通用新冠疫苗设计面临的挑战及展望

2022-12-28

疫苗临床结果临床研究

SARS-CoV-2属于原冠状病毒亚科，根据其基因组结构可分为甲型冠状病毒、乙型冠状病毒、丙型冠状病毒和德尔塔冠状病毒属。冠状病毒主要引起轻微的呼吸道症状，直到2003年首次报告的冠状病毒，导致10%的死亡率。SARS-CoV和SARS-CoV-2都是乙型冠状病毒属的沙贝病毒亚属的成员。虽然SARS-CoV-2免疫显性区的蛋白结构与SARS-CoV相似，但从特定菌株诱导的抗体更容易对异源病毒产生交叉反应，而不是交叉中和活性。中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）是另一种仍在传播的高致病性乙型冠状病毒（玛贝克病毒亚属），于2012年在沙特阿拉伯被发现。这些病毒的出现及其严重后果使冠状病毒成为人类疾病预防研究的主要焦点。与许多其他冠状病毒一致，SARS-CoV-2利用其表面刺突(S)糖蛋白进入宿主细胞。同源三聚体S可以被蛋白质水解切割成两部分，其中S1亚基负责与细胞表面的血管紧张素转换酶2（ACE2）结合，而S2亚基负责病毒和细胞膜的融合。受体结合结构域（RBD）是S1亚基的C端结构域，具有免疫显性，因此是中和抗体的主要靶点。S在融合前和融合后状态之间的形态学变化已经被表征。在预融合状态下，RBD表现出其“向上”的构象，允许RBD与受体结合。然后，S1亚基在S1和S2之间的边界处被呋喃裂解释放。接下来，细胞跨膜丝氨酸蛋白酶2（TMPRSS2）被招募，通过切割融合肽上游的部分S2亚基来进行病毒启动，导致疏水融合肽暴露并插入宿主膜。严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）的出现由于其出人意料的高致病性和传播性而成为全球关注的问题。SARS-CoV-2变异减弱了以前接种疫苗或自然感染引起的免疫保护，在控制大流行的传播方面提出了挑战。近日，中国北京大学深圳医院的徐俊杰教授团队在国际著名期刊《Nature》上发表了一篇题为“Challenges and developments in universal vaccine design against SARS-CoV-2 variants”的研究论文。该研究描述了RNA病毒的高突变率和SARS-CoV-2变异体的动态分子结构，试图回答为什么通用疫苗难以设计的问题。此外，该研究总结了一些值得进一步研究的进展，包括异源启动-促进方案、嵌合免疫原的构建、蛋白纳米颗粒抗原的设计和保守的中和表位的利用。一些免疫原可以诱导针对异源冠状病毒的交叉反应性免疫反应，这一事实为通用疫苗的开发提供了宝贵的线索。SARS-CoV-2的循环菌株正在快速变化。根据2019年12月至2022年10月收集的GISAID的3050个SARS-CoV-2刺突糖蛋白序列，构建无根系统发育树树被枝着色，枝长度代表每个枝的发散。Omicron变异体显示出最高的抗原区别。导致免疫逃逸的SARS-CoV-2变异的特征：变异体中S蛋白的细微结构差异可能有助于病毒的免疫逃逸，使开发基于S蛋白的通用疫苗变得困难。流行变异的突变位点比对如下图所示。Beta和Omicron变体具有显著的免疫逃逸迹象。Omicorn变异在S蛋白携带超过30个突变，其中一半位于抗原重要的RBD区域。即使是那些从COVID-19中恢复或接种并增强的人的血清，对Omicorn变异的中和活性也较差。重要的是，与Delta变异相比，Omicorn变异导致的疾病更轻，重症监护病房入院更少，表明与感染或无症状感染者长期共存。一个值得注意的BA突变。在S中BA.4/BA.5中的F486V，其位置靠近S-ACE2相互作用位点，这是中和抗体的主要靶点。在Omicorn BA.1, BA.2，和BA.2.12.1，带有较长侧链的突变Q493R诱导空间冲突，直接抵抗抗体的结合，而在BA.2.75和BA.4/BA.5中逆转突变R493Q。亚变异表现出相反的结果，这可能是一种妥协策略，与Q493R相比，可以提供更显著的免疫逃避。在三个Omicorn亚变异BA.2.75、BA.4.6和BF.7中发现了另一个重要的突变点R346T显示了广泛的抗体结合逃避，他们似乎比目前的优势BA.4/BA.5更流行。