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針對嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2變異株Omicron的疫苗研究進展*

2022-05-23 07:43劉明婭戚菲菲鮑琳琳
生物化學與生物物理進展 2022年5期
關(guān)鍵詞:滴度中和活疫苗

劉明婭 戚菲菲 鮑琳琳

(中國醫(yī)學科學院醫(yī)學實驗動物研究所,北京協(xié)和醫(yī)學院比較醫(yī)學中心,國家衛(wèi)生健康委員會人類疾病比較醫(yī)學重點實驗室,新發(fā)再發(fā)傳染病動物模型研究北京市重點實驗室,北京市人類重大疾病實驗動物模型工程技術(shù)研究中心,國家中醫(yī)藥管理局人類疾病動物模型三級實驗室,北京 100021)

恒河猴(Macaca mulatta),傳染病、行為學、神經(jīng)科學和免疫學研究的重要模式動物。

嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2(SARS-CoV-2)作為RNA 病毒,其在基因組復制過程中不斷發(fā)生遺傳密碼變化(基因突變),演化出一系列變異體。當前WHO 報告了多種SARS-CoV-2 關(guān)切變異株(VOCs),包括Alpha(B.1.1.7)、Beta(B.1.351)、Delta(B.1.617.2) 和Omicron(B.1.1.529)等[1]。2021年11月,Omicron突變株首次在南非發(fā)現(xiàn),并迅速席卷全球。相比原始毒株,Omicron變異株在S 段有36 處突變,其受體結(jié)合域RBD 段有15 處突變[2]。

1 Omicron突變株流行情況

1.1 人群中的流行情況

Omicron 突變株迅速取代Delta 突變株在全世界范圍內(nèi)流行,且在流行過程中不斷進化,目前已出現(xiàn)55 種Omicron 亞型[3],流行情況由主流分支BA.1 轉(zhuǎn)化為現(xiàn)如今主導的BA.2 亞型[4-6]。當前每日新增新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)確診患者中約有90%以上為Omicron突變株感染者[1]。研究表明,SARS-CoV-2 原始株在武漢流行時R0=2.5,Delta突變株R0=5.08,Omicron突變株BA.1R0=7.0,BA.2R0約為9.1[7-8],相比于D614G、Beta 和Delta突變株,Omicorn突變株的感染力與傳播能力顯著增強。然而,Omicron突變株的重癥病例與死亡人數(shù)顯著降低。流行病學統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),與Delta 突變株相比,感染Omicron 的患者住院率約下降60%,ICU 住院率下降50%,死亡風險降低70%[9-11]。這些調(diào)查結(jié)果均表明,與以往流行的毒株相比,Omicron突變株的傳播力增強,致病力減弱。

1.2 動物模型中的致病力比較

為了進一步探究Omicron 變異株致病力的變化,研究者建立了Omicron 感染的小鼠和倉鼠模型,并從病毒學、病理學和免疫學等方面進行對比分析。由于Omicron 變異株在RBD 受體結(jié)合域有多個關(guān)鍵位點(如K417、E484、Q493、Q498 和N501)的突變,因此與以往的SARS-CoV-2動物模型相比,Omicron感染的動物模型在適應(yīng)性方面也發(fā)生變化。SARS-CoV-2501 位點突變可能賦予SARS-CoV-2 突變株跨物種傳播的能力[12-14],研究發(fā)現(xiàn),Omicron突變株可直接感染野生型小鼠。且與Beta 突變株相比,BALB/c 小鼠感染Omicron 突變株后鼻甲和肺組織病毒載量和滴度均顯著下降。同時,在對K18-hACE2 轉(zhuǎn)基因小鼠的研究中也發(fā)現(xiàn),感染原始病毒株和Beta 突變株后,K18-hACE2 轉(zhuǎn)基因小鼠的體重減輕,肺組織中檢測到較高的病毒載量。而K18-hACE2 轉(zhuǎn)基因小鼠感染Omicron突變株后,體重并未減輕,且肺組織病毒載量顯著降低,CXCL1、IL-12 等炎性細胞因子表達水平也顯著下降[15]。

