展，特别是治疗性药物研发，如抗逆转录病毒疗法（即“鸡尾酒疗法”）。目前来说，艾滋病已经成为一种可防可治的“慢性病”，然而，作为一种有明确病原体感染导致的传染病，用于预防感染的 HIV 疫苗却迟迟没有获得突破。

而2020年初才开始在全球流行的新冠病毒，不到1年的时间内已经研制出数十款疫苗，并且迅速在全球各国铺开接种。新冠疫苗的研发和部署的速度之快，与HIV疫苗形成了鲜明对比。

#02

HIV何以频频成为疫苗研发的滑铁卢

我们知道，一款有效的疫苗可以诱导机体产生中和抗体。所谓中和抗体，是抗体里有特殊能力的抗体，它们能阻断病毒的感染。也就是说，中和抗体能使病毒失去感染能力，中和抗体是抗体里最有用、最具有抗病毒活性的部分。

有些病毒很容易被抗体中和，一辈子只会感染一次或者成年人就不易感了，它们的疫苗因此就非常高效，比如麻疹病毒和乙肝病毒。人类被新冠病毒感染后，每个感染者也都能产生一定水平的抗体，并且研究发现，多数感染者可以产生高滴度的中和抗体。

但HIV却似乎是一种完全不一样的病原体。

HIV 带来的挑战之一是感染会导致原病毒基因组稳定整合到宿主染色体中。也就是说一旦HIV进入人体，就怎么也赶不走它。

现有的许多疫苗（包括新冠疫苗在内）也并不能100%完全预防感染，但它们能够最大程度地限制病毒的复制，以及防止感染后造成的机体损伤和临床症状。

但是，这个策略对于HIV疫苗则不行，要想一种疫苗对HIV有效，可能需要在病毒一进入人体时，机体便要有保护性，可以拒敌于门外，而不仅仅是限制病毒的复制。因为一旦进入细胞，逆转录病毒的特性使其整合入宿主的染色体，从此再也不能分离。

其次，HIV作为一种逆转录病毒，带有的逆转录酶极易出错，导致HIV 表现出极端的遗传多样性。我们知道由于流行的流感病毒株的季节性变化，每个季节都需要重新接种季节性流感病毒疫苗。然而，HIV在单个感染者体内的变异造成的病毒多样性比流感病毒整个季节的全球流感变异造成的多样性都要强。

尽管新冠病毒目前也在不断地变异，但变异速度以及造成的病毒多样性和HIV相比同样不是一个数量级的。这种多样性造成了对免疫系统的挑战，因为免疫逃逸突变的快速进化对体液和细胞免疫反应都是一个问题。

还有一个挑战是包膜蛋白的糖基化。冠状病毒和疱疹病毒等包膜病毒在其表面编码出了一种能帮助它们侵入细胞的结构。这种结构被称为“糖蛋白”，这意味着它是由糖和蛋白质组成的。

HIV病毒包膜表面盖有密密麻麻的糖蛋白（gp）

然而和HIV比起来，冠状病毒的糖基化程度只能算是小弟弟。HIV的包膜蛋白是所有22科病毒中含糖量最高的蛋白质——糖的质量超过了病毒总质量的一半。这些病毒表面的糖蛋白和我们之前提到过的细菌多糖结合疫苗恰恰相反，是没有免疫原性的。

包膜蛋白却是体液免疫反应的主要目标，而当其被严重糖基化后，中和抗体所针对的病毒表面相对保守的区域，例如病毒进入所需的 CD4 结合位点（CD4bs），变得不再容易接近。

HIV感染人体的CD4+细胞，病毒包膜和CD4结合的位点（CD4bs）也是中和抗体结合的位点

因此，有效的中和抗体不仅难以产生，而且导致可能需要多年才能诱导机体产生抗体，并且也只能在少数个体中产生。

通俗点说，HIV可以用糖作为盾牌来保护自己不被感染宿主试图制造的抗体识别出来。

#03

一部屡战屡败的奋斗史

基于上述原因，虽然从上世纪末开始就有各种不同技术路线的HIV疫苗进行了临床前和临床的研究，有病毒载体疫苗（腺病毒、痘病毒），有DNA核酸疫苗，也有蛋白亚单位疫苗的，但其中有四五个试验早早宣告失败，剩下几个屈指可数的研究，一直持续到近两年，最终同样也是尴尬收场。

