互动科普

2007年HIV疫苗的重大挫折让人们对免疫系统的多个层面重新认识。疫苗研究的步伐正在加快，HIV迟早会被征服。

疫苗研发渐入新境

撰文 艾伦•阿德雷姆（Alan Aderem）

翻译 严家新

2007年，艾滋病研究人员受到了沉重打击。在一次临床试验中，研究人员为3000名受试者注射了一种被寄予厚望的HIV疫苗，但试验结果却出人意料地难看：这3000人中没有一个人获得了对HIV的抵抗力。更糟糕的是，注射了这种疫苗后，反而会使部分受试者更容易感染HIV。这项试验所需的资金由美国默克制药公司和美国国立过敏与传染病研究所（National Institute of Allergy and Infectious Diseases）提供，为了研制这种疫苗，科学家已花费了数百万美元和10多年的时间。而就在这10来年里，全球有1800万人死于艾滋病，更有数千万人受到感染。

在很大程度上，默克疫苗的失败是因为研究人员尚不知道如何制造出完美的疫苗。确实，很多疫苗已取得了巨大的成功，想一下脊髓灰质炎和天花疫苗，你就知道此言不虚。但事实上，这些疫苗的成功有很多侥幸成分。当年的科学家对免疫系统了解有限，对病原体的生物学背景所知不多，就是根据这些并不算丰富的知识，他们开始推测怎样制作疫苗才可能有效，后来可能又经过一些改进，再加上一些运气，结果碰巧发现，如此研制出的疫苗是可以使人们产生抵抗力的。但更多的时候，由于对必要的免疫反应认识不深，试验结果常常令人失望，而且通常只有在一次大规模临床试验后，才会发现一种候选疫苗是无效的。

如果在研制和评估候选疫苗时，科学家有一种更快捷、更高效的方法，结果会怎样？理论上，如果想让一种疫苗诱发出强烈的保护性免疫反应，我们首先要做的，就是清晰了解在这一过程中必定要发生的每一种免疫反应。比如，哪些免疫细胞需要以哪种方式发生相互作用？这些细胞必须得激活或抑制哪些基因？然后，科学家就可以把这些信息纳入一个能系统反映保护性免疫反应的特征图谱里。反过来，这种图谱又可作为一份指南，用以确定一种疫苗需要引起哪些免疫反应才能抵抗疾病。科学家可以对比数百种可能的疫苗配方，从中选出免疫反应的特征图谱接近理想状况的疫苗配方。接下来，他们就可以开始一些规模小、周期短的临床试验，着手改进这些候选配方，直到找出生物学特征尽可能接近最佳的配方。在这些小规模临床试验中，通过比较候选疫苗的生物学特性与理想特性，科学家就能在相当短的时间内知晓，一种疫苗是否具有较大的成功几率。等到最终的大规模临床试验开始时，试验性疫苗的成功实际上已经有了保证。

直到最近，无论是在研究工具，还是在认识上，科学家都没有达到上述水平。我们需要跨学科的研究团队，通过相互协作，能够真正弄清楚免疫学、微生物学，以及如何构建复杂的生物模型，在一大堆数据中找出有用的反应模式。另外，我们还需要一些技术，可以自发地反复测量基因活性、蛋白质水平、细胞行为和免疫反应的其他方面——能够处理这些数据的计算机和软件就更不必提了。

不过，在今天的系统生物学领域，很多科学家正在组建这样的研究团队，而且在开发先进技术，大幅改善疫苗设计方法的道路上，他们已经踏出了第一步。而作为这个研究群体的一部分，我们也已开始更细致地研究，如果要使一个人对HIV产生抵抗力，需要激发哪些免疫反应。目前，系统生物学方法不仅在用于开发HIV疫苗，结核病、疟疾和流感疫苗的开发都会用到这些方法。

最成功的疫苗

不管是按传统方法制备的，还是根据系统生物学研究开发的，所有疫苗都含有病毒、细菌或寄生虫的一些碎片，用以触发相应的免疫反应。这些碎片也就是科学家所说的抗原。有时，它们是一种完整但致病力很弱的病毒的一部分［就像200年前，英国医生爱德华·詹纳（Edward Jenner）曾采集牛痘水泡中的液体，为一个小男孩接种以预防天花］， 而在其他时候，这些碎片则是完整但完全失活的传染性病原体的一部分（比如美国医生乔纳斯·索尔克发明的脊髓灰质炎疫苗），或者病原体本身就是一种疫苗（如百白破疫苗）。制作疫苗时，可能还需要添加佐剂——在人体内激发更广泛的免疫反应的物质。如果一切顺利，免疫系统会对疫苗中的抗原成分作出反应，精确启动一系列分子和细胞事件，让机体以后能够抵抗携带着相同或类似抗原的病毒或细菌。对于疫苗开发者来说，他们要做的就是找到抗原和佐剂的正确组合，以便能诱发最强烈的保护性免疫反应。