金黃倉鼠的ACE2 受體與人類ACE2 受體具有高度同源性,倉鼠感染SARS-CoV-2 后的病程較長,可模擬重癥患者,用于疫苗、藥物的評價以及恢復期治療措施的評估。使用倉鼠比較不同毒株的致病力,發(fā)現(xiàn)與原始病毒株、Beta 和Delta 突變株相比,倉鼠感染Omicron突變株后臨床癥狀與肺部病變程度明顯減輕。感染原始株、Beta 或Delta 突變株后,倉鼠的體重下降約10%~15%,而感染Omicron突變株后,倉鼠體重并未減輕,且在6 dpi時僅觀察到肺泡和支氣管周圍區(qū)域的輕微病變。與感染Delta 突變株相比,倉鼠感染Omicron 后,肺部的病毒復制效率和肺炎嚴重程度均明顯降低。另外,研究者們建立了K18-hACE2 轉(zhuǎn)基因倉鼠,也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果,與感染D614G 病毒株相比,Omicron感染后轉(zhuǎn)基因倉鼠的體重下降和死亡情況均明顯減輕,肺部病毒載量降低至原來的1/1000~1/10000[16]。

以上對于Omicron突變株感染的動物模型研究表明,與原始病毒株及Beta、Deta突變株相比,感染Omicorn突變株后小鼠和倉鼠的臨床癥狀、病毒復制和肺部病變均明顯減輕,Omicron突變株的致病力下降。通過人群中的統(tǒng)計調(diào)查與實驗室數(shù)據(jù),初步了解Omicron 突變株的傳播力和致病力的變化。另外,研究表明利用高通量酵母展示篩選技術(shù)發(fā)現(xiàn),85%的RBD 靶向單克隆抗體被Omicron 突變株逃逸[17],變異株單個位點突變和協(xié)同突變均可能降低疫苗和抗體的保護作用。因此當前的疫苗是否還能繼續(xù)發(fā)揮保護作用及其保護效力如何成為人們密切關(guān)注的問題。

2 接種現(xiàn)有疫苗對Omicron的保護作用

2.1 人群中疫苗接種情況

當前上市使用的COVID-19疫苗主要包括滅活疫苗、mRNA 疫苗、腺病毒載體疫苗和重組蛋白疫苗幾種,其中滅活疫苗接種最多(占比41%;科興CoronaVac 占22%,中國生物BBIBP-CorV 占19%),其次是mRNA 疫苗(占比24%;輝瑞B(yǎng)NT162b2 占19%,莫德納mRNA-1273 占5%)和腺病毒載體疫苗(牛津-阿斯利康ChAdOx1 nCoV-19占比17%)[18-19],現(xiàn)階段全世界接種疫苗劑次已超過100億[20]。

研究發(fā)現(xiàn)接種兩針滅活疫苗(CoronaVac)1 個月后,血清針對Omicron 的中和抗體幾何平均滴度(GMT)均小于8,血清轉(zhuǎn)換率僅為3.3%(2/60)[21];接種兩針滅活疫苗(BBIBP-CorV)14 d 后,80%(8/10)的接種者血清針對Omicron的中和抗體滴度(NT50)低于檢測下限,血清針對原始病毒株、Beta、Delta 和Omicron 的GMT分別為1∶67.4、1∶8.85、1∶35.07 和1∶6.04,針對Omicron 突變株的GMT分別下降至原始病毒株和Delta 突變株的1/11 和1/7[22]。接種兩針mRNA 疫苗(BNT162b2)2~4周后,血清中對Omicron突變株的中和抗體滴度分別降至原始病毒株和Beta 突變株的1/30 和1/5.4[23]。使用病例對照研究評估接種兩針mRNA 疫苗(mRNA-1273)不同時間后的有效性,隨著時間延長,有效性顯著降低,接種14~90 d、91~180 d 和大于270 d 時有效性分別為44.0%、23.5%和5.9%[24]。接種兩針滅活疫苗和mRNA 疫苗后,血清針對Omicron 突變株的GMT分別為7和17,與野生株相比,平均下降至原來的1/10和1/30,兩種疫苗的保護效果均顯著下降。

COVID-19 疫苗的完全接種可能已經(jīng)無法對Omicron提供有效的保護,接種兩針疫苗(多種技術(shù)路線的疫苗)后血清對于Omicron的中和活性均顯著下降,且針對Omicron突變株的保護效力明顯低于原始病毒株、Beta 和Delta 突變株,需要探索新的接種方案來增強疫苗接種者對Omicron突變株及其他具有潛在威脅的突變株的預(yù)防和保護作用(圖1)。

Fig.1 Vaccine studies on SARS-CoV-2 variant Omicron圖1 SARS-CoV-2變異株Omicron的疫苗研究

2.2 加強免疫策略的推行

加強免疫是指按照常規(guī)程序完成COVID-19疫苗接種后,根據(jù)抗體保護效果消退情況進行補充接種,從而保持人體對SARS-CoV-2的免疫力?;趯舍樢呙缃臃N后機體免疫持久性的研究,并綜合考慮疫苗的安全性、免疫原性等因素,專家提出在完成COVID-19 疫苗完全接種后6 個月進行加強免疫,根據(jù)自身情況選擇同源加強或異源加強免疫。

