疫苗能終結新冠疫情嗎？
目前，美國的兩支mRNA疫苗已以95%的高有效性獲批上市，中國的滅活疫苗也即將最後揭曉大規模三期臨床試驗的結果，前期數據顯示其有效率達到85%。下一個問題來了，這些疫苗能保護我們多久？
只有時間能揭曉答案。但在那之前，對新冠病毒自然免疫的研究，已為我們提供了一些令人鼓舞的線索。
本文講解了新冠病毒引起的自然免疫反應，並以此為出發點分析了不同疫苗的優劣，給出了mRNA疫苗研發的嚴謹設計，用圖表展示了大量豐富的內容。
撰文 | 史雋
由新冠病毒 (SARS-CoV-2) 引起的新冠肺炎 (COVID-19) 大流行是一個世紀以來人類面臨的最嚴峻挑戰。很多專家普遍認為，在研發出一個安全有效的疫苗並成功實施全球疫苗接種計劃以前，社會都無法回到疫情前的正常狀態。
儘管新冠病毒引起的自然免疫應答機制還沒有完全搞清楚，自然免疫應答和疫苗誘導的保護性免疫可能也不完全相同，然而，深入理解自然免疫機制，對研發出有效疫苗、確定接種策略來說，是至關重要的。
本文將先介紹我們已知的新冠病毒引起的自然免疫反應，隨後分析當前研發或已被緊急批准的新冠疫苗的優勢和潛在的不足。
新冠病毒的自然免疫反應
不同病毒引起免疫反應的強弱，從而保護宿主免受再感染的程度和持續時間都不同。某些病毒，一次感染可以提供終身免疫；另外一些病毒，例如季節性的普通冠狀病毒，感染後引起的免疫保護很短暫。新冠病毒到底是哪種情況還不能確認。這個特性對疫情的傳播模式、持續的時間、以及疫苗的有效時效具有根本的影響。
病毒引起的適應性免疫反應主要有兩種：體液抗體反應 (humoral immunity，由B淋巴細胞合成病毒特異性的抗體) 和細胞介導反應 (cell-mediatedimmunity, 由T淋巴細胞殺死被感染的細胞)。
體液抗體反應
首先要指出的是，免疫反應有很大的個體差異。據估計，40％-75％的新冠病毒感染者可能是無症狀或輕症，而這些無症狀和輕症的患者產生的抗體水平似乎也比較低。
對於大多數感染者而言，出現症狀後1-2周內，幾乎可同時檢測到針對新冠病毒的IgM和IgG抗體。
抗體的質量和數量通常與抗體的保護結果密切相關。在這些對病毒反應產生的IgM, IgA, IgG抗體中，有一部分高親和力的抗體，可以通過識別特定的病毒抗原來引發中和反應，被稱為中和抗體。在體外 (in vitro)，中和抗體被定義為：能夠阻斷病毒進入、融合或逃離細胞的抗體。例如，能識別新冠病毒的S (刺突) 蛋白上的RBD區 (受體結合域) 的中和抗體，就可以阻斷新冠病毒和人細胞上的ACE2受體結合，使得新冠病毒無法感染人細胞。
此外，中和抗體可以與其他免疫成分——例如補體、吞噬細胞和自然殺傷細胞等——相互作用。這些效應反應都可以幫助清除病毒和被感染的細胞。中和抗體濃度越高，一般保護作用越好。因此，早期預測疫苗好壞的指標之一，就是看它能誘發人體內產生多少中和抗體。
那麼，血漿和/或血清中能對新冠病毒S蛋白受體結合域（RBD）產生反應的抗體濃度是多少呢？
研究人員採集、檢測了症狀出現後122天內的343位新冠感染者（北美患者，其中93％是住院的患者）的血液樣本，並將其與疫情暴發前獲取的1548名個體的血樣進行比較[1]。該檢測的特異性為100%，新冠抗體與其他廣泛傳播的普通冠狀病毒 (HKU1、229 E，OC43，NL63) 沒有交叉反應——也就是說，這一檢測能準確區分出新冠抗體和其他抗體。
這個研究發現，對S蛋白的受體結合域有反應的抗體大都在症狀出現後28天左右達到峰值，其中IgM和IgA抗體大約能持續最多兩個半月，而IgG抗體在大多數患者體內可以持續存在90天以上，只有很少數的病人在研究的時間段內失去了IgG抗體(圖1)。
