新型冠狀病毒肺炎免疫反應(yīng)與疫苗開發(fā)的研究進(jìn)展

付鈺倩，蘆增增，黃妙惠

（福建師范大學(xué)南方生物醫(yī)學(xué)研究中心；福建省天然免疫生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350117）

2019 年底，在中國湖北省武漢市爆發(fā)了由新型冠狀病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2）引起的呼吸道疾病，此后該病毒迅速蔓延至不同國家和地區(qū)。根據(jù)世界衛(wèi)生組織最新公布的最新數(shù)據(jù)顯示，截至2021年1月16日，全球新型冠狀病毒肺炎（corona virus disease 2019,COVID-19）累計(jì)感染超過9200萬人，造成200萬人死亡。COVID-19感染者主要表現(xiàn)為肌肉酸痛、渾身乏力，發(fā)熱、胸悶、呼吸困難等癥狀，嚴(yán)重情況下可導(dǎo)致急性呼吸窘迫綜合征及多器官功能衰竭等；這些病例的死亡率已占全球所有感染病例的約3.5%[1]；盡管病死率遠(yuǎn)低于嚴(yán)重急性呼吸綜合征（severe acute respiratory syndrome,SARS）和中東呼吸綜合征（middle east respiratory syndrome,MERS)，兩者分別為9.14%[2]和34.4%[3]；但是SARS-CoV-2具有高度傳染性（R0=1.4～3.9）[4]，且潛伏期長(zhǎng)，可以通過無癥狀感染者傳播從而可能引發(fā)超級(jí)傳播。

SARS-CoV-2 屬于冠狀病毒一大類的正向單鏈RNA病毒，其基因組全長(zhǎng)在26000～32000個(gè)堿基之間[5]；根據(jù)基因組序列分析，SARS-CoV-2與蝙蝠SARS樣CoVZXC21約89%相同，與人類SARS-CoV有82%相似性，具有與其他冠狀病毒相同的主要結(jié)構(gòu)和分子特征（如圖1），包括結(jié)構(gòu)蛋白的刺突蛋白S、包膜蛋白E、膜蛋白M和核衣殼蛋白N，這些蛋白負(fù)責(zé)病毒包膜的形成、穩(wěn)定性以及與RNA基因組相互作用[6]。病毒與宿主細(xì)胞在刺突蛋白S介導(dǎo)下，通過受體血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2）相互作用；刺突蛋白S還依賴于另一種宿主因子跨膜蛋白酶絲氨酸2(transmembrane serine protease 2,TMPRSS2)，TMPRSS2的活化可誘導(dǎo)病毒與細(xì)胞膜融合。廣泛的研究已經(jīng)揭示了病毒的起源、傳播機(jī)制和感染的臨床表現(xiàn)[7]，然而，關(guān)于SARS-CoV2的發(fā)病機(jī)理以及其與個(gè)體免疫系統(tǒng)之間的相互作用了解得不夠透徹。在COVID-19感染者中，部分個(gè)體呈現(xiàn)無癥狀，而有些患者則表現(xiàn)出嚴(yán)重的并發(fā)癥，例如間質(zhì)性肺炎和呼吸衰竭[8-9]。為了開發(fā)新的治療方案和安全可靠的病毒疫苗，我們有必要了解SARS-CoV-2的致病機(jī)理和與免疫系統(tǒng)之間相互作用的關(guān)系。