同源加強免疫指繼續(xù)采用與之前相同技術(shù)路線疫苗進行加強,當前采用最多的同源免疫接種策略主要為滅活疫苗、mRNA 疫苗的同源加強。滅活疫苗(CoronaVac)加強針免疫1 個月后,血清針對Omicron 的中和抗體滴度由接種兩針后的1∶8升高為1∶15.4,血清轉(zhuǎn)化率由3.3%(2/60)升高至95% (57/60)。 從 接 種3 針 滅 活 疫 苗(CoronaVac)受試者的PBMC 中分離到的93%的單克隆抗體均對大多數(shù)SARS-CoV-2關(guān)切變異株和關(guān)注變異株具有廣泛的結(jié)合活性,其中85%的單克隆抗體對Omicron 的RBD 有交叉反應(yīng)性。接種加強針后血清針對Omicron的中和抗體滴度顯著高于接種兩針mRNA 疫苗(BNT162b2)。加強針免疫1個月后,血清對于野生型、Delta和Omicron的GMT 分 別 為1∶240、1∶160 和1∶60,針 對Omicron的中和抗體滴度分別下降至野生型和Delta突變株的1/4和2/3[25],與接種兩針相比,中和抗體滴度下降程度也顯著降低。利用假病毒進行中和抗體滴度檢測,發(fā)現(xiàn)接種加強針1個月后,血清針對Omicron 假病毒的ID50為1∶1195,較接種兩針后5個月升高了100倍[26]。

由于全世界滅活疫苗和mRNA 疫苗的接種劑次最多,因此當今的異源加強策略也大多建立在這兩種疫苗的完全接種基礎(chǔ)上。接種兩針滅活疫苗或mRNA疫苗后,針對Omicron突變株的中和抗體水平顯著下降。而接種兩針滅活疫苗(CoronaVac)并使用mRNA 疫苗(BNT162b2)作為加強針后,接種者的血漿中針對Omicron變異株的抗RBD IgG水平與接種后2劑滅活疫苗后相比升高14.3倍。在mRNA 加強針接種28 d 后,接種者的血漿對Omicron產(chǎn)生的中和抗體滴度比僅接種兩針mRNA疫苗的個體高2倍,且這種異源加強顯著增強了特異的記憶T 細胞和B 細胞反應(yīng)[19,27]。另外,應(yīng)用滅活疫苗與重組蛋白疫苗序貫加強的策略發(fā)現(xiàn),使用重組蛋白疫苗ZF2001 進行異源接種14 d 后,針對原始毒株、Delta 和Omicron 的中和抗體滴度分別為加強接種前的48.03、49.60和5.17倍,加強針接種28 d后,針對Omicron突變株的幾何平均滴度升高至1∶108[22]。

在加強免疫接種策略的選擇上,越來越多的研究顯示異源加強可以通過激發(fā)不同的免疫機制提高疫苗的免疫原性,有助于克服單個疫苗免疫的局限,增強免疫反應(yīng)的強度、廣度和持久性,從而帶來更全面且持久的保護。因此,異源加強成為近來研究者們的研究熱點之一,許多國家和地區(qū)也開始選擇異源加強接種的策略。無論是同源還是異源加強,都可增強疫苗對Omicron 突變株的中和效力,能夠在一定程度上預(yù)防Omicron的感染,尤其是重癥感染,是探索對抗Omicron突變株接種策略的重要方向之一。當前對于同源和異源加強的研究大多集中在體外研究,未來還需要更多的動物實驗數(shù)據(jù)來評價加強針的體內(nèi)免疫效能。

2.3 加強免疫在動物模型中的研究

研究發(fā)現(xiàn),恒河猴免疫3 針滅活疫苗1 個月和3 個月后,血清針對Omicron 突變株的中和抗體滴度下降至WH-09病毒株的10/49和5/26,恒河猴免疫3 針重組蛋白疫苗1、3 個月后,血清針對Omicron突變株的中和抗體滴度下降至WH-09毒株的1/15 和1/9。同源接種3 針滅活疫苗后針對Omicron 突變株效價下降至WH-09 病毒株的1/5,作用優(yōu)于接種3針重組蛋白疫苗,但仍都有保護作用[28]。從接種3 針滅活疫苗(CoronaVac)受試者的PBMC 中分離到的強效抗體XGv347,并用其治療感染Omicron 的hACE2 小鼠,發(fā)現(xiàn)與模型組相比,經(jīng)過XGv347 治療后小鼠體重下降率顯著改善,且肺部炎癥損傷顯著減輕。另外,使用XGv347 治療感染Omicron 的K18-hACE2 小鼠后,小鼠肺部和氣管的病毒載量完全清除,與模型組的中度間質(zhì)性肺炎相比,XGv347 治療組肺部無明顯病理損傷。這些結(jié)果證實從接種3針滅活疫苗的受試者體內(nèi)獲得的抗體具有治療Omicron 突變株的潛力[21]。