圖1：新冠疫情前對照人群和疫情以後核酸檢測陽性病例中針對新冠病毒表面S蛋白受體結合域的IgG，IgM，IgA的量。每個點代表一個獨立的測量。黑色虛線表示在疫情前對照組中測量到的抗體的最高濃度 (μg/ mL): IgG: 0.57，IgM:2.63，IgA: 2.02。檢測的敏感度 (能夠被檢測到的最低濃度，μg/mL)為IgG：0.04，IgM：0.28，IgA：0.30。
進一步研究發現，中和抗體的滴度和結合S蛋白受體結合域的IgG抗體滴度高度相關：結合S蛋白受體結合域的IgG抗體滴度越高，中和抗體的滴度也越高。值得注意的是，儘管IgA和IgM抗體滴度下降較快，但與IgG抗體相似，在研究的時段內，中和抗體只有很少量的衰減。
IgG抗體和中和抗體能夠持續存在，這是一個令人鼓舞的現象。雖然中和抗體的滴度與特異性T細胞、疾病嚴重程度和臨床表現的關係還尚待研究，然而人們在恢復期的病人體內觀察到了高水平的中和抗體，這表明新冠病毒在這個研究的群體中 (需要住院治療的嚴重感染個體)能夠引起強大的全身性免疫記憶。
這一結論與過去的兩個研究的結果類似[2, 3]。但是，另外一些研究也表明，輕度或無症狀的新冠病毒感染後，人體內抗體滴度下降很快[4, 5]。中和抗體的滴度和疾病嚴重程度呈正相關，滴度越高，症狀越嚴重；無症狀感染者產生的中和抗體不僅少，衰減的速度也快很多[6]。
抗體滴度是血液樣品中抗體水平的指標，是指血液樣品能夠被檢測出抗體陽性結果的最大稀釋程度。某一抗體的精確滴度值取決於被檢測抗體、所用方法以及進行檢測的實驗室。
細胞介導反應
另外，也有很多研究發現，新冠病毒的S蛋白也能有效地誘導病毒特異的CD4+和CD8+ T細胞[7-9]。
以前的一個研究發現，非典康復患者體內針對SARS-CoV-1的特異性T細胞在感染後可以持續存在11年[10]。新的研究發現，這些T細胞在感染17年後仍然存在。並且，在遇到新冠病毒 (SARS-CoV-2)的蛋白後，它們還能反應並擴增[9]。
這些研究表明，乙型冠狀病毒 (包括SARS-CoV-1和SARS-CoV-2) 感染引起的病毒特異性T細胞能夠長期存在。由此推論，新冠康復者體內很可能有長實效的T細胞免疫。
二次感染極為稀少
想必大家都聽過新冠康復者被二次感染的例子。這讓一些人懷疑新冠病毒引起的免疫保護作用可能不夠強，持續的時間不長。然而，必須要指出的是，現在全球新冠感染者已經有7千多萬，被實驗證明的二次感染的病例還是少數，目前發表的有4例 (圖2和圖3)。
圖2：病毒測序證明的最早的兩例二次感染的病例 (作者作圖，資料整理自文獻[11, 12])。
圖3：截止2020年9月14日通過病毒基因組測序確認的再感染病例 (截止2020年9月14日[13])。
這4例二次感染病人沒有已知的免疫缺陷，只有圖2中後兩人有第一次感染後的血清學數據。由於全球使用的血清學檢測平臺有許多種，無法將不同測試方法的結果直接進行比較，所以也不知道有多少是中和抗體。需要確定第二次感染時，病人體內中和抗體的水平和特異性，才能確認是不是因為中和抗體水平降低，這些人才有了二次感染。
因為二次感染目前只是個例，醫學界還是普遍認為新冠病毒感染以後引起的免疫保護能夠持續一段時間，希望疫苗的保護作用也能夠有較長的時效。
新冠疫苗9大平臺：各有優劣
目前全世界主要已研發出6種新冠肺炎 (COVID-19) 疫苗，有兩款已經被FDA批准緊急使用(圖3)。
疫苗設計主要包括：抗原的選擇，疫苗平臺以及疫苗接種途徑和方案。
疫苗平臺的選擇決定了抗原能夠引起的免疫強度，是否需要免疫佐劑以及產生的免疫保護的性質。這些屬性還決定了疫苗的接種途徑（口服、氣霧吸入還是注射）和接種方案，例如需要打幾針，注射之間需要間隔多久，才能保證產生足夠強的保護性免疫及其耐久性。此外，減活疫苗需要更嚴格的安全性測試。
圖3：新冠病毒疫苗的9種平臺[14]。
