新冠疫苗保护作用能持续多久?自然免疫研究也许能告诉我们

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  疫苗能终结新冠疫情吗?

  目前,美国的两支mRNA疫苗已以95%的高有效性获批上市,中国的灭活疫苗也即将最后揭晓大规模三期临床试验的结果,前期数据显示其有效率达到85%。下一个问题来了,这些疫苗能保护我们多久?

  只有时间能揭晓答案。但在那之前,对新冠病毒自然免疫的研究,已为我们提供了一些令人鼓舞的线索。

  本文讲解了新冠病毒引起的自然免疫反应,并以此为出发点分析了不同疫苗的优劣,给出了mRNA疫苗研发的严谨设计,用图表展示了大量丰富的内容。

  撰文 | 史隽

  由新冠病毒 (SARS-CoV-2) 引起的新冠肺炎 (COVID-19) 大流行是一个世纪以来人类面临的最严峻挑战。很多专家普遍认为,在研发出一个安全有效的疫苗并成功实施全球疫苗接种计划以前,社会都无法回到疫情前的正常状态。

  尽管新冠病毒引起的自然免疫应答机制还没有完全搞清楚,自然免疫应答和疫苗诱导的保护性免疫可能也不完全相同,然而,深入理解自然免疫机制,对研发出有效疫苗、确定接种策略来说,是至关重要的。

  本文将先介绍我们已知的新冠病毒引起的自然免疫反应,随后分析当前研发或已被紧急批准的新冠疫苗的优势和潜在的不足。

  新冠病毒的自然免疫反应

  不同病毒引起免疫反应的强弱,从而保护宿主免受再感染的程度和持续时间都不同。某些病毒,一次感染可以提供终身免疫;另外一些病毒,例如季节性的普通冠状病毒,感染后引起的免疫保护很短暂。新冠病毒到底是哪种情况还不能确认。这个特性对疫情的传播模式、持续的时间、以及疫苗的有效时效具有根本的影响。

  病毒引起的适应性免疫反应主要有两种:体液抗体反应 (humoral immunity,由B淋巴细胞合成病毒特异性的抗体) 和细胞介导反应 (cell-mediatedimmunity, 由T淋巴细胞杀死被感染的细胞)。

  体液抗体反应

  首先要指出的是,免疫反应有很大的个体差异。据估计,40%-75%的新冠病毒感染者可能是无症状或轻症,而这些无症状和轻症的患者产生的抗体水平似乎也比较低。

  对于大多数感染者而言,出现症状后1-2周内,几乎可同时检测到针对新冠病毒的IgM和IgG抗体。

  抗体的质量和数量通常与抗体的保护结果密切相关。在这些对病毒反应产生的IgM, IgA, IgG抗体中,有一部分高亲和力的抗体,可以通过识别特定的病毒抗原来引发中和反应,被称为中和抗体。在体外 (in vitro),中和抗体被定义为:能够阻断病毒进入、融合或逃离细胞的抗体。例如,能识别新冠病毒的S (刺突) 蛋白上的RBD区 (受体结合域) 的中和抗体,就可以阻断新冠病毒和人细胞上的ACE2受体结合,使得新冠病毒无法感染人细胞。

  此外,中和抗体可以与其他免疫成分——例如补体、吞噬细胞和自然杀伤细胞等——相互作用。这些效应反应都可以帮助清除病毒和被感染的细胞。中和抗体浓度越高,一般保护作用越好。因此,早期预测疫苗好坏的指标之一,就是看它能诱发人体内产生多少中和抗体。

  那么,血浆和/或血清中能对新冠病毒S蛋白受体结合域(RBD)产生反应的抗体浓度是多少呢?

  研究人员采集、检测了症状出现后122天内的343位新冠感染者(北美患者,其中93%是住院的患者)的血液样本,并将其与疫情暴发前获取的1548名个体的血样进行比较[1]。该检测的特异性为100%,新冠抗体与其他广泛传播的普通冠状病毒 (HKU1、229 E,OC43,NL63) 没有交叉反应——也就是说,这一检测能准确区分出新冠抗体和其他抗体。

  这个研究发现,对S蛋白的受体结合域有反应的抗体大都在症状出现后28天左右达到峰值,其中IgM和IgA抗体大约能持续最多两个半月,而IgG抗体在大多数患者体内可以持续存在90天以上,只有很少数的病人在研究的时间段内失去了IgG抗体(图1)。