另外,恒河猴接種兩針滅活疫苗(CoronaVac)后,使用二價滅活疫苗(β+δ)進行異源加強,加強免疫30 d后,針對Omicron變異株的中和抗體平均滴度為1∶25.3。使用Omicron病毒攻擊后發(fā)現(xiàn),與對照組高水平的肺組織載量相比(106.49/L),加強免疫后恒河猴肺組織載量顯著降低,僅在一只猴的肺下葉發(fā)現(xiàn)低水平病毒(104.89/L)。病理學結(jié)果顯示,肺組織無病變或僅表現(xiàn)出輕度病變,且無任何血栓、血管炎或血管周圍炎出現(xiàn)。這些結(jié)果表明,滅活疫苗的序貫免疫策略可以保護恒河猴抗Omicron變異株的感染[29]。

3 Omicron特異性疫苗和多價疫苗的開發(fā)

3.1 Omicron特異性疫苗

疫苗加強針的接種在一定程度上增強了現(xiàn)有疫苗對Omicron的保護效力,同時研究者們也在積極探究更加有效的疫苗接種策略。由于大多數(shù)疫苗產(chǎn)生免疫逃逸的原因主要因為Omicron突變株的關(guān)鍵位點突變,因此研究者們設(shè)計了針對Omicron的特異性疫苗,并評估其在感染不同突變株的動物體內(nèi)的保護作用。

使用倉鼠模型評價接種單劑Omicron特異性疫苗的有效性,對免疫單劑Omicron特異性疫苗28 d的倉鼠進行Omicron攻毒實驗,發(fā)現(xiàn)與模型組和原始mRNA疫苗組相比,Omicron特異性疫苗的接種顯著降低了倉鼠的組織病毒載量,緩解了肺部炎性浸潤。與原始mRNA疫苗相比,Omicron特異性疫苗可以提供理想的保護效果[30]。

單獨接種Omicron特異性疫苗雖然可以提高針對Omicron突變株的保護,但對其他突變株無保護效果,因此研究者們在原始mRNA 疫苗完全接種的基礎(chǔ)上將Omicron特異性疫苗作為加強針進行研究。Fang 等[31]將Omicron S 段的cDNA 進行密碼子優(yōu)化,并克隆到含有UTR 和poly A 的mRNA 載體上,開發(fā)出可以編碼帶有HexaPro突變(可提高刺突蛋白的穩(wěn)定性)的Omicron S段全長的mRNALNP疫苗,在C57BL/6小鼠接種兩針mRNA疫苗4個月后接種Omicron 特異性疫苗,發(fā)現(xiàn)異源接種Omicron 特異性疫苗后,針對Omicron 突變株的中和抗體滴度比接種2 針和3 針WT-LNP-mRNA 疫苗升高了46 倍和11 倍,且接種后產(chǎn)生的中和抗體對野生型、Beta 和Delta 株也具有廣泛的中和作用。Zhang 等[32]開 發(fā) 出 編 碼Omicron RBD 段的LNPmRNA 疫苗,在ICR 小鼠接種兩針mRNA 疫苗(ARCoV)14 d后,異源接種ARCoV-Omicron特異性疫苗,發(fā)現(xiàn)接種14 d 后產(chǎn)生高滴度的Omicron RBD特異性IgG抗體,利用Omicron假病毒進行滴定,NT50高達1∶7781。

