未来流感疫苗不用年年打?可对抗异株病毒的单糖化疫苗

2020年新冠肺炎(新冠肺炎,COVID-19)肆虐全球,与此同时,人类与流感病毒的战争也没有停过,因为传统疫苗无法对付年年变异的流感病毒。中央研究院基因体研究中心翁启惠院士和马彻研究员的研究团队,成功利用鸡蛋制造单糖化的流感疫苗,可对抗异株的流感病毒,保护效果比传统疫苗高3~4倍,研究成果于2019年2月获刊于《美国国家科学院院刊》(PNAS)。

流感病毒知多少?

流感是由病毒引发的传染病,几乎每个人都得过流感,但你亲眼看过这些磨人的小东西吗?

流感病毒直径约80~120纳米,入侵细胞全靠外套膜的两种糖蛋白:一种是血凝集素(Hemagglutinin,HA),能帮助病毒黏附宿主细胞,一种是神经胺酸酶(Neuraminidase,NA),帮助病毒在宿主细胞内繁殖后离开、持续在宿主体内扩散。

会感染人类的流感病毒又分为A、B、C三型:

A型病毒的HA共18种(H1~H18),NA共9种(N1~N9),不同的HA和NA可组成不同亚型(subtype),如H1N1表示有HA1和NA1两种蛋白质,常感染人类的有H1N1、H3N2两种。

A型流感病毒的变异很快,且可能在人群迅速传播造成严重疫情,像1918年西班牙H1N1流感大流行,导致全球至少2千万人死亡,宛如中世纪黑死病。

B型病毒没有亚型,也不会快速变异,虽会导致大流行,不会导致严重疫情。C型也没有亚型,感染后只出现轻微症状,不会导致大流行。

人类在1944年发明第一剂A型流感疫苗,终于有了武器控制流感大流行,但这场人与病毒的战争并未真的结束。因流感疫苗可是唯一需要年年改换病毒株的人用疫苗。

WHO年年选株,是在选什么?

流感病毒在全球传播后,在不同的地区可能变异成新的病毒株(strain),如B型流感有维多利亚株、山形株,A型流感有H1N1加州株、H3N2维多利亚株等,导致旧的疫苗失效。

为了对抗不断变化的流感病毒,世界卫生组织(WHO)在各国设有侦测中心,从各处的病患和鸟类身上采样、搜集流感病毒信息,然后每年召开北、南半球的季节性流感疫苗选株会议,预测明年可能流行的两种A型病毒株、两种B型病毒株,通常于来年2月公布北半球的选株结果,以便制作当年流感疫苗,台湾地区通常于10月开打。

WHO每年会从B型流感病毒、A型流感病毒第一群、第二群的病毒株中,分别选出可能流行的病毒株,将它们放进鸡蛋培养,再经过纯化、去活性、提炼等等步骤,制作成流感疫苗。如果猜对了,人们只要打过疫苗,就能不致染病或减轻病情,但如果猜错了,疫苗保护力大减,恐将引发大流行。

如果猜对了,打疫苗约有70%保护力。但预测常赶不上病毒变化。一旦猜错,只剩20%~30%保护力,恐导致全球大流行。因此全球科学家一直希望找出广效性流感疫苗,可对抗所有流感病毒株。

这件事异常困难,因为病毒的HA和NA太常发生突变,同一亚型、不同株的变异程度只要有5%~20%,即可能让疫苗保护力失效。如何解决病毒一直变异、疫苗无法有效保护的问题?翁启惠与马彻的研究团队发现,可从破解HA的构造开始。

戴着糖面具的流感病毒

仔细观察,HA的外形像蘑菇,分为膨大的“顶部”和固定在外套膜的较细“茎部”,通常免疫系统只能识别HA顶部,目前流感疫苗多半也是利用HA顶部为抗原,诱发免疫系统生产抗体。但HA顶部非常容易发生突变,所以选株才会这么困难。马彻团队则另辟蹊径,从HA不容易变异的茎部下手。

原来流感病毒很狡猾,会奴役宿主细胞帮忙做出一颗颗糖,黏在自己的HA上,通常茎部的糖分子比顶部更多。病毒利用这些糖分子为伪装,好像戴上糖面具,让免疫系统误以为病毒是“自己人”。

HA糖蛋白结构,蓝色部分即为糖面具,左为原本布满糖分子的结构,右为研究员拿掉大多数糖分子后、还原HA的真面目。

“病毒传播时,HA茎部有许多糖盖住形成保护膜,不易被宿主侦测,因此这些部位变异的压力小,氨基酸串行的变异也较小。”马彻点出关键:“换句话说,不同病毒株的HA茎部变异应该不大。”

马彻团队进一步发现,如果将流感病毒HA茎部附近的糖拿掉,将这部分片段制成疫苗,如同揭去病毒的“面具”(糖),让宿主的免疫系统识别病毒的“脸”(HA的茎部)。

这么一来,即使病毒换几顶新款式的帽子(HA的顶部变异)也无妨,免疫系统依然能认出病毒的脸(HA的茎部)。

全糖、微糖,还是半糖?