针对SARS-COV-2的通用疫苗设计中的新方法1.异源启动促进方案：疫苗接种诱导的抗体的中和活性随着时间的推移而逐渐减弱。此外，具有更强免疫逃逸能力的新变异的出现，增加了那些接受过COVID-19初级系列疫苗的人获得含有更新疫苗成分的加强疫苗的需求。世卫组织强调了诸如优化现有疫苗的使用和提高疫苗对增强疫苗进化变异的保护效力等行动。与同源疫苗接种相比，混合来自不同平台或不同SARS-CoV-2毒株的疫苗可能会引起更大的细胞和体液免疫反应，并对新出现的变异实现更广泛的免疫。2.嵌合免疫原的构建：蛋白质亚单位疫苗因其配方简单而得到广泛推广。单体、二聚体和三聚体RBD亚单位疫苗似乎具有免疫原性和耐受性良好，但它们对SARS-CoV-2变体的疗效却不令人满意。另一种通过抗原诱导交叉保护抗体的新方法，将来自不同SARS-CoV-2菌株的关键免疫原组装成一个单一的蛋白质亚基。设计了含有prototype-Beta or Delta-Omicron RBD二聚体的嵌合抗原候选疫苗。与同型原型二聚体或变异特异性二聚体相比，两种嵌合蛋白亚单位疫苗对SARS-CoV-2变异的中和活性更广泛。一种名为NVSI-06-08的疫苗包含一个突变整合的三聚体形式的RBDs被生成。由prototype, Beta,和Kappa RBDs形成的杂交免疫原诱导了针对Beta和Delta变异体比单独由原型株构建的同源三聚体的中和抗体反应更加优秀。3.蛋白质纳米颗粒抗原：嵌合抗原确实对SARS-CoV-2变体提供交叉反应保护。然而，一些抗原太小，无法提高强大的免疫反应，需要应用新的技术来确保蛋白质亚基能够被宿主的免疫系统捕获和呈现。表面嵌入蛋白抗原的纳米颗粒便于引流到淋巴结，并增强了它们被抗原提呈细胞吸收的可能性，与单独使用抗原的纳米颗粒相比，可导致更强的中和反应和更高的交叉反应性抗体保护。将纳米颗粒与免疫原性抗原表位（RBD或全长S蛋白或其修饰版本）自组装，诱导针对SARS-CoV-2及其挥发性有机物的持久抗体反应，并与持久记忆B细胞。NVX-CoV2373是一种由三聚体S和Matrix-MTM佐剂组成的重组纳米颗粒疫苗。两剂剂量的NVX-CoV2373可以引起针对SARS-CoV-2 Alpha和Beta变体的免疫应答。4.保守的中和表位：在冠状病毒中广泛中和抗体方面的进展也为疫苗设计提供了一种创新方法。这些抗体针对棘突中的多个保守的中和表位，特别是S1-RBD和S2区域。虽然S蛋白中的S1在抗原上很重要，而且S1-ACE2的相互作用对病毒入侵至关重要，但其高突变率有助于病毒从抗体中和中逃逸。S2是S同源三聚体的茎区，在序列和结构上比S1更保守，这为COVID-19疫苗的通用设计提供了一条新的途径。对流感病毒的通用疫苗研究已经证实了由表面糖蛋白血凝素的保守柄区诱导的抗体在抑制病毒进入方面的有效性。最新研究表明，SARS-CoV-2 S2免疫小鼠的血清可以广泛中和不同的人类和动物COVs以及原始株型SARS-CoV-2和SARS-VOCs。在这篇综述中，研究人员推测，通用SARS-CoV-2疫苗的有限开发与SARS-CoV-2基因组中发生的频繁突变以及由此导致的主要表位的结构重塑高度相关。综述了扩大中和抗体对变异保护的不同领域的进展，包括异源初级疫苗接种方案、嵌合免疫原的构建、蛋白纳米颗粒抗原的设计和保守中和表位的利用。总之，SARS-CoV-2疫苗已从传统的灭活疫苗升级为基因工程疫苗，包括蛋白质亚单位疫苗、DNA/mRNA疫苗和病毒载体疫苗。他们见证了每一代的进步，疫苗已经研制出来，但仍未实现战胜新冠肺炎大流行的目标。继续开发SARS-CoV-2疫苗或可能刺激针对人体多种冠状病毒的抗体是至关重要。在普通疫苗开发方面的工作也应扩大到可能构成大流行威胁的其他传染病。如果我们提前准备好工作，将减少有效疫苗的生产时间，挽救更多的生命。参考来源：https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s41541-022-00597-4相关阅读：19位行业专家，4场知识盛宴，抗体药物大规模高效生产系列网络研讨会盛大开启！