  

  图1:新冠疫情前对照人群和疫情以后核酸检测阳性病例中针对新冠病毒表面S蛋白受体结合域的IgG,IgM,IgA的量。每个点代表一个独立的测量。黑色虚线表示在疫情前对照组中测量到的抗体的最高浓度 (μg/ mL): IgG: 0.57,IgM:2.63,IgA: 2.02。检测的敏感度 (能够被检测到的最低浓度,μg/mL) 为IgG:0.04,IgM:0.28,IgA:0.30。

  进一步研究发现,中和抗体的滴度和结合S蛋白受体结合域的IgG抗体滴度高度相关:结合S蛋白受体结合域的IgG抗体滴度越高,中和抗体的滴度也越高。值得注意的是,尽管IgA和IgM抗体滴度下降较快,但与IgG抗体相似,在研究的时段内,中和抗体只有很少量的衰减。

  IgG抗体和中和抗体能够持续存在,这是一个令人鼓舞的现象。虽然中和抗体的滴度与特异性T细胞、疾病严重程度和临床表现的关系还尚待研究,然而人们在恢复期的病人体内观察到了高水平的中和抗体,这表明新冠病毒在这个研究的群体中 (需要住院治疗的严重感染个体) 能够引起强大的全身性免疫记忆。

  这一结论与过去的两个研究的结果类似[2, 3]。但是,另外一些研究也表明,轻度或无症状的新冠病毒感染后,人体内抗体滴度下降很快[4, 5]。中和抗体的滴度和疾病严重程度呈正相关,滴度越高,症状越严重;无症状感染者产生的中和抗体不仅少,衰减的速度也快很多[6]。

  抗体滴度是血液样品中抗体水平的指标,是指血液样品能够被检测出抗体阳性结果的最大稀释程度。某一抗体的精确滴度值取决于被检测抗体、所用方法以及进行检测的实验室。

  细胞介导反应

  另外,也有很多研究发现,新冠病毒的S蛋白也能有效地诱导病毒特异的CD4+和CD8+ T细胞[7-9]。

  以前的一个研究发现,非典康复患者体内针对SARS-CoV-1的特异性T细胞在感染后可以持续存在11年[10]。新的研究发现,这些T细胞在感染17年后仍然存在。并且,在遇到新冠病毒 (SARS-CoV-2)的蛋白后,它们还能反应并扩增[9]。

  这些研究表明,乙型冠状病毒 (包括SARS-CoV-1和SARS-CoV-2) 感染引起的病毒特异性T细胞能够长期存在。由此推论,新冠康复者体内很可能有长实效的T细胞免疫。

  二次感染极为稀少

  想必大家都听过新冠康复者被二次感染的例子。这让一些人怀疑新冠病毒引起的免疫保护作用可能不够强,持续的时间不长。然而,必须要指出的是,现在全球新冠感染者已经有7千多万,被实验证明的二次感染的病例还是少数,目前发表的有4例 (图2和图3)。

  

  图2:病毒测序证明的最早的两例二次感染的病例 (作者作图,资料整理自文献[11, 12])。

  

  图3:截止2020年9月14日通过病毒基因组测序确认的再感染病例 (截止2020年9月14日[13])。

  这4例二次感染病人没有已知的免疫缺陷,只有图2中后两人有第一次感染后的血清学数据。由于全球使用的血清学检测平台有许多种,无法将不同测试方法的结果直接进行比较,所以也不知道有多少是中和抗体。需要确定第二次感染时,病人体内中和抗体的水平和特异性,才能确认是不是因为中和抗体水平降低,这些人才有了二次感染。

  因为二次感染目前只是个例,医学界还是普遍认为新冠病毒感染以后引起的免疫保护能够持续一段时间,希望疫苗的保护作用也能够有较长的时效。

  新冠疫苗9大平台:各有优劣

  目前全世界主要已研发出6种新冠肺炎 (COVID-19) 疫苗,有两款已经被FDA批准紧急使用 (图3)。

  疫苗设计主要包括:抗原的选择,疫苗平台以及疫苗接种途径和方案。

  疫苗平台的选择决定了抗原能够引起的免疫强度,是否需要免疫佐剂以及产生的免疫保护的性质。这些属性还决定了疫苗的接种途径(口服、气雾吸入还是注射)和接种方案,例如需要打几针,注射之间需要间隔多久,才能保证产生足够强的保护性免疫及其耐久性。此外,减活疫苗需要更严格的安全性测试。