圖1 SARS-CoV-2結(jié)構(gòu)示意圖

1 SARS-CoV-2的致病機(jī)理

SARS-CoV-2 是感染人類的冠狀病毒家族中第七個(gè)成員。四個(gè)人類冠狀病毒（HCoV-229E、HCoV-NL63、HCoVOC43和HCoV-HKU1）能夠引起廣泛的上呼吸道感染，而SARS-CoV和MERSCoV引起非典型肺炎；SARS-CoV和MERS-CoV通過內(nèi)吞途徑進(jìn)入細(xì)胞，利用表面刺突蛋白S分別結(jié)合纖毛支氣管上皮細(xì)胞ACE2受體和Ⅱ型肺細(xì)胞的二肽基肽酶4（dipeptidyl peptidase 4,DPP4）受體[10]。刺突蛋白S是SARS-CoV-2最重要的表面膜蛋白，由兩個(gè)亞基S1和S2組成，并被受體TMPRSS2裂解。S1亞基中的受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)病毒與宿主細(xì)胞的附著和細(xì)胞向性，而S2亞基含有膜融合所需的基本元件，在兩個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)域七肽重復(fù)序列1和七肽重復(fù)序列2幫助下，病毒與細(xì)胞膜發(fā)生融合。病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞后，病毒RNA就會(huì)暴露出來。在細(xì)胞質(zhì)中釋放的病毒基因組RNA會(huì)翻譯兩種不同的多聚蛋白，即蛋白磷酸酶1a和蛋白磷酸酶1b。這些多聚蛋白編碼在雙膜囊泡中形成復(fù)制轉(zhuǎn)錄復(fù)合物（replication and transcription complex, RTC）的非結(jié)構(gòu)蛋白。RTC復(fù)制連續(xù)進(jìn)行，并形成亞基因組RNA集合，該亞基因組RNA負(fù)責(zé)編碼輔助蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白。新形成的病毒基因組RNA，連同核衣殼蛋白，包膜糖蛋白，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體聚集在一起，形成病毒顆粒芽，然后附著在質(zhì)膜上導(dǎo)致病毒釋放[11]。

急性SARS-CoV2感染與季節(jié)性流感非常相似，最常見的癥狀就是發(fā)燒、咳嗽、呼吸急促和肌肉酸痛[12-13]，后期可能發(fā)展為肺炎、急性呼吸窘迫和腎衰竭等[14-16]。肺部是SARS-CoV-2感染的主要部位；研究表明，感染SARS-CoV2患者的胸部CT通常在后肺和周圍肺顯示雙側(cè)毛玻璃樣混濁性病變，這是COVID-19的主要特征[17]。對(duì)死于COVID-19患者的肺、肝和心臟的活檢樣品病理研究表明，肺是主要的受影響組織，其病理變化包括Ⅱ型肺細(xì)胞增生、肺泡上皮細(xì)胞受損、透明膜和彌漫性肺泡損傷[18]。ACE2是病毒刺突蛋白S的主要受體，為SARSCoV2的捕獲和感染人類細(xì)胞提供了切入點(diǎn)。有報(bào)道指出SARS-CoV2也可以通過 DC-SIGN(CD209)、CD147和L-SIGN(CD209L）等受體進(jìn)入細(xì)胞，因此，干擾刺突蛋白S與ACE2、CD147、DC-SIGN或L-SIGN的相互作用，或者用它們基因表達(dá)的藥物可能會(huì)抑制病毒的侵襲[19]。

2 SARS-CoV-2與先天免疫系統(tǒng)

先天免疫系統(tǒng)是維護(hù)機(jī)體良好運(yùn)行的一種防御機(jī)制，可快速識(shí)別病原體的攻擊，并促進(jìn)適應(yīng)性免疫反應(yīng)發(fā)生。先天免疫系統(tǒng)主要是通過模式識(shí)別受體（pattern recognition receptor,PRR）識(shí)別病原體分子模式（pathogen-associated molecular patterns,PAMP)，包括RIG-I樣受體、Toll樣受體、NOD樣受體和宿主細(xì)胞質(zhì)中的自由分子受體等[20]。病毒感染的識(shí)別始于宿主細(xì)胞PRR對(duì)病毒核酸的檢測(cè)，通過招募接頭蛋白，由泛素連接酶和激酶向下游發(fā)出信號(hào)，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子和免疫基因的表達(dá)，如干擾素（interferon,IFN)、細(xì)胞因子和趨化因子等。

