用图例说明mRNA新冠疫苗为什么难以应对印度变异病毒
mRNA新冠疫苗是第一种人类大规模使用的新型疫苗，之前mRNA疫苗还仅用于肿瘤治疗的研究过程中。笔者作为生物制药领域的小白，跟很多读者一样可能一开始都不知道什么是rRNA疫苗，它作为第三代新型疫苗新在何处？它的作用是怎么发挥的，有效性如何？对变异病毒是否有效？要详细回答这些问题可能需要比较多的专业知识，但这样就容易让普通读者难以理解，敬而远之。笔者尝试用最简单的图例，用新闻事件来解答上述疑问，和读者朋友一起来学习这方面的知识，这样在疫苗使用的问题上能有自己的见解而不是人云亦云。
一、美传染病专家接种了辉瑞疫苗在印度感染新冠去世
笔者准备写这篇文章的起因，是下面一则新闻事件引起了笔者的注意：
据《印度斯坦时报》5月5日报道，美国传染病专家拉贾德拉·卡皮拉在印度于4月8日被检出了新冠病毒阳性，4月28日在印度德里离世。卡皮拉在去印度之前，已经完成接种了2针美国辉瑞公司的mRNA疫苗。卡皮拉作为专业的传染病专家，接种了新冠疫苗还是感染了新冠并且治疗无效而去世，此事引发国际社会关注。
图1：传染病专家 贾德拉·卡皮拉
贾德拉·卡皮拉（Rajendra Kapila）博士是美籍印度裔传染病专家，3月底他与自己的妻子，微生物学博士德普提·萨克那-卡皮拉（Deepti Saxena-Kapila）从美国回到印度北方邦的加济阿巴德，以便照顾年老的岳父。他们本来计划在4月的第二周飞回美国，却感染了新冠病毒并住进了德里一家医院，随后很快去世，享年81岁。美国HIV/AIDS总统顾问委员会成员罗伯特·施瓦茨在美国当地时间5月3日上午透露了这一消息，并向卡皮拉的家人致哀。
图2：罗伯特·施瓦茨向卡皮拉的家人致哀的社交媒体信息
卡皮拉夫妇去年一直在美国新泽西州的一个新冠病毒实验室工作，通过卡皮拉博士资深的传染病研究工作资历，可以确信他们比常人更容易懂得如何防护新冠病毒，更懂疫苗对人体的保护作用，并且在去年6月还做过有关利用抗体治疗新冠肺炎的演讲，所以卡皮拉博士一定是确信mRNA这种新型疫苗是非常有效的。然而讽刺的是科学也无法拯救感染新冠病毒的卡皮拉博士。人们不禁要疑问，mRNA疫苗面对印度变异的新冠病毒是否还有效。要回答这个问题，我们得先了解细胞的工作原理以便了解什么是mRNA。
二、细胞合成蛋白质的原理
细胞的结构复杂，工作原理也很复杂，但细胞的主要工作就是不断合成各种蛋白质，其次就是合成需要的遗传物质和其它物质。为简化描述，本文使用简化的示意图来表示细胞的工作原理，注意本文的这些示意图仅仅是用来描述细胞合成蛋白质的过程，从而忽略了细胞其它的结构，比如线粒体等细胞器结构。请先看下面细胞合成蛋白质的示意图：
图3：细胞合成蛋白质的工作原理示意图
细胞最外层是细胞膜，植物细胞还有致密的细胞壁，在细胞的中央有细胞核，细胞核里面有一种遗传物质：脱氧核糖核酸（DNA），DNA携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息。
脱氧核糖核酸（DNA）由脱氧核苷酸组成的大分子聚合物。脱氧核苷酸由碱基、脱氧核糖和磷酸构成。其中碱基有4种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。两条脱氧核苷酸链围绕一个共同的中心轴盘绕，构成双螺旋结构。脱氧核糖-磷酸链在螺旋结构的外面，碱基朝向里面。两条多脱氧核苷酸链反向互补，通过碱基间的氢键形成的碱基配对相连，形成相当稳定的组合。DNA的结构示意图如下图所示：
图4：DNA结构示意图
核糖核酸（RNA）由核糖核苷酸经磷酸二酯键缩合而成长链状分子。一个核糖核苷酸分子由磷酸，核糖和碱基构成。RNA的碱基主要有4种，即A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶)、U(尿嘧啶)，其中，U（尿嘧啶）取代了DNA中的T。RNA由DNA分子的转录过程产生。
图5：DNA的复制和转录
- 复制：DNA解旋，以两条链为模板，按碱基互补配对原则，合成两条子链，子链与对应母链螺旋化。
- 转录：DNA解旋，以其一条链为模板，按碱基互补配对原则，形成mRNA单链，进入细胞质与核糖体结合。
- 翻译：以mRNA为模板，合成有一定氨基酸序列的蛋白质。
由上图5可知，蛋白质的合成需要先转录DNA形成mRNA，然后以mRNA为模板，它的信息再由tRNA读取，然后tRNA根据这些信息去寻找和搬运氨基酸到核糖体中，核糖体（rRNA）再将这些氨基酸装配成肽链，最终合成蛋白质。在将DNA记录的蛋白质信息翻译成合成蛋白质的过程中，这里mRNA在整个信息传递过程中起到了一个重要的桥梁作用，我们称乎它为“信使RNA”。
三、病毒的入侵和繁殖