我们一起来看一下。

1998 年，VaxGen 发起的第一次大规模的艾滋病疫苗试验，2003 年试验结果表明疫苗无效，研究宣告失败。

2007 年的 “STEP”（HVTN 502）研究发现，接种HIV 疫苗后，反而可能增加免疫细胞被 HIV 感染的风险

2009 年启动的“HVTN 505”研究，因为实验性疫苗既不能阻止 HIV 传播，又无法降低病毒载量，于 2017 年宣告失败。

2014年美国NIH在泰国进行RV144疫苗的3期临床试验可以说是到目前为止结果最为理想的。

RV144疫苗采取的是两种疫苗组合先后接种的策略

RV144疫苗为了提高疫苗的保护效果，使用了不同疫苗的联合免疫策略，以希望能够同时激发体液免疫和细胞免疫。疫苗全程一共接种四针，第一和第二针是病毒载体疫苗，金丝雀痘病毒载体搭载HIV的env、gag和pol基因，第三和第四针加强免疫使用的是蛋白亚单位疫苗，B亚型和AE亚型的gp120（env的大亚基）。

疫苗的初期结果非常理想，短时间内感染 HIV 的可能性比接种安慰剂的人低了约 60%。但这种预防效果在到三年半的研究结束时，优势降低到了可怜的 31%，这款疫苗也最终未被建议推广。

RV144是有史以来最大规模的HIV疫苗临床试验，设计非常严谨，但结果却不尽如人意

尽管保护效果不尽如人意，但RV144为代表的该类疫苗却是目前开发的HIV疫苗中唯一在人群中证明可产生一定免疫保护效果的疫苗。这为研究人员认识HIV疫苗保护性免疫和疫苗的进一步研发提供了宝贵的经验。

事后的分析发现，之所以效果不佳，是因为该疫苗并没有在接种者体内诱导出广谱的中和抗体，只有窄谱的非中和抗体。

我们知道HIV全球主流的亚型就有将近十个，每个亚型之下又有数不清的准种。为了评价抗体的耐突变能力，科学界从不同亚型里选择了一两百个准种作为代表，分别评估抗体能中和其中的多少个。如果中和抗体能够中和的准种越多，说明抗体越不容易被突变逃逸，也就是抗体越广谱。

在新冠疫苗中，我们会评价不同疫苗对于新冠新的变异株是否有效，也是类似的道理。

继RV144后，科学家们又进行了HVTN 702试验，可以说是RV144的改良版方案。

HVTN 702同样由两种实验疫苗组成：基于金丝雀痘病毒载体的疫苗“ALVAC-HIV”；带有佐剂的两组分 gp120 蛋白亚基疫苗，可增强人体对该疫苗的免疫反应。

由于这次的研究是在南非进行，HVTN 702 针对南非流行的 HIV 病毒亚型进行了适应性改变。研究人员希望，改良后的 HVTN 702 能提供比 RV144 更有效、更持久的保护。

在大规模试验中，每名参与者一年接种 5 次，随机分配接种疫苗或安慰剂。项目共招募 5407 名受试志愿者，2694 人接种了疫苗，2689 人接种安慰剂。该试验原本应持续到 2022 年 7 月。

令人扼腕叹息的是，还没有到试验结束，在 2020 年 1 月的中期数据分析就显示，129 名疫苗接种者感染 HIV，123 名安慰剂接种者感染 HIV，从账面上来看，接种组还不如安慰剂组，该项目不得不被提前终止。

接二连三的失败极大地打击了企业投资HIV疫苗研发的热情，以至于新的HIV疫苗临床试验变得越来越小心谨慎。可以说传统、常规的思维在HIV疫苗上都失败了。这些失败也告诉科学界，单纯看重疫苗形式是不够的，必须换换脑筋。