SARS-CoV 和SARS-CoV-2表現(xiàn)出高度的遺傳相似性，因此二者的免疫反應(yīng)也極其相似。IFN途徑能夠快速有效地清除病毒感染，冠狀病毒已進(jìn)化出多種機(jī)制來靶向PRR-IFN途徑中的信號(hào)傳導(dǎo)成分，干擾下游信號(hào)傳導(dǎo)或抑制特定的IFN刺激基因（ISG）產(chǎn)物[21]，使其在宿主細(xì)胞中存活。SARSCoV-2抑制先天免疫系統(tǒng)的激活從某種程度解釋了為什么流感潛伏期為1～4天，而COVID-19潛伏期一般為2～12天。研究表明，在嚴(yán)重的COVID-19病例中，血液中炎性單核細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞的數(shù)量顯著增加[22-23]，并且具有更高的IL-6/IFN-γ比值，這可能與導(dǎo)致肺損傷的細(xì)胞因子風(fēng)暴有關(guān)[24]。細(xì)胞因子大量釋放，促進(jìn)系統(tǒng)性炎癥發(fā)生，致使部分重癥患者病情急劇惡化，多器官功能迅速衰竭，危及患者生命安全。這可能也是為什么老年人和那些患有多種疾病的人更容易感染COVID-19的部分原因。目前，對(duì)于SARS-CoV-2與先天免疫系統(tǒng)的研究還在進(jìn)一步深入中。

3 SARS-CoV-2與適應(yīng)性免疫系統(tǒng)

病原體感染細(xì)胞可能觸發(fā)宿主體液免疫和細(xì)胞免疫，這是消除病毒感染所必需的。研究表明，有70%的COVID-19患者中均檢測(cè)到了病毒特異性CD4+T細(xì)胞應(yīng)答和病毒特異性CD8+T細(xì)胞應(yīng)答[25]。在COVID-19感染期間，CD8+T細(xì)胞數(shù)量減少[26]；并且在淋巴結(jié)和脾臟中檢測(cè)到細(xì)胞衰竭標(biāo)志物NKG2A、PD-1和TIM-3的表達(dá)[27-28]，這說明了SARS-CoV2在增強(qiáng)細(xì)胞退變中的作用；在一些嚴(yán)重COVID-19病例中發(fā)現(xiàn)，Th17細(xì)胞數(shù)量增加[29]，患者肺中積聚的Th17細(xì)胞可導(dǎo)致COVID-19中所見的過度炎癥[30-31]。

SARS-CoV-2 與其他冠狀病毒相似，通過下調(diào)MHC I類和Ⅱ類分子來抑制抗原提呈，抑制T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。然而，體液免疫反應(yīng)在COVID-19感染中也起著重要作用。中和抗體是由B細(xì)胞感染病毒后產(chǎn)生，可阻斷病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞，因此，中和抗體在病毒清除中起著至關(guān)重要的作用。由SARSCoV-2引起的體液免疫反應(yīng)主要由針對(duì)病毒表面糖蛋白的抗體介導(dǎo)，主要是刺突蛋白S和核衣殼蛋白E。研究表明，在大多數(shù)感染者癥狀發(fā)作后的一到兩周內(nèi)可檢測(cè)到SARS-CoV-2特異性IgM和IgG抗體；COVID-19患者外周血漿細(xì)胞出現(xiàn)頻率顯著增加，而且中和抗體反應(yīng)的程度與疾病的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。此外，中和抗體滴度與年齡也有相關(guān)性；因此，中和抗體可能成為疫苗開發(fā)的關(guān)鍵因子。關(guān)于SARS-CoV-2的免疫反應(yīng)還有許多問題有待進(jìn)一步解釋，通過不斷提高對(duì)適應(yīng)性免疫系統(tǒng)與SARSCoV-2的關(guān)系理解有助于研發(fā)更加有效的疫苗和制定治療策略。

4 疫苗開發(fā)

疫苗是控制疾病最經(jīng)濟(jì)有效的一種手段，是對(duì)抗病毒最有效、長(zhǎng)期的可持續(xù)措施；但不同于常規(guī)藥物的研制，疫苗的安全性是首要考慮的，因而往往任何一種疫苗的研發(fā)周期都可能需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。由SARS-CoV-2引成的大流行病已經(jīng)造成了全球人道主義和經(jīng)濟(jì)危機(jī)，多次報(bào)道表明SARS-CoV-2可以通過無癥狀感染方式進(jìn)行傳播[32]，研究還發(fā)現(xiàn)有COVID-19患者在24天后才檢測(cè)出SARS-CoV-2陽性[33]，間接說明了為什么此次疫情能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速引起全球大流行趨勢(shì)，這對(duì)于病毒感染的控制極具挑戰(zhàn)；在疫苗尚未成功實(shí)施全球疫苗接種之前，這種流行病很難得到真正遏制，因此快速研發(fā)出一種高效、安全的COVID-19疫苗至關(guān)重要。

