HIV疫苗將在近幾年問世，從源頭解決感染問題

在醫療過程中意外感染HIV事件，引發了公眾對艾滋病的再度關注。雖然科學家在治療HIV感染方面取得了很大的進展，可以控制病情長達幾十年時間，但能夠有效預防HIV感染的疫苗一直沒有出現。黎明即將到來：科學家新發現的一種蛋白能惟妙惟肖地模擬HIV的行為，這個突破或許會加速研發的進度，讓艾滋病疫苗在近幾年問世。本文來自《環球科學》，轉載請先聯繫授權。

撰文?羅吉爾 · W · 桑德斯（Rogier W. Sanders）?伊恩 · A · 威爾遜（Ian A. Wilson） 約翰 · P · 穆爾（John P. Moore ）

翻譯?張文韜

30多年前，科學家就已經確定HIV是艾滋病的致病元兇，但是，直到現在我們依然沒有設計出有效的疫苗。雖然目前醫生可利用一系列藥物，使感染者的病情得到很好的控制（可達幾十年的時間），但是研製出能夠防止病毒感染的疫苗才是最好的武器。而且在發展中國家，藥物所需的費用和其他因素會使很多人無法得到有效的治療。一旦缺乏有效治療，患者會慢慢發展出嚴重的免疫缺陷問題（獲得性免疫缺陷綜合征，AIDS），沒幾年，就會面臨死亡的威脅。

HIV已經引起了全球的關注。圖片來源：《環球科學》

疫苗開發進展緩慢並不是因為沒有做出嘗試，也不是缺少必要的資金支持。問題在於，與科學家研究過的其他病毒不同，HIV太不一樣了。任何有效的抗病毒疫苗都必須激活免疫系統，在病毒侵入細胞，蔓延至全身之前攻擊、消滅它們。但是HIV演化出了對付人體免疫系統的防禦武器。它就像魔鬼一樣，殺死或損傷關鍵的免疫細胞，而這些細胞本該調動身體發起防禦反擊的。它還是獨一無二的偽裝者，讓大量研究人員投入在疫苗開發上的工作都化為烏有，沒有一種疫苗能讓人體迅速識別並阻止HIV變異，防止進一步感染。經過近20年的努力，我們聯合組建的科研團隊終於合成了一種人工蛋白質，它能幫助疫苗生產商克服過去面臨的困難。我們的實驗證明，這種分子能在動物體內喚起強烈的免疫反應，對抗HIV。不過，要想作為人體疫苗使用，還需要做進一步的調試，才能更有效、更好地對付多種病毒株。

後續工作還有很長的路要走，我們的實驗室和其他團隊已經在迅速推動相關研究，大家都信心十足，認為我們終於走上了正確的道路。

全新的結構

我們模擬的對象是HIV的囊膜蛋白質（envelope，簡稱Env）。現在，我們能合成比之前更接近這種物質的蛋白質了。囊膜蛋白質在HIV表面形成釘狀突起，使病毒能夠進入免疫細胞，比如CD4+T淋巴細胞。正常情況下，這些T細胞通過自身外膜蛋白（包括CD4和CCR5蛋白質）與免疫系統的其他部分保持通訊，囊膜蛋白質就像堡壘高處的信號塔。當HIV企圖進入免疫細胞時，它會與 CD4或CCR5蛋白質結合。囊膜蛋白質還會通過扭曲、重構自身的結構，使病毒外膜與免疫細胞的外膜發生融合。膜融合的同時，病毒就會把自己的基因釋放到細胞中，生產出上億份的病毒拷貝。組裝好的病毒又會逃出細胞，蔓延到周圍的細胞里，重複傳染過程。

科研人員一直夢想著，只要能破解囊膜蛋白質的花招，就能預防HIV感染。其中，最合理的方法是「教會」人體免疫系統生產抗體分子，特異識別並附著在HIV的囊膜蛋白質上。理論上，這些抗體應該產生兩種功效。第一，它們應該能形成屏障，使HIV不能附著在CD4和CCR5上，從而阻止病毒進入CD4+T細胞；第二，確保免疫系統其他部分迅速響應，破壞病毒並清除殘留。類似的策略在其他病毒疫苗上取得了成功，比如乙肝病毒疫苗：在實驗室中，研究人員用基因工程的方法得到病毒表面蛋白質，然後將它注射到人體內，這些蛋白質本身不會引發疾病（因為病毒的其他部分缺失），但是它們可以誘導免疫系統在身體中產生抗體，有病毒入侵時，通過識別類似的表面蛋白，從而快速消滅病毒。

可惜，使用標準步驟開發HIV疫苗時，科學家卻總是遭遇挫折，因為它的囊膜蛋白質十分「狡詐」，一旦與完整病毒分開就迅速分解。囊膜蛋白質片段包括gp120亞單位和gp41亞單位，前者負責與CD4蛋白質結合，後者負責將囊膜蛋白質錨定在病毒表面，隨後促進病毒和免疫細胞膜的融合。