新冠病毒的中和抗體主要與病毒表面的S蛋白相結合，阻止病毒進入細胞內 (圖4)。S蛋白由S1和S2組成。 S1包含結合細胞受體ACE2的RBD區域。 S2靠近脂質膜並在與細胞膜融合中起作用。SARS-CoV-1 (SARS病毒) 和SARS-CoV-2 (新冠病毒) 的S蛋白相似度有88％，與ACE2都有高度親和力。某些針對SARS病毒的抗體也可以中和新冠病毒。因此，目前被批准的或是研發中的新冠疫苗主要利用S蛋白作為抗原[15]。
圖4：新冠病毒的結構[16]。
目前有270多個新冠疫苗在研發中，最多的就是重組蛋白疫苗 (圖5)。
圖5：各種新冠疫苗 (作者不完全統計)。
圖6：在各研發階段的新冠疫苗的數目[17]，根據WHO公布的數據統計 (截至2020年12月19日)，如果一個疫苗同時在兩個臨床階段測試，將會被統計在較高層的臨床階段，尚未三期揭盲的疫苗仍歸於「三期臨床」階段。
圖7：各種疫苗平臺的優缺點[18]。
快，而嚴謹
2020年12月11日，FDA緊急批准了BNTX與輝瑞聯合研發的mRNA新冠疫苗。這款疫苗最初有兩個候選：BNT162b1和BNT162b2，都是被脂質納米顆粒包裹的、修飾過的RNA。BNT162b1隻編碼S蛋白的RBD區域，而BNT162b2編碼全長的S蛋白。這兩個候選疫苗都先在一個小型的臨床一期試驗中經過了測試。這個疫苗需要打兩針，在第一針打完以後第21天注射第二針，在第28天進行結果分析。
圖8：Pfizer/BNTX的新冠疫苗的一期臨床試驗設計（作者根據參考文獻[19]作圖)。
試驗結果發現，這兩個疫苗候選物在兩組志願者體內都能引起中和抗體的產生，且濃度水平相似——與在康復患者體內測量到的抗體濃度差不多，甚至更高。老年人 (65-85歲) 體內產生的中和抗體平均比年輕人 (18-55歲) 要低[19]。
圖9：BNT162b1和BNT162b2在65-85歲老人組裡的副作用統計比較[19]。（點擊看大圖）
由上圖可知，與BNT162b1相比，BNT162b2的副作用較少，程度也普遍較輕，尤其是在老年人中。根據這個結果，Pfizer/BNTX決定選擇BNT162b2進行關鍵的臨床2至3期的安全性和有效性評估，現在被FDA緊急批准上市的也是BNT162b2。
除了與輝瑞合作，BNTX也在中國與上海復興醫藥合作研發疫苗。不過復興醫藥在國內進行1期臨床試驗的不是BNT162b2，而是BNT162b1。
要知道，傳統的疫苗研發需要花10年以上。
圖10：傳統疫苗開發途徑[20]。
回顧歷史，麻疹疫苗的研發時間最短，從1953年發現致病的病毒，到疫苗於1963年在美國獲得許可使用，花了10年時間。Alphonse Laveran在1880年發現瘧原蟲是瘧疾的起因，直到今日仍然沒有一個針對瘧疾的有效疫苗。
圖11：疫苗研發創新的時間表。每條紅線開始是確認造成疾病的病原體的年份，終止於美國許可針對該病原體的疫苗接種的年份[21]。（點擊看大圖）
Pfizer/BNTX的新冠疫苗項目的名叫「Project Lightspeed (光速計劃) 」，從新冠病毒被中國科學家測序並分享，到被世界多個國家緊急批准使用，只用了不到一年的時間，的確實至名歸。
圖12：Pfizer/BNTX的新冠疫苗的時間表(作者整理)。
參考文獻
[1] Iyer, A.S., et al., Persistence and decay of human antibodyresponses to the receptor binding domain of SARS-CoV-2 spike protein inCOVID-19 patients. Science Immunology, 2020. 5(52): p. eabe0367.