尽管黄热病（yellow fever，）疫苗是按传统方式开发的，但这种疫苗却非常成功，是有史以来世上最有效的疫苗之一。只需要一次接种，它就能在一星期内使人体产生有效免疫力，效力至少可以持续30年。这种疫苗的成功提供了一个机会，可以让科学家测试系统生物学中的一些理念和方法。现在，已经有人在做这样的研究了——该研究由美国埃默里大学的巴厘•普伦德雷（Bali Pulendran）发起，参与者包括同是埃默里大学的拉菲•艾哈迈德（Rafi Ahmed）小组，以及我在美国西雅图系统生物学研究所的一个团队。因为知道黄热病疫苗是有效的，所以我们认为，我们应该能够弄清楚，这种疫苗在人体内成功触发免疫力后，它引起了哪些分子和细胞变化，这些变化的详细特征是什么。我们确实发现了一个标志性特征，而且我们希望能根据这次经验，试着找出HIV疫苗未能使人体产生免疫力的原因。

环球科学小词典：黄热病俗称“黄杰克”、“黑呕”，是由黑热病病毒所致的急性传染病，主要媒介在城市是埃及伊蚊，在农村为趋血蚊和非洲伊蚊，传播途径是经蚊的叮咬。该病在中、南美洲和非洲热带地区呈地方性流行，病死率一般为2%至5%。

为了开展黄热病试验，我们找来25名健康自愿者，为他们接种了黄热病疫苗。接着，我们在不同的时间点，从他们身上采集血样：接种疫苗时，以及接种1天、7天和21天后，分别采集一次。每份血样都会送入自动筛选仪中，鉴定哪些基因被激活了。当然，这些基因不会直接合成细胞需要的蛋白质——它们首先会转录成信使RNA，这种RNA才是直接合成蛋白质的模板。通过观测RNA的数量，我们不仅知道哪些基因在表达（也就是指导蛋白质的合成），还能知道这些基因的活性有多强。

正如我们所料，黄热病疫苗接种后，首先会激活先天免疫系统（innate immune system）。这是人体防御系统中的两大“派系”之一，从进化角度来看，它是较为古老的一个“派系”。对于各种病原体的入侵，先天免疫系统都能立即展开进攻。先天免疫细胞能吞噬和杀死大多数入侵微生物，先天反应常常仅靠自身就能消除外在威胁，但即便如此，先天系统仍会通知另一个较为年轻的“派系”——适应性免疫系统，针对入侵病原体产生一些特异性的免疫反应，以便这样的感染再次发生时，对人体的伤害不会太大，事态能更快得到控制。

大概接种10天后，自愿者体内的先天免疫系统会刺激适应性免疫系统，使之依次产生两种免疫反应。首先，适应性免疫系统会产生一些特殊的蛋白质，也就是我们熟知的抗体，能针对黄热病病毒的多个部分发起攻击。接着，该系统会激活杀伤性T细胞，这些免疫细胞可识别并摧毁体内已被病毒感染的细胞。经过几轮分析，我们找到了65个在黄热病疫苗引起的免疫反应中起关键作用的基因。从这些基因的一种特殊表达模式可以明显看出，它们的表达预示着强大抗体的产生和杀伤性T细胞的活化。换句话说，我们证实了自己的观点。在免疫系统对黄热病疫苗产生强烈反应的期间，我们可以每隔一分钟就检测一次免疫系统的哪些基因开始或停止了表达。美国佛罗里达州疫苗与基因治疗研究所的拉菲克-皮埃尔•塞卡里（Rafick-Pierre Sékaly）也得到了与我们类似的结果。这种相似性证明结果是可靠的。

上述结果中尤其让人兴奋的一点是，在接种部位，保护性免疫反应的标志性特征在血液中也能检测到。从理论上讲，这一发现意味着，科学家可以开发一种简单的诊断方法，从接种者的手指上取一点血样，就能判定一种疫苗的效果好不好。这样一来，在以后的疫苗研究中，收集和分析数据的任务就不再需要经过特殊训练，或者复杂的实验设备来担当了——当你知道HIV、疟疾和结核病最泛滥的地区，就是世界上最穷的地区时，你就会明白这一点有多重要。

