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[转载]疫苗研发的历史、挑战和新技术

已有 412 次阅读 2020-7-28 09:20 |个人分类:临床研习|系统分类:论文交流| 疫苗研发, 历史, 新技术 |文章来源:转载

刘端俊孟胜利黄仕和. 疫苗研发的历史、挑战和新技术. 中国生物制品学杂志,2014 ,27(8):1108-1112

自从接种牛痘苗成功根除天花以来,疫苗预防传染病的效果已得到公认。但新发和再发传染病的暴发对人类健康又构成了威胁,因此需不断探索新方法和新技术,以研制新疫苗。本文对疫苗研发的历史、所面临的挑战和新技术作一概述。

1 疫苗研发的历史

1796 年爱德华·詹纳(Edward Jenner)发明牛痘苗以来,疫苗已成为防控传染病的优先选择[1]。

1977 年 WHO 宣布全球范围内消灭天花,自 1978 年起,天花疫苗已累计挽救了3.75 亿人的生命[2-3]。

脊髓灰质炎(脊灰)疫苗的大规模使用,几乎根除了小儿麻痹。疫苗每年可阻止千百万人死于传染病,因而接种疫苗是最有效的公共卫生措施之一[4]。

1881 年,路易斯·巴斯德改进了病原微生物减毒方法,为减毒活疫苗的开发奠定了技术基础,1886 年Salmon 和 Smith 证明了加热灭活的鸡霍乱菌也同样具有免疫力,并首创了灭活疫苗。20 世纪出现的细胞、病毒和细菌培养技术以及无菌控制技术和合成培养基等技术开创了疫苗研发的新纪元,这使20世纪中后期进入了疫苗发展的黄金时代,这段时期成功研制了脊髓灰质炎、麻疹、腮腺炎、风疹等疫苗[5] (图 1)。20 世纪下半叶,大部分开发的疫苗是通过直接模拟自然感染途径而制成的减毒或灭活疫苗,随着多糖蛋白结合技术和重组 DNA 等技术的问世,开发了预防肺炎、脑膜炎、乙肝以及人乳头瘤病毒(HPV)等疫苗[5](图 2)。目前,大约有 70 多种疫苗上市销售,可以预防白喉、破伤风、百日咳、炭疽、结核病、b 型流感嗜血杆菌(Hib)、脑膜炎球菌(Men)、肺炎链球菌、鼠疫、伤寒和斑疹伤寒等 11 类细菌性疾病,以及甲肝、乙肝、戊肝、脊灰、流感、狂犬病、乙脑、黄热病、麻疹、腮腺炎、风疹、水痘、带状疱疹、轮状病毒感染、HPV 感染和天花等 16 类病毒性疾病[6-7](表1)。

1 疫苗上市历史 

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1 减毒活疫苗技术发展史

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2 灭活疫苗技术发展史

2 疫苗遇到的挑战

全球疫苗免疫联盟(The Global Alliance for Vaccine and Immunization,GAVI)估计,全球每年约有 150 万名儿童死于疫苗可预防的疾病,平均每 20 s 就有一名儿童死于腹泻、肺炎等疫苗可预防疾病,可见疫苗并未完全发挥出其应有的作用[3]。首先,因经济、技术等条件限制,许多发展中国家仍不能充分获得疫苗。据 2001 年统计,对人类致病的微生物共有 1 415种,包括217 种病毒和朊病毒,538 种细菌和立克次体,307 种真菌,66 种原生动物和 287 种寄生虫,其中 61%是人兽共患病,近 40 年新发传染病也正威胁着人类健康,现在疫苗可预防的传染病只是少数[8]。

其次,诸如艾滋病、结核和疟疾等严重传染病,每年夺去约 450 万人的生命,目前仍未开发出相关疫苗或现有疫苗效果不理想[4]。许多成功开发出相应疫苗的病原体,感染人体会产生保护性免疫应答,疫苗只是模拟这种自然感染,而且这些疫苗所能够预防的病原体几乎都是抗原组成相对稳定,并可以刺激人体产生保护性抗体[4]。HIV、疟原虫以及结核杆菌这 3种病原体则情况不同,它们的抗原组成多变、不稳定,而且都需要 T 细胞免疫提供保护,至今仍未开发出可以更有效预防上述这 3 种病原体感染的疫苗[4]。研制针对这些传染病的疫苗,需要基于对免疫发病机理更深入的研究,并采用新方法设计疫苗。第三,传统的疫苗技术难以适应对新发传染病疫苗研发的需要。

这些无疫苗可预防的传染病或常见疾病,可在全球引起相当高的发病率和死亡率。研制这些病毒、细菌及寄生虫或自身免疫性疾病的疫苗会更困难,因为它们表现出广泛的可变性,有的进化成可逃避人体免疫系统的免疫逃逸机制[5]。例如,流感病毒和登革病毒在多数情况下,由自然感染引起的免疫记忆对再次感染的同源血清型具有保护作用,而对异源血清型则无保护作用,甚至预先存在的非保护性抗体会加重非同型病毒的感染的严重程度。因此,即使流感病毒流行株的外层糖蛋白发生极小变化,也需要每年接种新疫苗。再如,HIV 具有超级变异性,又能够整合进人体基因组,引起持续感染,而且无法清除。最后,如巨细胞病毒(CMV)、单纯疱疹病毒、结核杆菌等病原可引起人体免疫抑制。第四,新的传染病及其病原体不断出现,如 SARA、禽流感等,对其发病机制也在不断的认识,对其疫苗的研发策略也在不断地探索。