他与研究团队随即展开新型流感疫苗的研发,选择一般流感疫苗制程──以鸡蛋培养病毒,只修改两个步骤:鸡蛋里加入抑制剂,打断病毒制糖过程、做到一半就停止,再加入像剪刀的酵素,剪去多余糖,使HA只剩一颗单糖。经过不断尝试,终于成功研发出单糖化的流感疫苗。

细心的读者可能会发现:既然要去除病毒的伪装,为何不干脆把全部糖分子去掉,留一颗“单糖”呢?翁启惠院士在糖分子研究曾发现,细胞不是做完蛋白质才开始装糖分子,而是一边做一边装,第一颗糖分子对糖蛋白的折叠过程很重要,能决定糖蛋白结构。马彻也发现如果把糖全部切掉,HA稳定度不好,所以决定让病毒先制作糖,HA折叠正确,再加入抑制剂和酵素,剪去多余糖,只留下一颗。

他们将单糖流感疫苗打到小鼠、雪貂身上,证实诱发的免疫反应变好,不但抗茎部抗体(anti-stem antibodies)变多,抗体媒介细胞毒杀作用(Antibody-dependent cellular cytotoxicity,简称ADCC,指抗体能和巨噬细胞、杀手细胞结合,把被病毒感染的细胞清除)的效果也提高。

马彻表示,“虽然只把现有疫苗做小修改,却能获得更大保护力。同亚型但不同病毒株的茎部变异较小,单糖流感疫苗对于同一亚型可通用,未来如果把流感疫苗的四价(4种病毒株)都开发单糖化,就不用每年改成分,只要等病毒变化很大再更新即可。”研究成果于2019年2月获刊于《美国国家科学院院刊》。

2020年7月,团队再传捷报。博士后研究员廖心瑜将两种不同病毒株(H5和H1)的蛋白质,结合成一个头部含有公用H5串行、茎部含有公用H1串行的嵌合蛋白,再辅以上述的单糖化技术,研发出“单糖化嵌合血凝集素蛋白疫苗”,可预防各种异株和亚型的A型流感病毒感染人体,同样获登《美国国家科学院院刊》。相信未来翁启惠和马彻团队还有更多的好消息,逐步实现广效性流感疫苗的梦想。

博士后研究员廖心瑜将来自两种不同病毒株(H5和H1)的蛋白质,结合成一个头部含有公用H5串行、枝干含有公用H1串行的嵌合蛋白,再辅以上述的单糖化技术(蓝色为糖类),研发出“单糖化嵌合血凝集素蛋白疫苗”,可预防各种异株和亚型的A型流感病毒感染人体。

意外的发现+科学家的洞见

回首这些突破性研究的灵感来源,马彻微笑“老实说”:“其实一开始,我压根没想到这可开发出流感疫苗。”

马彻博士班的研究领域为蛋白质结构学,对流感病毒并不熟悉。2004年他进入中研院,那时基因体研究中心刚成立,时任主任的翁启惠召集各实验室研究流感、抗药性细菌感染和癌症,马彻才开始接触流感病毒,并负责研究蛋白质结构。

一次偶然的发现,他注意到HA这种糖蛋白很怪异:“HA会跟宿主的糖分子结合,但自己的表面又有一堆糖,这些糖是要做什么用?对HA的功能有什么影响吗?”出自好奇心的驱使,他把HA上的糖从外面依次越切越短,有的切到只剩下一颗糖,观察带有不同数量糖分子的HA跟细胞结合的状况。

结果发现,当HA的糖越少,跟细胞结合力越好。这个结果引起他更大疑惑:“既然如此,HA干么要装那么多糖呢?”继续研究后发现:HA的糖分子能形成伪装、躲避免疫系统攻击。于是他尝试在实验室制造两种HA,一个带糖,一个不带糖,送去生产抗体试剂,再进行简单测试,果然发现不带糖的HA抗体反应性很高。

当马彻在会议报告完这项“有趣的”实验发现,翁启惠立刻说:“这会是个好疫苗!”“那次翁老师说完后,现场二、三十个人包括我,根本不知道他在讲什么,全场都傻眼。”但马彻想了一下,终于恍然大悟:病毒利用糖分子伪装自己,如果去掉这些糖分子,应该能诱发更好的免疫反应。马彻回忆:

那次经历让我真正感受到科学家见微知着的能力,翁启惠老师只看到一点点线索,就能跳跃好几步思考。

“中研院最重要的角色就是做基础研究,但所有应用都从基础研究来的。有时并不是计划或预期的发现,却可能有很棒的应用。”马彻总结:“我觉得当科学家很幸运好玩,即使研究流感已十几年,仍有许多未知等待被发现。”

正是马彻永无止境的好奇心、翁启惠专业知识累计来的深刻洞见,共同催生这场流感疫苗的大革命。

中研院基因体研究中心研究员暨化学生物学组首席执行官马彻,为翁启惠院士领导研究团队重要成员,致力开发广效性流感疫苗。

(本文转载自研之有物;首图来源:shutterstock)

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