来自猴子的暗示

由于已经证实，利用系统生物学方法，我们可以对一种成功疫苗引发的免疫反应有一个全面而清晰的认识，因此我和同事准备联手解决HIV疫苗的问题。在我们看来，下一步的工作最好是能挨个对比几种疫苗配方，看哪一种配方能够诱发理想的免疫反应。但是，我们过去不知道，现在也不知道HIV诱发的理想免疫反应到底是什么样子的，因此找到理想免疫反应的标志性特征是我们目前的主要目标。现在，我开始在动物中寻找线索。

研究表明，猴子也可能被一种与HIV相似的病毒——猴免疫缺陷病毒（simian immunodeficiency virus ，SIV）所感染。对于我们的研究而言，这种可能性非常重要，因为我们可以在研究中用SIV故意感染猴子，而对人这样做则是不道德的。

目前，美国西雅图生物医学研究所的科学家正与俄勒冈健康与科学大学的路易斯•皮克(Louis Picker)、美国国立卫生研究院的罗伯特•塞德（Robert Seder)合作，在猴子身上测试不同的SIV疫苗，以便对这类病毒引发的强烈免疫反应的特征有更多了解。迄今为止，我们已经鉴定出了早期先天免疫反应的数个标志性特征，根据这些特征可以预测，接种了疫苗的猴子在接触SIV后，哪些猴子体内的病毒较少。

某些基因表达后，猴子的抗病毒能力就会增强。在免疫反应的网络图谱上，这样的基因就是图谱上交联度很高的节点。每个节点都代表一个的基因，它们之间的联系表明，它们互相影响彼此的活性[见随后两页的框图]。由于猴与人有太多基因都是相同的，猴子体内最佳免疫反应的那些特征，也许能让我们顺藤摸瓜，对HIV在人体内引发的强烈免疫反应有所了解，而且这些知识还可用来评估不同疫苗在人体内的效能。

皮克和塞卡里正在研究一个相关性问题。他们利用系统性方法，以求弄清楚为何SIV减毒活疫苗在猴子体内引发的保护性反应尤其强烈。而HIV，即使是使用减毒病毒，也太过危险，这很是让人遗憾：随着时间的推移，减毒HIV可能会在偶然情况下与完整病毒发生重组，反而使人患上原本想预防的疾病（这就是脊髓灰质炎活疫苗在美国已不再是常规疫苗的原因）。如果皮克和塞卡里能够成功，科学家就可能知道如何研制一种HIV疫苗，让它的效果类似于减毒SIV，却不会有直接使用减毒HIV而引发疾病的风险。

追查败因

多个研究机构的科学家已经证实，系统生物学方法可以用在疫苗研制的多个阶段。我们已经有了一个真正的保护性疫苗——黄热病疫苗的免疫特征图谱，也对接种了SIV疫苗，成功产生抵抗力的猴子的免疫反应有了了解，不过在动手开发新的HIV疫苗前，我们还希望解决几个问题，比如我们能否准确解释，默克公司研制的HIV疫苗为什么会在2007年遭遇滑铁卢？要知道，这种疫苗曾被认为非常有希望成功，而这次失败宣判了它的死刑，震惊了整个艾滋病研究领域。

默克疫苗的代号是MRKAd5/HIV-1，它并不是首个接受测试的HIV疫苗。在以往的临床试验中，科学家主要是想用疫苗引发有效的抗体反应，以便在HIV在人体内站稳脚跟之前将它们除掉。遗憾的是，这类疫苗的3种主要研制策略中，有两种都不可行。使用减毒HIV太危险，而完全灭活的HIV颗粒未能诱导出合适的抗体。剩下的一种方法就是使用HIV碎片：要么直接使用碎片本身，要么把这些碎片连接到其他病毒上（以增强免疫活性）。但迄今为止，用这种方法研制的疫苗也没能产生效果明确的抗体反应（2009年，在泰国的一次HIV疫苗临床试验中，结果显示候选疫苗能诱发一定程度的抗体反应，但效果并不显著，不能使所有受试者都产生抵抗力，而且所有的研究人员都认为该疫苗尚需改进）。