  

  图3:新冠病毒疫苗的9种平台[14]。

  新冠病毒的中和抗体主要与病毒表面的S蛋白相结合,阻止病毒进入细胞内 (图4)。S蛋白由S1和S2组成。 S1包含结合细胞受体ACE2的RBD区域。 S2靠近脂质膜并在与细胞膜融合中起作用。SARS-CoV-1 (SARS病毒) 和SARS-CoV-2 (新冠病毒) 的S蛋白相似度有88%,与ACE2都有高度亲和力。某些针对SARS病毒的抗体也可以中和新冠病毒。因此,目前被批准的或是研发中的新冠疫苗主要利用S蛋白作为抗原[15]。

  

  图4:新冠病毒的结构[16]。

  目前有270多个新冠疫苗在研发中,最多的就是重组蛋白疫苗 (图5)。

  

  图5:各种新冠疫苗 (作者不完全统计)。

  

  图6:在各研发阶段的新冠疫苗的数目[17],根据WHO公布的数据统计 (截至2020年12月19日),如果一个疫苗同时在两个临床阶段测试,将会被统计在较高层的临床阶段,尚未三期揭盲的疫苗仍归于“三期临床”阶段。

  

  图7:各种疫苗平台的优缺点[18]。

  快,而严谨

  2020年12月11日,FDA紧急批准了BNTX与辉瑞联合研发的mRNA新冠疫苗。这款疫苗最初有两个候选:BNT162b1和BNT162b2,都是被脂质纳米颗粒包裹的、修饰过的RNA。BNT162b1只编码S蛋白的RBD区域,而BNT162b2编码全长的S蛋白。这两个候选疫苗都先在一个小型的临床一期试验中经过了测试。这个疫苗需要打两针,在第一针打完以后第21天注射第二针,在第28天进行结果分析。

  

  图8:Pfizer/BNTX的新冠疫苗的一期临床试验设计(作者根据参考文献[19]作图)。

  试验结果发现,这两个疫苗候选物在两组志愿者体内都能引起中和抗体的产生,且浓度水平相似——与在康复患者体内测量到的抗体浓度差不多,甚至更高。老年人 (65-85岁) 体内产生的中和抗体平均比年轻人 (18-55岁) 要低[19]。

  

  图9:BNT162b1和BNT162b2在65-85岁老人组里的副作用统计比较[19]。

  由上图可知,与BNT162b1相比,BNT162b2的副作用较少,程度也普遍较轻,尤其是在老年人中。根据这个结果,Pfizer/BNTX决定选择BNT162b2进行关键的临床2至3期的安全性和有效性评估,现在被FDA紧急批准上市的也是BNT162b2。

  除了与辉瑞合作,BNTX也在中国与上海复兴医药合作研发疫苗。不过复兴医药在国内进行1期临床试验的不是BNT162b2,而是BNT162b1。

  要知道,传统的疫苗研发需要花10年以上。

  

  图10:传统疫苗开发途径[20]。

  回顾历史,麻疹疫苗的研发时间最短,从1953年发现致病的病毒,到疫苗于1963年在美国获得许可使用,花了10年时间。Alphonse Laveran在1880年发现疟原虫是疟疾的起因,直到今日仍然没有一个针对疟疾的有效疫苗。

  

  图11:疫苗研发创新的时间表。每条红线开始是确认造成疾病的病原体的年份,终止于美国许可针对该病原体的疫苗接种的年份[21]。

  Pfizer/BNTX的新冠疫苗项目的名叫“Project Lightspeed (光速计划) ”,从新冠病毒被中国科学家测序并分享,到被世界多个国家紧急批准使用,只用了不到一年的时间,的确实至名归。

  

  图12:Pfizer/BNTX的新冠疫苗的时间表(作者整理)。

  参考文献

  [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.

  本文为严肃科普媒体《返朴》(微信号:fanpu2019)首发,《返朴》由国际一流科学家和科普专家担任总编及编委。任何媒体转载时须保留《返朴》名称及微信号和作者信息。未经许可,严禁对包括标题在内的任何改动。转载、授权、合作请联系fanpusci@163.com。

  

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