[2] Gudbjartsson, D.F.,et al., Humoral Immune Response toSARS-CoV-2 in Iceland. The New England journal of medicine, 2020. 383(18): p. 1724-1734.
[3] Wajnberg, A., etal., SARS-CoV-2 infection induces robust,neutralizing antibody responses that are stable for at least three months.medRxiv, 2020: p. 2020.07.14.20151126.
[4] Sekine, T., et al., Robust T Cell Immunity in ConvalescentIndividuals with Asymptomatic or Mild COVID-19. Cell, 2020. 183(1): p. 158-168.e14.
[5] Long, Q.-X., et al.,Clinical and immunological assessment ofasymptomatic SARS-CoV-2 infections. Nature Medicine, 2020. 26(8): p. 1200-1204.
[6] Seow, J., et al., Longitudinal evaluation and decline ofantibody responses in SARS-CoV-2 infection. medRxiv, 2020: p.2020.07.09.20148429.
[7] Weiskopf, D., etal., Phenotype and kinetics ofSARS-CoV-2–specific T cells in COVID-19 patients with acute respiratorydistress syndrome. Science Immunology, 2020. 5(48): p. eabd2071.
[8] Ni, L., et al., Detection of SARS-CoV-2-Specific Humoral andCellular Immunity in COVID-19 Convalescent Individuals. Immunity, 2020. 52(6): p. 971-977.e3.
[9] Le Bert, N., et al.,SARS-CoV-2-specific T cell immunity incases of COVID-19 and SARS, and uninfected controls. Nature, 2020. 584(7821): p. 457-462.
[10] Ng, O.-W., et al., Memory T cell responses targeting the SARScoronavirus persist up to 11 years post-infection. Vaccine, 2016. 34(17): p. 2008-2014.
[11] Tillett, R.L., etal., Genomic evidence for reinfectionwith SARS-CoV-2: a case study. The Lancet Infectious Diseases.
[12] To, K.K.-W., et al.,Coronavirus Disease 2019 (COVID-19)Re-infection by a Phylogenetically Distinct Severe Acute Respiratory SyndromeCoronavirus 2 Strain Confirmed by Whole Genome Sequencing. Clinical InfectiousDiseases, 2020.
[13] Iwasaki, A., What reinfections mean for COVID-19. TheLancet Infectious Diseases.
[14] Krammer, F., SARS-CoV-2 vaccines in development.Nature, 2020. 586(7830): p. 516-527.
[15] Jeyanathan, M., etal., Immunological considerations forCOVID-19 vaccine strategies. Nature Reviews Immunology, 2020. 20(10): p. 615-632.
[16] https://www.invivo.de/cell-line-development/sars-cov-2-antigens/.
[17] https://www.dw.com/en/covid-19-vaccine-tracker-whats-the-progress/a-55648707.
[18] Lurie, N., et al., Developing Covid-19 Vaccines at PandemicSpeed. New England Journal of Medicine, 2020. 382(21): p. 1969-1973.
[19] Walsh, E.E., et al.,Safety and Immunogenicity of TwoRNA-Based Covid-19 Vaccine Candidates. New England Journal of Medicine,2020. 383(25): p. 2439-2450.
[20] Heaton, P.M., The Covid-19 Vaccine-Development Multiverse.New England Journal of Medicine, 2020. 383(20):p. 1986-1988.
[21] https://ourworldindata.org/vaccination.
[22] Polack, F.P., etal., Safety and Efficacy of the BNT162b2mRNA Covid-19 Vaccine. New England Journal of Medicine, 2020.