世界艾滋病日：艾滋病疫苗的发展历程及研究进展

来源：BioWorld

人类历史上，爆发过很多重大传染病，像天花、霍乱、西班牙流感、黑死病、鼠疫等等，动辄造成过成百上千万人的死亡。随着科学的进步，疫苗的开发，人类战胜了这些肆虐人间的传染病魔。但是，一个于1981年6月5日首次发现的新型传染病却迅速给人类带来的沉重的灾难和巨大的恐慌。

艾滋病是获得性免疫缺陷综合征的简称，由感染HIV病毒引起。HIV是一种能攻击人体免疫系统的病毒，它把人体免疫系统中最重要的CD4 T淋巴细胞作为主要攻击目标，大量破坏该细胞，经过数年、甚至长达10年或更长的潜伏期后发展成艾滋病病人，使人体丧失免疫功能，因抵抗力极度下降会出现多种感染，后期常常发生恶性肿瘤，以至全身衰竭而死亡。

1981年6月5日，美国疾病预防控制中心第一次报道艾滋病，目前全世界有3690万人感染艾滋病，死亡人数达到1200万，其中中国有75万左右艾滋病患者，艾滋病危害极大，死亡率极高，对全人类的健康产生了极大的威胁，全世界众多医学研究人员付出了巨大的努力，但至今尚未研制出根治艾滋病的特效药物，也还没有可用于预防的有效疫苗。

1.国际艾滋病疫苗的发展主要阶段及研究目标（三个十年）

图1.HIV疫苗发展阶段及研究目标

第一代疫苗主要以体液免疫为目标， Vaxgen公司参照了默克公司乙肝膜蛋白疫苗的成功经验研制了HIV膜蛋白疫苗AIDSVax，即HIV外膜糖蛋白gp120的重组体，但是在志愿者中进行的试验表明，该疫苗不能预防感染的发生，最终以Ⅲ期临床试验的失败而告终[1，2]。

第二代疫苗主要以细胞免疫为目标， 多采用DNA疫苗和病毒载体的技术， 诱导机体产生杀伤T细胞。默克公司和美国NIH疫苗研究中心以非复制型5型腺病毒(Ad5)载体研制的疫苗，在北美、南美、加勒比海和澳大利亚以及南非进行的临床试验研究表明该疫苗不能预防HIV感染，也不能降低接种疫苗的志愿者感染HIV后的病毒水平，甚至还增加了HIV感染的风险[3] ，均以失败告终。

第三代疫苗主要以综合免疫为目标，由美国军方、泰国公共卫生部等机构联合从2003年在泰国开始实施的RV144 Ⅱb期临床试验，该试验的研究策略建立在之前两个失败的艾滋病疫苗研究基础上，美国NIH组织Aventis Pasteur公司的痘病毒载体疫苗ALVAC与Vaxgen公司AIDSVax疫苗联合，采用“初免-增强”(Prime-Boost)免疫策略，让第一株疫苗ALVAC负责刺激免疫系统，使其做好攻击艾滋病病毒的准备，第二株疫苗AIDSVAX则加强攻击力度，负责增强免疫发应。经过6年的测试后，获得了31%的保护效果[4]。尽管疫苗因保护率低未能上市， 但首次在人体显示了效果。HIV疫苗的研究路线完成了从抗体到细胞免疫， 再转回到抗体免疫，人类战胜艾滋病的道路依然漫长。

2.HIV疫苗创新研究的新进展和新动向

1） HIV广谱中和抗体（中和谱>90%）VRC01系列的发现

使用单细胞分选和二代测序等技术， 2010年Gary J. Nabel和 John R. Mascola在Science上发表文章，他们从少数HIV感染者中发现了以VRC01为代表的超强广谱中和抗体(bNAbs)（图2左）， 同时Peter D. Kwong解析了VRC01-gp120的晶体结构，证明VRC01能“绑定”HIV-1结合CD4受体的表位（图2右绿色区域），把既往单抗仅中和20%~30%全球流行株的中和谱提升到90%以上[5，6]。

图2.VRC01中和谱及识别靶向gp120的位点

2）反向疫苗学

大量超强bNAbs的发现、结构解析和功能研究， 推动了HIV反向疫苗学研究。结构生物学家设计出大量仅与特定结构的bNAb结合、有极高亲和力的新免疫原。然而， 用其免疫动物后都无法诱导出同样的中和抗体[7]. 这些实验说明， 使疫苗能与目标抗体结合的抗原性与用其诱导出同类抗体的免疫原性是完全不同的属性，免疫原并不完全等同于抗原。因而， 当前HIV反向疫苗学研究只进展到半程。研究发现， 在感染了HIV的患者中，有极少一部分人能够产生对抗HIV的高效广谱中和性抗体，并且这些抗体的VDJ区经历了高达30%的体细胞高突变并且引入了许多缺失或插入片段， 而其他病毒的中和抗体从胚系到成熟最多只有5%左右。这说明HIV bNAb的产生是漫长的过程， 如何缩短这一过程也是目前困扰科学研究者的难题及研究热点。

