新冠疫苗的奥秘——如何选择疫苗抗原？
在全球新冠病毒感染人数累计超过 1 亿，死亡人数超过 230 万之时（图 1），疫苗作为抵御新冠病毒全球大流行的终极武器，被人们寄予厚望。据世界卫生组织统计，全球正在从多种不同种类的技术平台开展新冠疫苗研发，包括灭活疫苗、非复制型载体疫苗、复制型载体疫苗、减毒活疫苗、DNA 疫苗、RNA 疫苗、蛋白亚单位疫苗等。
目前，全球有超过 230 种新冠疫苗在研发过程中，且已有多款新冠疫苗获批上市或附条件上市。
图1：截止2021年2月10日，全球新冠疫情分布，来源：WHO官网
疫苗作为人类实现主动群体免疫的重要手段，从詹纳第一次从牛痘中研发出天花疫苗开始，就在漫长的传染病抗争史中扮演起重要的角色。而其中，疫苗的抗原是决定一款疫苗的有效性的重要因素，也是疫苗的重要组成部分。
什么是疫苗的抗原
所有疫苗都含有一种能诱导机体产生免疫反应的活性成分，也就是所说的疫苗的“抗原”（图 2），可以被免疫系统识别，并引起特异性免疫反应。疫苗的发展也伴随着疫苗抗原角色的演变，现代疫苗的抗原可以是病原体的一小部分，如重组蛋白质或糖；也可以是整个病原体的减毒或灭活形式，如传统的灭活疫苗；也可以是诱导机体自我组装疫苗抗原的“模板蓝图”，如 mRNA 。
在疫苗研发过程中，如果选对疫苗的抗原，人体就可以产生体液或/和细胞免疫，让病原体失去致病力，从而成功抵御病毒。如果选择错误的抗原，虽然一定概率上也会产生免疫应答，但这种免疫力很可能无法对病原体起效。
图2：疫苗的抗原选择与病原体的关系
新冠疫苗靶标抗原的选择
引起此次全球疫情的“元凶”是一种新型冠状病毒——SARS-CoV-2，属于冠状病毒科。
SARS-CoV-2 仅含有一条正链 RNA 基因组，能编码 4 种主要的结构蛋白：刺突蛋白（S 蛋白）、包膜蛋白 (E 蛋白)、 膜蛋白（M 蛋白）和核壳蛋白（N 蛋白），以及多种非结构蛋白。而这些编码的结构与非结构蛋白，即可作为 SARS-CoV-2 疫苗研发的抗原候选。其中，S 蛋白是和 ACE2 结合的核心蛋白，也是主要的抗原选择。
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全病毒抗原
灭活疫苗的抗原都是全病毒，原理上，其用物理、化学方法杀死病原微生物，但仍保持其免疫原性，以此方法进行疫苗的生产，接种入人体再激发免疫应答。所以，灭活疫苗实际上发挥作用的抗原就是完整的新冠病毒，包含病毒的核酸和蛋白。
然而，灭活疫苗包含的蛋白和核酸都具备一定的免疫原性，可能会诱导机体产生一定的不相关抗体，从而使针对关键S蛋白的特异性抗体比例稍有下降。
整体来看，使用全病毒作为抗原的灭活疫苗的免疫原性稍逊色于新型疫苗，需要使用佐剂来协助提升免疫原性。目前国内新冠灭活疫苗的研发处于世界领先地位，已有两款疫苗在国内正式获批使用。
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S蛋白抗原
刺突蛋白（S 蛋白）是最常被选择作为冠状病毒疫苗的候选抗原，因为它在介导病毒进入细胞中起着至关重要的作用，同时，因为完整的 S 蛋白分子量比较大（约 600 kDA），免疫原性也相对强，仅需少量即能产生很强的免疫反应。成熟的 S 蛋白以三聚体形式展示在病毒颗粒表面，包含 S1 和 S2 两个亚基。
其中，S1 亚基位于病毒最外端（N 端），包括 N-Terminal Domain （NTD）和Receptor Binding Domain（RBD），RBD 参与结合宿主细胞表面受体，即血管紧张素酶 2（ACE2），触发病毒包膜与感染细胞膜的融合过程。S2 亚基位于病毒近端（C端），包括 Heptad Repeat（HR），Central Helix（CH）和 Connector Domain（CD）等结构域，主要负责将S蛋白锚定在宿主细胞膜上并介导病毒包膜与宿主细胞膜间的融合，使包裹病毒 RNA 基因组的核衣壳入胞，完成侵染。
因此，阻断 S 蛋白或其 RBD 区与 ACE2 受体的结合便可以拦截病毒入侵宿主细胞，从而保护宿主免于 SARS-CoV-2 感染，提示 S 蛋白或 RBD 有可能是疫苗抗原的候选靶标。