MRKAd5/HIV-1疫苗采用的是另一种研制策略。这种疫苗的作用方式不是引发强大的抗体反应，而是激活适应性免疫系统中的杀伤性T细胞。与它之前的试验疫苗相似，默克疫苗也将HIV的特异抗原插入一种更安全的病毒——5型腺病毒（type 5 adenovirus，简称为Ad5，一种常见的感冒病毒），以免引起使用完整HIV颗粒那样的安全问题。免疫学家其实也明白，即使疫苗最终成功，也无法阻止HIV感染细胞，因为要实现这个目的，还得有抗体帮忙。但是，通过激活杀伤性T细胞，杀死受到感染的细胞，这种疫苗至少把HIV的复制压制在最低程度。理论上，注射了这种疫苗后，任何人感染了HIV，都能无限期地把病毒抑制在静止状态。

这种方法确实很巧妙。这项研究也是有史以来首次针对激活T细胞、杀死HIV感染细胞的疫苗而开展的大规模临床试验。在灵长类动物中进行的初步试验强烈暗示，这种疫苗也能使人体对HIV产生一定的抵抗力。

出人意料的是，默克公司的疫苗未能奏效。尽管成功诱导出了T细胞反应，而且这种反应在75%的受试者中，也能准确向HIV感染细胞发起攻击（这确实是一个了不起的成果），但试验中期的一次分析表明，在疫苗注射组和安慰剂服用组之间，HIV感染率和人体内的病毒数量并没有什么区别。更令人震惊的是，体内已有腺病毒Ad5抗体的受试者（可能以前感染过5型腺病毒）在接种疫苗后，比安慰剂服用组似乎更有可能受到感染。

我们与美国弗雷德·哈钦森癌症研究中心的朱莉·麦克埃尔拉斯（Julie McElrath）合作，来分析默克疫苗。我们都发现，接种MRKAd5/HIV-1疫苗后的24小时内，人体内就有数千基因开始表达。这种反应与T细胞的活化数量呈指数上升是一致的。进一步分析发现，我们预料中的在先天免疫系统中起主要作用的基因，都包括在这几千个基因之内。但当我们观测体内含有Ad5抗体，也就是临床试验中HIV感染率较高的那些受试者的血液样本时，我们发现先天免疫系统活化倾向受到了明显压制。

我们怀疑，默克疫苗很可能存在一个科学家未曾料到的关键缺陷，使得受试者在与HIV感染者发生性关系，或者共用针头时容易被传染。目前，我们正在做进一步研究，看能否证实上述猜测，并弄清楚为何强烈的T细胞反应没能让受试者产生哪怕一丁点儿抵抗力。

下一步怎么走？

就目前而言，一种疫苗的配方定了以后，要检测它能否让人体产生抵抗力，系统生物学方法似乎是最好的选择。但我们的最终目标是，在设计一种疫苗时，从头到尾都能提前知晓，这种疫苗会不会触发理想的免疫反应。

科学家已经取得了重大进展——比如，他们对佐剂如何影响免疫系统已经有了一些了解。我的研究小组已经检测了一些可由各种佐剂激活的基因网络，结果明确显示，某些佐剂所激活的基因偏向于引发T细胞反应，而其他基因则倾向于合成抗体。现在，我们既对佐剂有了详细而深入的了解，也对最佳免疫反应的特征有了准确认识，只要把两种知识结合起来，我们就很有可能找到针对特定病原体的疫苗的研制策略。

我和同事相信，只有系统生物学方法，才能让我们在设计疫苗时考虑得更加周全、慎密，研究结果也更具预见性。而且，只有更好了解了人体免疫系统，我们才可能创造出能有效地对抗艾滋病、疟疾和结核病等瘟疫的疫苗。引起这些疾病的病原体，迄今击败了我们为研制疫苗所作的所有努力，但我们绝不能再让这些全球性瘟疫夺走数千万个下一代的生命。

图片：

P67

本文作者

艾伦•阿德雷姆（Alan Aderem）是世界著名免疫学家和细胞生物学家。2000年，他在美国西雅图参与创建了系统生物学研究所，目前担任西雅图生物医学研究所所长，致力于疫苗的研发。

疫苗研究

传统的疫苗设计方法需要反复进行试验。研究人员开发出他们认为应该能引起免疫反应的某种化合物后，就会在数千人中进行试验。生物学中，一个新兴的领域叫做系统生物学，该领域的相关技术可以使疫苗的开发和测试速度更快和效率更高。

免疫系统对候选疫苗的反应体现在基因活性、蛋白质水平、细胞行为等方面的变化，研究小组测量这些变化，并采用功能强大的计算机对所获得的数据进行分析，以构建这些反应的分子图谱。