在開發(fā)COVID-19疫苗產(chǎn)品時(shí)，要著重考慮到三個(gè)關(guān)鍵因素：一是最大限度地減少免疫排斥；二是能適用于任何人群，尤其是超過60歲且存在多種基礎(chǔ)病并發(fā)癥的老人；三是方便儲(chǔ)存，保證疫苗的穩(wěn)定性。世衛(wèi)組織數(shù)據(jù)顯示，截至2020年年底，全球正在進(jìn)行研發(fā)的新冠疫苗共有200多種，其中60多種進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，進(jìn)入臨床三期試驗(yàn)階段的有15種。根據(jù)疫苗研發(fā)技術(shù)平臺(tái)的不同，我們總結(jié)了以下4種不同技術(shù)路線的COVID-19疫苗研發(fā)進(jìn)展（表1）。

表1 COVID-19疫苗研發(fā)進(jìn)展

滅活疫苗是最經(jīng)典、成熟的一種技術(shù)路線，是指在體外使用滅活的病毒輸入到體內(nèi)刺激人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，這類疫苗安全性高，常需多次接種。目前我國已有3款滅活疫苗進(jìn)入臨床研究階段，包括兩款國藥集團(tuán)公司和一款科興中維的滅活疫苗。

病毒載體疫苗是通常以改造后的其他病毒（如腺病毒）作為運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)的載體，轉(zhuǎn)入細(xì)胞內(nèi)表達(dá)病毒蛋白，從而在體內(nèi)產(chǎn)生免疫反應(yīng)。我國陳薇院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的腺病毒載體重組新冠病毒疫苗是我國首個(gè)進(jìn)入臨床研究的新冠疫苗；英國牛津大學(xué)研發(fā)的ChAdOx1載體疫苗也已進(jìn)入Ⅲ期臨床。

核酸疫苗常指RNA和DNA疫苗，是一種使用經(jīng)過基因工程改造的RNA或DNA生成蛋白質(zhì)的前沿方法，利用此種蛋白質(zhì)安全地引發(fā)免疫反應(yīng)。目前已有7款mRNA疫苗進(jìn)入臨床階段，美國Moderna公司，輝瑞與BioNTech合作的mRNA疫苗均已緊急獲批使用；美國INOVIO公司研發(fā)的DNA疫苗已進(jìn)入Ⅲ期臨床。

基因工程亞單位疫苗是通過基因工程的方法，將病毒中具有免疫活性的“亞單位”輸入體內(nèi)，來激活機(jī)體產(chǎn)生針對(duì)病毒的特異性免疫。目前有美國Novavax研制的重組蛋白疫苗，中國科學(xué)院與智飛生物聯(lián)合研制的新冠疫苗。

盡管從目前公布的初步臨床數(shù)據(jù)來看，每種疫苗策略都有它的優(yōu)缺點(diǎn)；但最重要的是繼續(xù)快速推進(jìn)多種疫苗研發(fā)策略向前發(fā)展，評(píng)估其安全性和有效性，最終達(dá)到消滅新冠病毒的目的。當(dāng)前，在各國政府、公司、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和世衛(wèi)組織的大力支持下，新冠疫苗正以前所未有的速度向人們走來。

5 展望

在過去的短短一年內(nèi)，COVID-19在全球范圍內(nèi)迅速蔓延，呈指數(shù)型增長(zhǎng)，這是一場(chǎng)極其嚴(yán)重的公共衛(wèi)生危機(jī)。了解COVID-19結(jié)構(gòu)和致病機(jī)理有助于我們及時(shí)采取下一步措施。SARS-CoV-2與個(gè)體免疫系統(tǒng)的密切相互作用導(dǎo)致了COVID-19多種臨床表現(xiàn)。研究SARS-CoV-2如何修飾天然免疫細(xì)胞中的基因表達(dá)，SARS-CoV-2感染期間免疫系統(tǒng)發(fā)揮的作用，對(duì)于確定如何調(diào)節(jié)并改善患者預(yù)后的免疫調(diào)節(jié)療法和探討發(fā)病個(gè)體差異性十分必要。報(bào)道指出，解決IFN逃避機(jī)制和防止病毒免疫逃避可以有效提高病毒清除率。IL-6具有促炎和抗炎作用，也是COVID-19患者細(xì)胞因子風(fēng)暴的主要驅(qū)動(dòng)因素；在疾病晚期，阻斷IL-6可以減少病毒引起的過度炎癥反應(yīng)，這有利于尋找新的潛在治療方法。