在接種兩針mRNA-1273疫苗10個月后進行加強針接種,發(fā)現(xiàn)無論使用mRNA-1273 疫苗還是Omicron特異性疫苗作為加強針均能顯著增強恒河猴血清針對Omicron的中和抗體滴度。同源加強和Omicron 特異性疫苗異源加強針對Omicron 的中和抗體滴度分別為1∶2980和1∶1930,且兩種接種策略中80%的S 特異性B 細胞都對野生病毒株和Omicron 突變株具有交叉保護反應(yīng)[33]。對BALB/c小鼠進行mRNA同源加強和Omicron特異性疫苗異源加強免疫1 個月后,檢測小鼠血清中和抗體滴度,發(fā)現(xiàn)兩種接種策略均能提升血清中針對Omicron 突變株的中和抗體滴度,同源加強和Omicron特異性疫苗異源加強的中和抗體滴度分別升高2~5 倍和22~42 倍,免疫后3~4 周進行Omicron攻毒實驗,發(fā)現(xiàn)異源加強組小鼠的肺組織載量為同源加強組的1/27[34]。動物實驗證實了Omicron 特異性疫苗異源加強策略可以有效對抗Omicron的感染,但是可能由于不同物種的種屬差異,同源加強后恒河猴血清針對Omicron的中和抗體滴度高于Omicron特異性疫苗異源加強,而小鼠Omicron 特異性疫苗異源加強的中和抗體滴度更高。由于恒河猴在生理上與人類更相似,后續(xù)還需對恒河猴進行Omicron的攻毒實驗以確定最佳的接種方案。

3.2 多價疫苗

在SARS-CoV-2迅速傳播,突變株瞬息萬變的當下,缺乏能夠?qū)σ吧《局旰屯蛔冎晏峁姶蠛统志帽Wo的疫苗。多價疫苗不需頻繁更新,但可增強第一代疫苗誘導的特異性免疫,這是目前抵御不斷突變病毒的有效手段。開發(fā)針對現(xiàn)有和潛在突變株的多價疫苗,對疫情的防控具有重大意義。

通過結(jié)構(gòu)分析將3種不同毒株(野生株、Beta和Kappa)的RBD 結(jié)合域整合為三聚體(mutI-tri-RBD)并將其作為候選疫苗,與來自野生株的同源RBD 三聚體疫苗相比,假病毒中和實驗發(fā)現(xiàn)mutI-tri-RBD 疫苗對23 種SARS-CoV-2 突變株具有廣泛且強效的中和活性,其中mutI-tri-RBD疫苗對Delta、Beta的中和抗體效價提高了3倍。此外,接種兩針mutI-tri-RBD疫苗的hACE2小鼠分別感染野生株、Delta 和Beta 突變株,疫苗組小鼠肺組織中病毒載量完全清除[35]。同樣,研究者構(gòu)建了表達SARS-CoV-2病毒的S、N和RdRp抗原的三價腺病毒載體疫苗,鼻內(nèi)接種三價腺病毒載體疫苗后,Beta 突變株感染的K18-hACE2小鼠肺部病毒滴度下降至模型組的1/3200[36]。雖然當前尚無在小鼠中進行的多價疫苗針對Omicron 保護效力的研究,但是其對Delta、Beta 等突變株的強效中和活性也給針對Omicron的研究提供有力的依據(jù)與支撐,未來需要更多的體內(nèi)和體外實驗數(shù)據(jù)來對多價疫苗的安全性和有效性進行驗證。

非人靈長類動物與人類在遺傳背景、病理生理學、解剖學等方面具有更高的相似性,因此研究者們使用非人靈長類動物也進行了多價疫苗對Omicron 保護作用的研究。使用Omicron 突變株感染二價滅活疫苗(β+δ)異源加強免疫的恒河猴,發(fā)現(xiàn)與對照組相比,其肺組織載量顯著降低,肺組織病變程度明顯減輕[29]。這些結(jié)果初步證實了多價疫苗針對Omicron的有效性,后續(xù)的臨床前試驗也正在逐步推進。

4 結(jié)論與展望

縱觀SARS-CoV-2 病毒的變異過程,從Beta、Delta 突變株的流行到Omicron 突變株爆發(fā),Omicron 突變株又經(jīng)過BA.1 分支到BA.2 分支的進化,SARS-CoV-2的變異株還在日益增多。雖然接種疫苗或感染者康復后對于SARS-CoV-2病毒的持久保護力可達到6~12 個月,但是SARS-CoV-2 病毒的不斷變異,持續(xù)沖擊著人體接種疫苗建立的免疫屏障。安全有效的疫苗仍然是遏止病毒傳播最有效的措施,而疫苗有效性的評價離不開動物模型的支撐。建立可穩(wěn)定模擬人類感染SARS-CoV-2的臨床癥狀的動物模型,可極大促進相關(guān)疫苗藥物的研發(fā)及應(yīng)用的順利進行,對于抗病毒藥物篩選、疫苗研制、病毒感染機制研究、疫情防控策略的制定等均具有重要意義。

致謝感謝中國醫(yī)學科學院醫(yī)學實驗動物研究所秦川教授在本文撰寫中給予的指導與幫助。

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