#04

逆向思维或许能带来希望

这时科学家们想起了逆向疫苗工程学的思路。

说起HIV疫苗的逆向工程，我们还得说回广谱中和抗体。在本世纪初，分离人源单克隆抗体的技术方法发展成熟后，一大批HIV广谱的中和抗体得以发现。

其中最有名的要数华裔科学家伍雪玲博士发现的单克隆抗体VRC01。2010年伍雪玲博士利用设计出的RCS3蛋白来模拟HIV env上的CD4 结合位点（CD4bs）表位的构象，以此为流式染色的“钓饵”，分选出了VRC01，广谱度达到了前所未有的87%。

通过流式细胞技术“钓鱼”钓到的VRC01

既然之前疫苗失败的原因被归咎于没能诱导广谱中和抗体，现在科学家们看到既然广谱中和抗体是真实存在的，那如果能通过疫苗在人体身上诱导出广谱中和抗体，HIV疫苗是不是就能获得突破呢？为此科学家们又展开了新的研究。

也就是说，所谓的逆向疫苗工程是先有了抗体，然后来研究如何找到可以产生该抗体的抗原。

来自美国加州斯克里普斯研究所William Schief课题组利用逆向工程交出的答案是一种称为靶向VRC01-胚系基因幼稚B细胞的蛋白疫苗，也就是eOD-GT8 60mer。

这个名字本身就太复杂，我们尝试给大家说明清楚。

VRC01我们上面提过，是一种针对HIV的广谱的中和抗体。

但为什么要靶向针对胚系幼稚B细胞呢？是因为要诱导人体的体细胞产生VRC01这种广谱中和抗体太难了。

学过免疫学的同学们一定熟悉澳大利亚免疫学家F.M.伯内特于1957年提出的抗体形成理论。

伯内特提出的抗体形成理论已经成为现代免疫学的基石

他认为抗体结构的多样性由体细胞突变产生，已分化的免疫活性细胞只限于表达一种特异性，这一特异性以克隆扩增的形式在体内得以保存，在抗原激发下，成熟的免疫活性细胞增殖并转化为浆细胞而大量产生某一种抗体。

澳大利亚病毒学家、免疫学家伯内特教授是一位十分高产的科学家，早期成功将流感病毒接种在受精鸡胚尿囊膜中，为流感疫苗大规模生产奠定基础。后期转向免疫学的研究，因为提出的抗体形成理论获得1960年诺贝尔奖

伯内特正是因为该理论获得了1960年的诺贝尔生理学-医学奖。

然而，要体细胞突变产生VRC01抗体实在有点困难，因为需要太高的突变率，而体细胞突变率直接对应着抗体的成熟时间。

比如新冠病毒产生强中和抗体，体细胞突变率一般不会超过5%，对应产生抗体的时间不超过2周。而如果针对HIV产生广谱的中和抗体，体细胞突变率高达20-30%，对应的时间大概就是1-2年，这么长的时间是等不起的。

那怎么办呢，只能往上游想办法，也就是说赶在在体细胞还没有分化成为体细胞前，幼稚B细胞如果就遇到了原始的抗原，那其产生的抗体就一样有用，并且能够足够广谱。

胚系幼稚B细胞为何比体细胞产生广谱抗体更为高效

为此Schief团队首先预测了产生VRC01抗体的胚系基因未突变的序列，然后通过结构模拟和酵母库表面展示的方法，筛选出了eOD-GT6的序列，对应的蛋白包含有CD4bs的完整表位。得到了序列，便可以合成eOD-GT6。

再将eOD-GT6展示在细菌蛋白LS的表面，形成60聚体纳米颗粒，便能够有效地激活VRC01胚系B细胞。之所以要合成60聚体，是因为多聚体纳米颗粒可以病毒表面蛋白的密集分布，而这样更有利于激活B细胞。

疫苗名称的后缀60mer也就是60聚体的意思。

eOD-GT8 60聚体的模拟结构图

体外研究证明，60聚体的eOD-GT6可以强力地结合VRC01抗体的未突变形式，或者说是幼稚B细胞的形式。

2015年，eOD-GT6 60mer升级至eOD-GT8 60mer，开始尝试将其接种给转基因小鼠，这种小鼠带有人类VH1-2重链基因。这些小鼠在接种疫苗后，确实产生了大量VRC01同一谱系的抗体。