新型冠状病毒利用同源三聚体的 S 蛋白进入宿主细胞，在这一病毒融合（fusion）过程中，S 蛋白会经历结构变化，包括病毒的 S1 亚基结合到宿主细胞受体上，让 S 蛋白的三聚体产生不稳定性，进而造成 S1 亚基脱落，S2 亚基形成高度稳定的融合后（post-fusion）结构（图 3）。
腺病毒载体疫苗大多使用 S 蛋白作为抗原，目前处于领先地位的 Ad5-nCoV 和 ChAdOx1 nCoV-19 等腺病毒载体疫苗在不同的腺病毒中编码了 S 蛋白的基因序列，利用腺病毒携带抗原基因进入人体来表达抗原蛋白。不仅如此， mRNA 疫苗 CVnCoV 也使用 S 蛋白作为抗原。
图3：S蛋白经历的结构变化
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S蛋白三聚体抗原
虽然 S 蛋白是理想的疫苗靶标抗原，但天然的 S 蛋白具有不稳定性，不利于 S 蛋白功能的研究及疫苗的开发，因此很多科学家对 S 蛋白进行“加工”以增加其稳定性。
有科学家通过添加 2 个脯氨酸突变（K986，V987）来稳定 S 蛋白，如已经在全球范围内获批使用的 mRNA 核酸疫苗 BNT162b2 和 mRNA-1273。重组亚单位疫苗中，使用 S-2P 作为抗原的 NVX-CoV2373 在 I 期临床中在接种者体内产生的中和抗体滴度高达 3906，冠绝所有进入临床阶段的新冠疫苗，目前已处在 III 期临床阶段，有望今年在欧美获批使用。
不仅如此，因为 S 蛋白三聚体的结构比较稳定，理所当然也称为优秀的抗原选择之一，我国研究团队用 Trimer-Tag© 技术设计生产的 S-Trimer 重组亚单位疫苗就使用了 S 蛋白三聚体作为抗原，在前期临床试验中可以诱导出较高水平的中和抗体，且耐受性良好。
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RBD结构域抗原
RBD 受体结构域是 S 蛋白和 ACE2 结合的关键部位，具体地，新冠病毒通过 S 蛋白的 RBD 受体结合域与人体细胞表面的受体 ACE2 结合，如同钥匙配一把锁一样，帮助病毒打开了进入人体的通道，可以说是 S 蛋白上真正起作用的关键元件。
但是，如果仅选择 S 蛋白上的 RBD 作为抗原，也会损失掉病毒 S 蛋白其他区域的T细胞表位，因此以 RBD 为抗原的T细胞反应次于以全长 S 蛋白为抗原的 T 细胞反应，免疫原性不如使用 S 蛋白抗原的疫苗。
作为 S 蛋白抗原疫苗的有力补充，使用 S 蛋白的 RBD 受体结合域作为抗原的新冠疫苗也纷纷登上舞台。重组亚单位疫苗中，国产的 RBD Dimer 还有海外的 KBP-COVID-19 等疫苗都致力于使用 RBD 作为核心抗原来激发特异性免疫，其中前者在乌兹别克斯坦的 III 期临床已经正式启动。而在核酸疫苗中，BNT162b1 也使用 RBD 作为抗原，并运用 modRNA（修饰核苷）技术来完成疫苗设计。
遗憾的是，虽然一样进入“快速通道”进行筛选，但已经在其 I / II 期临床试验中被同公司安全性及有效性更高的“兄弟疫苗” BNT162b2 淘汰，未能进入最终的全球III期试验。但是从试验结果来看，BNT162b1 拥有和 BNT162b2 一致的高免疫原性和安全性。国产 mRNA 疫苗 ARCoVax 也同样使用 RBD 受体结合域作为抗原，但是目前仍处于早期临床阶段。
总结
总而言之，抗原是影响疫苗的免疫原性和安全性，以及后续保护效力的重要因素。现如今，全病毒作为抗原的灭活疫苗已应用广泛 ，构筑了人群的免疫长城。而随着新型疫苗的蓬勃发展，各类抗原的设计和生产成为了疫苗研发的“后起之秀”，引领多方团体进行投入和钻研（表1）。
在未来，各式各样的新型抗原亦有可能共同成为解决新冠疫情的答案。
表1：主要新冠疫苗和抗原选择
*信息来源于WHO，截止至2021年2月23日
参考文献
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