20 世纪 80 年代前,疫苗开发主要集中在灭活、减毒、多糖疫苗等。而且,有时仅需要几百例的临床试验,即可通过审评进入生产阶段。进入 21 世纪,各国加强对疫苗监管,对临床试验要求更高,通常需要几千甚至几万例临床数据,国际上一种新型疫苗平均开发周期为 10~12 年,创新成本大幅提高。未来10 年,随着疫苗新工艺、新技术的突破,非临床评估体系将大幅缩短疫苗开发周期[4]。疫苗研究正引起全球科学家的兴趣,主要是:①对许多严重威胁人类健康的传染病缺少有效的治疗措施;②耐药菌株越来越多;③提高已上市传统疫苗的有效性和安全性;④全基因组测序、蛋白质组学、反向疫苗学、结构生物学、系统生物学、免疫组学等新技术的出现为新疫苗的开发带来了希望[9]。

已获准上市疫苗虽然基于科学、可靠方法,但仍以经验、反复试验开发为主。这些疫苗保护作用一般是通过抗原抗体特异性结合,从而阻止或减少感染[5]。对研制可预防全球范围内针对 HIV、HCV 等具有超级变异病毒类疫苗而言,疫苗能诱导针对这些病毒高度保守区域的广谱中和抗体非常必要。目前在 HIV 携带者中以检测出多种抗 HIV 广谱中和抗体,但这些广谱中和抗体大多具有高频变异性。

此外,对于人体如何从生殖细胞系发育成熟为产生广谱中和抗体细胞的最佳免疫策略理解有限。研究免疫应答策略还集中在保护性抗原表位,而远离诱饵免疫表位还不明确,它们都参与长期免疫应答。此外,液体免疫主要靠血液中的抗体,而免疫系统对细菌的抵抗作用主要发生在淋巴结和其他组织。最后,因新生儿和老年人免疫力低下,新一代疫苗需要有更好的免疫原性,且免疫覆盖的年龄段要更广。虽然小动物和非人灵长类动物模型在基础研究和疫苗临床前研究中起着关键作用,但应用于人类研究时其作用仍然非常有限,这在很大程度上归因于免疫遗传差异、致病菌的物种特异性以及影响物种特异性的常住菌群的不同。

3 疫苗研究的新技术

过去 30 年中,全基因组测序和生物信息等一些革命性技术运用于疫苗研究领域,对新疫苗的设计和开发生产影响深远,使现在的疫苗更加安全有效,也使研制以前用传统方法无法开发的疫苗成为可能[4]。例如,重组 DNA 技术使大规模生产乙型肝炎疫苗成为现实;多糖蛋白结合技术使人们研制出 Hib、多价肺炎和多价脑膜炎球菌多糖蛋白结合疫苗,新型联合疫苗的出现可减少注射针次;MF59 和 AS03新型佐剂也成功用于新研制的 HPV 疫苗和流感疫苗;无细胞百日咳疫苗取代全细胞百日咳疫苗,这些对原有疫苗生产技术的改进,提高了其安全性和有效性[10];通过反向疫苗学技术,全基因组测序分析可发现保护性抗原,利用该技术研制的 B 型脑膜炎球菌疫苗已上市销售。全基因组测序使找到 B 群链球菌、A 群链球菌、肺炎球菌、抗生素依赖性细菌的保护性抗原成为可能。HPV 疫苗通过病毒样颗粒(VLP)技术开发成功。核酸疫苗和合成肽疫苗也给我们带来了新的希望。科学家在理解人体免疫系统和开发新型佐剂方面已取得新进展。氢氧化铝佐剂已经使用了 70 多年,在过去 20 年中,水包油乳剂和脂质体类新型佐剂获得批准,含有铝盐、TLR 和 MPL的佐剂也在 HPV 疫苗中得以应用,此外几个 TLR 激动剂的佐剂也正在开发之中。伴随疫苗开发新技术的问世,也出现了一些快速评估疫苗安全性的新技术。反向疫苗学、结构生物学、系统生物学这些新技术或者理论的出现,为用传统方法难以成功研制的疫苗带来了新的希望。现在人们不仅希望开发预防儿童传染病的疫苗,也希望开发出针对健康成人、孕妇、老年人以及其他特殊人群的疫苗,以及针对自身免疫性疾病和癌症的疫苗。

随着结构生物学、生物信息学、计算生物学,纳米技术、剂型技术和系统生物学等新技术的发展,使抗原设计、新型佐剂和免疫监测进入新的时代[11-12]。

新型疫苗研发的技术进展,特别是免疫监测技术、系统疫苗学、后基因组技术和反向疫苗学的重大发展,为新保护性免疫生物标记的发现以及动物模型用于筛选和优化人用疫苗限制因素的确定等提供了巨大的帮助。