2016年，Schief课题组发现，使用eOD-GT8作为流式分选的“钓饵”真的可以富集健康人外周血里的VH1-2基因B细胞。

到此，eOD-GT8完成了临床试验前的基本论证过程，下一步就看作为疫苗，它到底能不能在人体内激活这些幼稚B细胞然后把它们引导产生我们需要的广谱中和抗体VRC01了。

#05

姗姗来迟试验结果带来的一丝曙光

2018年，eOD-GT8 60mer终于启动了1期临床试验。试验的主导者是公益组织国际艾滋病疫苗倡议协会(IAVI)。

这个1期临床试验经历了漫长的2年多时间，终于在2021年初的HIV学术年会上，公布了1期临床初步结果，97%的受试者产生了VRC01谱系的B细胞。

eOD-GT8 60mer的这个97%，还是有点含金量的，因为并不是产生普通的抗体，而是可以特异产生VRC01-class的抗体，也就是众人期待已久的广谱中和抗体的B细胞。

William Schief博士在一份声明中说：“我们证明了可以设计疫苗来刺激具有特定特性的稀有免疫细胞，这种针对性的刺激对人类可能非常有效。我们认为，这种方法将是制造HIV疫苗的关键，并且可能对于制造针对其他病原体的疫苗很重要。”

William Schief是eOD-GT8 60mer研发项目的主要领导人

上述提到的eOD-GT8 60mer只是正在研发过程中的HIV疫苗项目中比较有希望的一个而已。并且，距离真正的成功，还只是迈出了第一步，未来还有太多的不确定因素。

科学家们担心由于HIV非常容易发生逃逸，因此一种广谱中和抗体可能还不够，如果能有几种抗体联用，或许就不容易发生逃逸。因此，单有一个eOD-GT8 60mer还不够，还需要多种胚系基因靶向的疫苗混合联用。

这或许才是HIV疫苗的未来。

#06

HIV疫苗的重重艰难造就了新冠疫苗的一鸣惊人

与稀少的研发成果形成鲜明对比的，是多年来在该领域的巨大投入。根据一项研究，从2000年到2015年，188个国家在艾滋病毒/艾滋病方面的卫生支出总额超过5620亿美元。

根据《2018 年艾滋病预防研究与发展投资报告》的数据显示，2018 年全球各类机构在艾滋病预防研究中投资 11.4 亿美元，其中预防性疫苗研发投资占 74%。从 2006 年至今，全球每年在 HIV 疫苗研发的投资都不低于 8 亿美元。

因此，当看到新冠疫苗以前所未有的速度在全球广泛接种时，我们不由还是想到了HIV。为什么我们现在已有几种有效的新冠病毒疫苗，却没有针对HIV的疫苗呢？

通过上面的介绍，我们了解到开发艾滋病毒疫苗的科学挑战比开发新冠病毒疫苗要大得多。HIV的快速突变和逃避自然免疫的能力使它成为有史以来最复杂的病毒靶标。

虽然，HIV疫苗尚没有研发成功，但是人类在研发HIV疫苗时积累的科学技术为人类应对新冠疫情时快速开发如基因重组的亚单位蛋白疫苗、mRNA疫苗和病毒载体疫苗打下了扎实的基础。

可以说，这些疫苗并不是一夜之间从天上掉下来的或从地底下冒出来的，很多都是和以往20-30年HIV疫苗研发中的经验和技术密不可分。新冠疫苗的研发借助了HIV疫苗试验网络所创建的临床、实验室和生物统计学基础设施。

反过来看，如果真有一天开发出了一种有效的HIV疫苗，全球当前关于新冠疫苗的大规模接种经验也有助于HIV疫苗的推广和部署。

对于HIV疫苗的研究，我们虽然已经看到了曙光，但远还没到可以庆功的时候。 

参考文献

Bruce D. Walker (2016) AIDS Vaccines in: The Vaccine Book. Academic Press, London. UK

Marc P. Girard and Wayne C. Koff（2018）Human Immunodeficiency Virus Vaccines In:Plotkin’s Vaccines (7th ed) Elsevier， PA. USA

https://en.wikipedia.org/wiki/HIV_vaccine_development