你可能會認為，囊膜蛋白質的分解不是什麼大問題。畢竟，gp120出問題不能與CD4信號蛋白質結合，病毒就不能感染細胞了，而免疫系統還可以識別單個gp120分子，產生抗體。不過，雖然現在仍然有研究人員在嘗試使用gp120亞單位開發疫苗，但都失敗了。結果已經證明，針對單個gp120蛋白質的抗體不能觸發強烈的免疫應答。相反，對囊膜蛋白質的研究表明，針對整個蛋白質的抗體能更有效地消滅HIV。

1988年，本文作者約翰·P·穆爾終於決定拋棄傳統的gp120途徑，轉而研製基於完整囊膜蛋白質的疫苗。要開發這種疫苗非常困難，原因之一是囊膜蛋白質結構複雜：它是一種三聚體，由3個gp120亞單位和3個gp41亞單位組成。很快，羅吉爾·W·桑德斯也加入了團隊，不久以後，我們的另一個主力：伊恩·A·威爾遜也加入了進來。

對抗多方挑戰

研製任何抗HIV疫苗（包括我們在研製的）都會面臨多重挑戰。首先，疫苗必須能刺激免疫系統產生特定種類的抗體。其中最有效的抗體能識別完整病毒（就HIV而論，抗體需要精確附著到囊膜蛋白質上），並與病毒結合，阻止病毒進入細胞。因為能與病毒結合，阻斷感染途徑，研究人員又把相關防禦分子稱為中和抗體。

然而，為了在世界範圍內預防HIV感染，我們不能僅僅提高某一種中和抗體的效力，而是需要找到一種廣譜疫苗：能夠識別不同毒株的囊膜蛋白質，阻止它們利用CD4和CCR5進入免疫細胞。理想的中和抗體應該可以針對不同毒株中的囊膜蛋白質的相似部分。如果可能的話，最好的策略是針對囊膜蛋白質的幾個不同部分，能產生不同的廣譜中和抗體。

要知道HIV表面包裹著厚厚的糖衣，能讓HIV躲開免疫系統，而囊膜蛋白質還隱蔽在糖衣下。儘管如此，研究人員還是希望疫苗能與囊膜蛋白質相互作用，產生抗體。其實，在沒有用藥時，HIV的感染過程也會刺激免疫系統，使其作出響應（包括生產中和抗體），但這種響應太緩慢和微弱了，根本不能根除HIV。人體可能需要幾個月甚至是幾年時間，才能知道如何製造一種中和抗體，避開或者識別HIV的偽裝糖衣。可是在此期間，病毒已經毀滅了大量免疫細胞，使患者病入膏肓。

試驗與失敗

合成蛋白質三聚體能夠達到我們要求的其中兩項標準：不能分解；能觸髮針對相關HIV毒株的中和抗體。在美國國立衛生研究院（NIH）的資金支持下，我們在20年里做了許多嘗試，現在，終於有了階段性成果。

我們從一種HIV中分離出囊膜蛋白質基因，以它為藍本合成囊膜蛋白質。為此，我們需要把囊膜蛋白質錨定到HIV表面的部分去除。在第一次嘗試中，我們得到的蛋白質依然會分解。有幾位科學家試圖改變囊膜蛋白質的基因，從而確保三聚體的完整。不過，得到的蛋白質雖然不會完全分解，但是它們的結構與HIV上的囊膜蛋白質卻大相徑庭，不能誘導機體產生必需的抗體。

此後，我們不得不在與HIV結構相似的其他病毒里找尋線索。有些病毒的表面蛋白質中存在新的鍵，它們通常用一對硫原子把類似gp120和gp41的部分連接起來。我們在研究時，如何才能在合成的HIV囊膜蛋白質中加入這種二硫鍵？到底把二硫鍵放在什麼位置才能讓連接更緊密？在反覆試驗gp120和gp41的組合後，我們終於找到了正確的位置。可惜，得到的三聚體還是分解了。還好這次失敗的經驗給了我們新的啟示。

疫苗設計思路。圖片來源：《環球科學》

接著，我們把gp41部分的結構做了微小的改動。蛋白質都是由不同的氨基酸組成的，其中氨基酸的電荷會導致蛋白質具有獨特的構象。桑德斯決定採用特殊的氨基酸置換法，稍微改造三聚體中的gp41部分。最終，他發現，用脯氨酸代替異亮氨酸後，三聚體就能緊密結合在一起。我們將這種蛋白質命名為「SOSIP」，名字本身蘊含了我們對穩定蛋白質的兩個策略：開頭3個字母（SOS）指的是二硫鍵，最後2個字母（IP）表明我們在gp41上做了關鍵變化。這兩項關鍵進展終於讓我們迎來了曙光。