4 展 望

21 世纪,我们坚信在预防性和治疗性疫苗领域均会有长足进展,主要体现在以下几方面:利用新技术开发针对 HIV、HCV、疟疾、结核、巨细胞病毒、衣原体、疱疹病毒、志贺杆菌等严重威胁人类健康的传染病的疫苗;改进疫苗安全性和有效性的临床前评估,利用系统生物学方法加快更安全的新疫苗开发,目前已有人提出了“系统疫苗学(system vaccinology)”的概念;除感染性疾病以外,加快针对自身免疫性疾病、慢性老年性疾病以及癌症疫苗的开发;开发与青少年和成人年龄结构相适应的疫苗,以及不同性别对疫苗产生最佳免疫应答所需疫苗配方和剂量,新近称为“个性化疫苗学(personalized vaccinology)”[13];开发针对在发展中国家广泛流行性疾病的疫苗,特别是联合疫苗;提高包括在发展中国家和特殊人群疫苗上市后评估的基础能力;优化初免-加强免疫的方案来提高疫苗的免疫效果;用创新性设计加速疫苗开发,有人提出“疫苗组学(vaccinomics)”的概念[13];开发能诱导 T 细胞免疫应答的新型佐剂,以更有效地抵抗慢性感染性疾病和癌症;改善公众对疫苗接受和使用的公共健康意识。

随着对人类免疫系统的不断认识和了解,治疗性疫苗(therapeutic vaccines)的开发已成为可能。与预防性疫苗不同,治疗性疫苗可以诱导患者体内再次免疫应答,从而治疗已有的疾病,彻底消除或防止疾病复发。因此,对于治疗损害免疫系统的疾病或者免疫应答受限的疾病,对 HIV/AIDS 和慢性乙型肝炎等具有巨大潜力。此外,治疗性疫苗有望满足一些未知医疗问题的巨大需求。治疗性疫苗在拯救生命和解决慢性疾病的治疗费用问题方面效果显著,具有极大的商业前景,为疫苗工业和市场注入了新的活力。大多数治疗性疫苗还处在开发阶段,虽然起步较晚,但发展很快。

美国食品药品管理局在2006 年批准默沙东公司的重组人乳头状瘤病毒(HPV)疫苗 Gardasil 用于预防 HPV6、11、16 和18型感染引起的宫颈癌;2010年4月首次批准了第一个用于前列腺癌的治疗性疫苗药物——sipuleucel-T(别名 Provenge,Dendreon 公司)。

这一举措重新激发了生产厂家在多个领域对预防或治疗性疫苗的广泛兴趣,包括老年痴呆症、物质依赖症、丙型肝炎和 HIV 相关疾病。而在流感疫苗、某些儿童疫苗等预防性疫苗的开发方面,一些新技术的引进,例如改变佐剂、无针给药、黏膜给药等,以及更快捷、灵活的生产方式的诞生,为产品改进和多样化提供了广阔的空间。由于现有产品主要以针对健康人群的预防类疫苗为主,所以对疫苗开发中的新候选产品而言,较高的安全性以及耐受性仍然至关重要。最具开发前景的疫苗项目是预防或治疗目前不能满足治疗需要的疾病,如癌症、成瘾、过敏反应、糖尿病、感染性疾病、阿尔茨海默、HIV、丙型肝炎、高血压等,其中治疗性癌症疫苗最多,约占 3/4。

对病原体致病机理理解的日益深入,已大大推动了新疫苗和治疗制剂的开发[13]。然而,对许多病原体疫苗的开发仍遥遥无期,对日益增多的新型病原体迫切需要开发出有效疫苗。过去 30 年里,DNA重组技术和多糖蛋白结合技术大大改变了疫苗开发的局面。最近,包括反向疫苗学、结构生物学和系统生物学的新技术已开始用于抗原设计和疫苗免疫效果的评估。基因组技术能够在功能未知的前提下选择候选疫苗,不但可以发现新的保护性抗原,而且已经发现了几种病原体的新的毒力因子。因此,疫苗开发过程不断推动对病原体的理解,这反过来促进研究病原体和设计更成功疫苗的新方法[14]。

随着耐药菌、新发和再发传染病问题的日益严重,迫切需要开发更多有效疫苗来控制传染病。安全性更高、免疫效果更好的疫苗以及联合疫苗将取代传统疫苗。日益进步的技术持续改变着疫苗领域的状况,目前已可以运用功能基因组方法筛选候选疫苗,并基于结构设计优化免疫原。同时系统生物学将促进对疫苗诱导免疫应答的认识,并确定免疫保护性指标和机体所产生的信号分子之间的关系。

对病原体和人体自身理解的深入有利于开发新的疫苗技术,包括用小分子佐剂诱导靶向性特异性免疫应答、新的投递系统、免疫程序,这对开发下一代疫苗都是必要的。系统生物学将增加我们对病原体的理解,有利于疫苗开发的持续进步。

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