3）单个特异性B细胞分选

对外周血单核细胞（PBMC）进行CD4结合位点探针标记，筛选出单个特异性记忆B细胞，成功获取抗体基因序列。

4）基于B细胞系统成熟进化的疫苗免疫原设计

首先从HIV-1感染的受试者的外周血或组织中分离出广谱中和性抗（BnAbs），然后推断出中间态抗体（IA）和未突变的初始抗体（UA），最后用这些UAs和IAs作为模板，设计高亲和力的免疫原。这种方法为HIV-1疫苗免疫原设计提供了一条新的途径[8]。

图3.基于B细胞系统免疫原设计的步骤

5）复制型病毒载体HIV疫苗的兴起

中国疾病预防控制中心艾滋病首席专家邵一鸣教授2017年在《科学通报》对此做出了详细的说明。中国疾病预防控制中心学者依托全国疾控网络筛选出HIV疫苗株CN54， 通过与中国农业科学院合作， 按照EIAV疫苗改造HIV抗原，进一步拓宽了诱导中和抗体的能力。通过与北京生物制品研究所合作，以我国复制型痘苗病毒天坛株(我国消灭天花的疫苗株)为载体研制的HIV疫苗，可保护恒河猴(Macaca mulatta)抵御SHIV病毒的攻击。在国家科技重大专项支持下，该疫苗已顺利完成Ⅰ期和Ⅱ期临床试验，正准备在向Ⅱb/Ⅲ期临床试验迈进。在当前关注复制型病毒载体的HIV疫苗的浪潮中，我国暂居领先位置(图4) [9]。

图4. HIV疫苗复制型载体国际临床试验

3. 艾滋病疫苗研发仍面临的技术挑战

1） HIV自然感染人群产生广谱中和抗体存在的问题分析：

人数太少（<5-10%），无法为大多数人提供免疫保护，产生时间太晚（>3-5年），无法在常规免疫接种时间内完成。

2）现有疫苗无法在受试人群诱导出广谱中和抗体存在的问题分析：

HIV毒株量大高变异，疫苗厂家只生产有限毒株疫苗，HIV广谱中和抗体的体细胞突变率（15-30%）远高于其他病毒（<10%）。

3) 反向疫苗学设计的免疫原可与广谱中和抗体结合，但无法诱导出同类抗体

即抗原性不等同于免疫原性。

从艾滋病疫苗研究到现在的三十多年中，可谓命途多舛。完成了最初的以抗体研究为主到细胞免疫为主，再转回到抗体研究的轮回。目前的挑战及热点是如何缩短广谱中和性抗体从胚系到成熟这一过程，使其能在短期内诱导出HIV感染者需数年才能产生的广谱中和抗体。 

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参考文献：

[1] Flynn N M, Forthal D N, Harro C D, etal. Placebo‐Controlled Phase 3 Trial of a Recombinant Glycoprotein 120 Vaccineto Prevent HIV‐1 Infection. J INFECT DIS, 2005, 191: 654-665 

[2] Pitisuttithum P, Gilbert P, Gurwith M,et al. Randomized, Double‐Blind, Placebo‐Controlled Efficacy Trial of aBivalent Recombinant Glycoprotein 120 HIV‐1 Vaccine among Injection Drug Usersin Bangkok, Thailand. J INFECT DIS, 2006, 194: 1661-1671 

[3] Buchbinder S P, Mehrotra D V, Duerr A,et al. Efficacy assessment of a cell-mediated immunity HIV-1 vaccine (the StepStudy): a double-blind, randomised, placebo-controlled, test-of-concept trial.Lancet, 2008, 372: 1881-1893 

[4] Rerks-Ngarm S, Pitisuttithum P,Nitayaphan S, et al. Vaccination with ALVAC and AIDSVAX to Prevent HIV-1Infection in Thailand. N Engl J Med, 2009, 361: 2209-2220

[5] Wu X, Yang Z Y, Li Y, et al. RationalDesign of Envelope Identifies Broadly Neutralizing Human Monoclonal Antibodiesto HIV-1. Science, 2010, 329: 856-861 

[6] Zhou T, Georgiev I, Wu X, et al.Structural Basis for Broad and Potent Neutralization of HIV-1 by AntibodyVRC01. Science, 2010, 329: 811-817

[7] Kwong P D, Mascola J R, Nabel G J.Rational design of vaccines to elicit broadly neutralizing antibodies to HIV-1.Cold Spring Harb Perspect Med, 2011, 1: 2011–2018

[8] Haynes BF, Kelsoe G, Harrison SC,Kepler TB. B-cell-lineage immunogen design in vaccine development with HIV-1 asa case study. Nat Biotechnol., 2012 May 7;30(5):423-33

[9] 邵一鸣,艾滋病疫苗的科学挑战和应对策略,《科学通报》 , 2017 (17)。