把这些图谱与理想的保护性免疫反应进行比较，研究人员就能寻找找准方向，改进最有希望成功的疫苗配方。

P68~ P69

1 疫苗工作原理

2 纵深防御

3 一种疫苗要取得成功，必须在病原体感染发生前对免疫系统进行“培训”，构建针对某种病毒、细菌或其他病原体的牢固防线。最好的疫苗制剂（如完整或灭活的病毒或病毒碎片）可在免疫系统的两大“派系”（先天和适应性免疫系统）中引发多重反应。本图突出了免疫防御的一些主要步骤。机体的前沿卫士是树突状细胞，它们能快速承担全面的防御任务，在疫苗接种后立即发生反应。这些细胞会吞噬疫苗，然后将防御任务转交给专业卫士：T细胞和制造抗体的B细胞，目的是记住入侵者的特征，并能引导机体作好准备，以便在以后击退相同或相似微生物的进攻。

4树突状细胞吸收疫苗中的抗原片段。根据这些片段，免疫系统可以决定如何反应。

5 疫苗

6 树突状细胞

7 先天免疫反应

8 信号蛋白

9 树突状细胞运行到淋巴结，向其他细胞呈递抗原片段，刺激适应性免疫系统采取行动。

10适应性免疫反应

11天然杀伤性T细胞

12 杀伤性T细胞
13 被感染的细胞

14 T细胞反应：适应性免疫系统中的某些细胞变成杀伤性T细胞，能够识别和摧毁受感染的组织。其他T细胞成为“记忆性”T细胞，可在体内存在数年，在各种组织中巡逻。

15天然辅助性T细胞

16辅助性T细胞

17 B细胞

18抗体

19抗体反应：被激活的辅助性T细胞释放化学物质，影响杀伤性T细胞。辅助性T细胞也会与B细胞相互作用，促使后者产生针对疫苗抗原的抗体。有些B细胞作为“记忆性”B细胞在体内长期存在。

20 记忆性T细胞

21 记忆性B细胞

22入侵的病原体

23以后的适应性免疫反应

24以后，当有入侵者携带着与疫苗类似的抗原时，记忆性T细胞和B细胞会立即采取行动。

P70-71

1疫苗设计的新方法

2成功的疫苗是怎样的？

3 无论科学家使用哪种方法来研制疫苗，他们首先都得对一系列疫苗配方进行基础研究。本图所示的4种疫苗制品中，只有1种通过了有效性（使机体产生抗体和T细胞）和安全性测试（对人是否安全）。

4 初步研究

5 疫苗配方I

6疫苗配方Ⅱ

7 疫苗配方Ⅲ

8疫苗配方IV

9 抗体反应

10 T细胞反应
11安全

12抗体反应
13 T细胞反应

14安全

15抗体反应

16 T细胞反应

17安全

18抗体反应

19 T细胞反应
20 安全

21 传统方法

22由于免疫系统产生抗体和T细胞的方式多种多样，不是所有方式都有效，候选疫苗配方必须在很多人中进行测试。在本案例中，第一次临床研究的结果令人失望；后来的试验花费了更多的时间，结果显示添加两种化合物（即佐剂）能触发最佳的保护性免疫反应。

23 时间

24 临床试验1

25 疫苗配方

26 时间

27 系统生物学方法

28在试验初期，候选疫苗配方就会接受小规模的人体试验。利用自动分析仪测量人体内的RNA数量（每个被激活的基因的RNA拷贝数）、每种蛋白质和代谢产物（降解产物）的含量以及遗传变异，科学家可以得到免疫反应的特征图谱。研究人员会不断进行测试和调整，直到某个疫苗配方触发的免疫反应的特征图谱，与高水平的保护性免疫反应一致为止。

29 时间

30 受疫苗保护

31 不受疫苗保护

32 RNA表达水平

33 蛋白质水平

34 代谢产物水平

35 遗传变异水平

36 RNA表达水平

37 蛋白质水平

38 代谢产物水平

39 遗传变异水平

40 所需资金

41 研究结果

42 临床试验2

43自愿者数量

44 佐剂1

45 临床试验3

46 佐剂2

47 所需资金

48与期望结果相似的特征图谱

49 自愿者数量

50 疫苗配方IV

51引发温和的免疫反应

52佐剂1

53引发强烈的免疫反应

54佐剂2

55引发最强烈的免疫反应

56 临场试验1

57由于研究人员预选了一个能触发理想免疫反应的疫苗配方，最终的临床试验只需要更短的时间，但更有可能获得成功。