不管是SARS-CoV-2，還是未來爆發(fā)的類似冠狀病毒，對(duì)COVID-19恢復(fù)個(gè)體的免疫和長(zhǎng)期記憶的評(píng)估可能有助于設(shè)計(jì)一種潛在的預(yù)防和治療藥物。此外，通過二代測(cè)序找到關(guān)于COVID-19臨床特征和開發(fā)藥物研究的關(guān)鍵信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善對(duì)SARS-CoV-2的病理學(xué)和流行病學(xué)特點(diǎn)的深入研究。

此次疫情的嚴(yán)重性已經(jīng)重新塑造了我們的社會(huì)，不僅影響了全球經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療系統(tǒng)以及人與人之間的互動(dòng)方式，某種程度上也改變了大家的生活方式。回顧21世紀(jì)以來，我們必須清醒地意識(shí)到，從2000年代的SARS、2010年代的MERS和現(xiàn)在的COVID-19，我們所生存的環(huán)境每十年都有一種新的冠狀病毒流行病發(fā)生。BioNTech首席執(zhí)行官Ugur Sahin說，“我們需要習(xí)慣以后還會(huì)爆發(fā)更多疫情”。因此構(gòu)建和推進(jìn)疫苗研發(fā)平臺(tái)的發(fā)展，尤其是推進(jìn)冠狀病毒疫苗的開發(fā)、制造和儲(chǔ)存，是保障全球安全的重要舉措。

經(jīng)過全球科研人員的不懈努力，截至2020年年底已有多種疫苗上市并投入使用。2020年12月31日，國藥集團(tuán)新冠滅活疫苗獲得國家藥監(jiān)局批準(zhǔn)上市。包括中國在內(nèi)的疫苗上市為全球戰(zhàn)勝疫情注入信心，也為疫苗成為全球公共產(chǎn)品提供有力支撐。疫苗的上市給大家打了一針強(qiáng)心劑，與此同時(shí)我們也要加快其他藥物研發(fā)的速度，以防止疫苗效價(jià)低于預(yù)期和降低發(fā)病率和死亡率[34]。然而當(dāng)前疫苗接種也存在一些問題，如接種疫苗后，保護(hù)將持續(xù)多久；接種疫苗能比自然感染后是否獲得更好的免疫原性；老人、免疫功能低下者和患有基礎(chǔ)病者對(duì)疫苗有效性和副作用風(fēng)險(xiǎn)的影響；以及如何實(shí)現(xiàn)疫苗的公平分配等；這些都是今后各國政府和科學(xué)家們急需解決的。

當(dāng)前形勢(shì)下，全球范圍內(nèi)必須繼續(xù)實(shí)施社會(huì)距離和適當(dāng)?shù)男l(wèi)生預(yù)防措施，比如穿戴個(gè)人防護(hù)設(shè)備、控制人流量。此外，政府、科學(xué)家們應(yīng)該利用傳統(tǒng)或社交媒體等方式做好進(jìn)展匯報(bào)和科普工作，人們要相信政府、相信科學(xué)，不造謠、不傳謠。我們也要以這場(chǎng)疫情為警惕，做好應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的準(zhǔn)備。在全球化快速發(fā)展的時(shí)代，國與國之間必須攜手合作。中國在這次疫情中展現(xiàn)了大國擔(dān)當(dāng)，第一時(shí)間分享了抗疫方案，始終對(duì)疫苗國際合作持開放態(tài)度，也承諾將疫苗作為一種“全球公共產(chǎn)品”向世界各國提供。

未來的路還很漫長(zhǎng)，但我們有理由相信終有一天我們一定能夠戰(zhàn)勝疫情！