首先，安德魯·沃德（Andrew Ward）加入了我們的團隊。此前，他在斯克利普斯研究所任助理教授，負責確定囊膜蛋白質三聚體物理結構。沃德用電子顯微鏡展現了合成三聚體的結構，發現它們吸引了很多脂質球（或類脂球），讓自身變得很黏，容易形成像口香糖一樣的凝膠體。雖然我們合成的三聚體中有一部分很像病毒的囊膜蛋白質，但是另一部分還是會形成十分奇怪的結構。顯然，我們沒有製作出符合要求的釘狀三聚體。

在電子顯微照片的啟發下，我們想出了另一種方法：截去三聚體的一部分，讓它不能吸引討厭的脂質分子。我們把這個截短的三聚體叫做SOSIP.664，這意味著，三聚體中的三個個體都是一條氨基酸長鏈，我們在664位進行截斷。沃德在電子顯微鏡下看到，這種三聚體比往常更短，但更有意思，與感染性HIV上發現的釘狀結構非常類似：被截去的部分經常躲藏在病毒表面下。 這裡的SOSIP.664還不完整，只是與一種HIV毒株的囊膜蛋白質擁有同樣的氨基酸組成。我們希望進一步構建新的三聚體，讓它誘導人體產生對大部分毒株都有效的中和抗體。

即使到現在也沒有人真的知道，怎樣才能準確製造一種三聚體，誘導人體產生廣譜中和抗體。不過我們採取了一個巧妙的策略：在實驗室中，先用不同的HIV誘導機體生成抗體，然後看我們合成的三聚體能否被這些抗體識別出來。由於我們不知道在囊膜蛋白質中，哪種氨基酸組成能讓大多數抗體識別出來，因此只能一步一步地嘗試，從來自世界各地的100種HIV里篩選蛋白質。然後，我們合成所有囊膜蛋白質的SOSIP版本，找到那個既具有釘狀結構，又能與許多抗體結合的蛋白質。

還好，我們總算找到了。病毒樣本編號BG505，來自一名出生在肯亞首都內羅畢的嬰兒，當時他只有6周大，出生時就攜帶著HIV。這個特殊的毒株是美國弗雷德·哈金森癌症研究中心的朱莉·歐維巴（Julie Overbaugh）和她在內羅畢大學的同事們分離出來的，國際艾滋病疫苗行動組織（IAVI）也把相關的基因序列和氨基酸組成信息發給了我們，用於篩選。

另一個進展是，我們發明了一種方法，可以大量製備高純度的三聚體BG505 SOSIP.664（簡稱BG505三聚體）。這就意味著，我們將有足夠的樣品進行動物實驗，甚至把它推向臨床試驗。除此之外，我們還得到了三聚體的晶體，用x射線衍射就能觀測它的分子結構。

現在我們合成了足量的三聚體，可以注入到兔子和猴子體內，收集它們產生的HIV抗體。在接下來的研究中，我們又把這些抗體添加到由人類細胞培養的組織中，結果發現它們確實可以保護人類細胞免受BG505病毒的感染，不過，對其他毒株還無能為力。雖然現在的抗體還無法達到臨床應用的標準（它應該對絕大多數病株都有效），但是，我們已經打開了一扇門。

我們的下一步計劃是在人體中重複這些試驗。到目前為止，是比爾與梅林達·蓋茨基金會支持了我們在蛋白質方面的多項研究。我們還與IAVI和NIH商量好，要設計和資助探索性的臨床試驗，到時候，可能還會招募50名左右的受試者。要知道，雖然動物試驗上獲得的成功給了我們希望，但這並不代表在人體上也會百分百有效。只有臨床試驗才能真正讓我們了解，人體的免疫系統是如何應答這些人造的三聚體的。

臨床試驗的數據會結合威爾遜實驗室獲得的信息一同使用，在威爾遜實驗室中我們能觀察到這種三聚體到底與自然合成的包膜蛋白有多像。通過這些信息再設計新的蛋白質，我們就會越來越靠近真正能保護人體健康的疫苗了。在這個過程中，問題會一直出現，更改方案的次數也不會少。當然，這些進展讓我們更深入地認識到，人體的免疫系統如何才能產生廣譜中和抗體，也增加了我們應該如何遞送三聚體的知識。

事實上，我們已經創建了疫苗的第一代原型，經過多次修改，就可以確定哪種配方最有可能產生有效的抗體。雖然距離最終目標還有一定的距離，到目前為止，我們在動物和細胞測試中都取得了很好的結果，這讓我們相信，製造艾滋病疫苗不是不可解決的難題。

現在，各研究團隊擁有SOSIP工具包，也能合成更好的蛋白質用作疫苗。目前，許多科研小組正在製作自己的釘狀三聚體，從而測試各種疫苗。在HIV疫苗的研製道路上，科學家經歷過太多打擊了，未來幾年應該是收穫的時節了。

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