上面讲到信使RNA起到了细胞指导蛋白质合成过程重要的桥梁作用，这个桥梁作用很可能会被病毒、细菌利用，从而让细胞成为合成病毒、细菌蛋白质的“代工厂”。
为了突出本文主题，下图简化了病毒入侵细胞的过程，用一个示意图表示一个已经入侵细胞的RNA类型病毒，病毒将正常细胞作为宿主细胞，病毒将它的RNA信息注入到细胞内，然后让细胞的DNA合成病毒需要的mRNA，劫持了细胞正常的mRNA工作过程，tRNA读取病毒的遗传信息，最后细胞的核糖体rRNA就为病毒合成了大量的病毒壳蛋白，然后再与细胞合成的病毒RNA结合生成新的病毒体，这样病毒就在宿主细胞内大量繁殖，直到耗尽宿主细胞的资源，宿主细胞解体死亡，释放出大量病毒，然后这些病毒又去感染其它正常细胞。
图6：病毒入侵和繁殖
细菌对宿主细胞的入侵和繁殖过程与病毒很类似，区别在于病毒在进入宿主细胞之前没有自身的新陈代谢，病毒只有进入宿主细胞之后它才能繁殖，这种行为才表现为一个生命体的行为，细菌有完整的细胞结构可以独立繁殖，所以有些科学家认为病毒不能算是真正的生命体。病毒脱离宿主环境很难存活，每一种病毒也只能感染特定的宿主，或者说病毒进入宿主体内，也只能感染特定的细胞，这跟病毒的壳蛋白性质有关。
图7 新冠病毒的棘突蛋白
我们的细胞表面有细胞膜组成，可以理解为细胞的皮肤，细胞表面结构复杂，下面布满了一种叫做受体蛋白的物质，这些膜蛋白有的负责传递信息，有的负责运输物质，控制一部分物质的进出，而且小分子像水，氧气可以穿过细胞膜自由通行。但是像糖类这样的大分子就需要专门的蛋白帮助才能进入细胞内部，可是更大的物质想进入细胞内部，就需要一种特殊的钥匙，细胞表面有很多巡逻的蛋白质守卫，能够识别这种蛋白质钥匙，细胞膜的这种复杂机制，可以阻止绝大多数有害分子进入细胞，但是病毒甚至已经成功进化出了这把特殊的钥匙，就在这些病毒纤突的顶部，比如新冠病毒的棘突蛋白，会让人体体内有些细胞误认为重要的营养物，于是“敞开大门”，让病毒进入了细胞内。下面用新冠病毒入侵人体宿主细胞的过程来介绍。
嵌在新冠病毒脂质包膜上的刺突糖蛋白（S）识别人宿主细胞的受体ACE2。研究人员发现，在形态上，新冠病毒的S蛋白像一座桥横跨在ACE2表面，又像病毒的一只手，紧紧抓住ACE2。同时，研究发现病毒也可以通过CD147受体入侵宿主细胞。与受体结合后，刺突蛋白被某些蛋白酶切割，以便与宿主细胞的膜融合。此外，新冠病毒还可以通过细胞的内吞作用进入宿主细胞，这个过程需要人体内关键的蛋白质参与协助，如PIKFYVE（磷脂酰肌醇激酶）、TPC2（双孔通道蛋白2）和CTSL（组织蛋白酶L）等。
上海同济大学医学院研究团队利用高通量单细胞测序分析技术，研究了共计四万三千多个肺部细胞，进一步发现 80%ACE2 受体主要在 II 型肺泡聚集。ACE2 被鉴定为引起 SARS 冠状病毒也是此次武汉新冠状病毒的主要结合受体，在 SARS 中 ACE2 受体在病毒感染后严重肺衰竭的发病机制中起着重要作用。另外，ACE2受体也在肾脏和肠道中分布，所以感染新冠病毒的病人除了明显的肺炎症状外，也常常伴随肾功能受损和消化道症状。
四、免疫应答过程
人在自然环境中生活，随时都会接触各种物质，甚至呼吸的空气中都会有很多微小的病原体，但绝大部分情况下人都不会生病，原因就是人体有一套复杂的免疫系统，它能识别进入人体的微小物质，如果这种物质有害则启动免疫应答过程。这种进入体内引发人体免疫应答的有害物质称为抗原，当然不是所有人体外来物质都是抗原，比如人体需要摄入的水、食物等有益的外来物质。
免疫应答是指机体受抗原刺激后，免疫细胞对抗原分子识别、活化、增殖和分化，产生免疫物质发生特异性免疫效应的过程。免疫应答可分为固有性免疫和适应性免疫两大类。固有免疫亦称为先天性免疫或非特异性免疫，适应性免疫亦称获得性免疫或特异性免疫。固有免疫是生物在长期进化中逐渐形成的，是机体抵御病原入侵的第一道防线，也是特异性免疫的基础。特异性免疫是指某一特定抗原刺激使得免疫系统发生免疫应答的过程，产生特异性识别抗体，有免疫记忆性，但需要4～5天发挥作用。
图8 适应性免疫应答过程
适应性免疫应答分为3个阶段：
- 识别阶段：T细胞和B细胞分别通过TCR和BCR精确识别抗原，其中T细胞识别的抗原必须由抗原提呈细胞来提呈；抗原提呈细胞能摄取、加工、处理并将抗原信息提呈给淋巴细胞的免疫细胞。
- 活化增殖阶段：识别抗原后的淋巴细胞在协同刺激分子的参与下，发生细胞的活化、增殖、分化，产生效应细胞（如杀伤性T细胞）、效应分子（如抗体、细胞因子）和记忆细胞；
- 效应阶段：由效应细胞和效应分子清除抗原。
在适应性免疫应答过程中，关键一步就是精确的识别抗原，如果病毒发生了变异，免疫系统会认为这是一种新的抗原，从而产生新的抗体。抗原的识别其实是对细菌或者病毒表面的壳蛋白精准识别，所以理论上可以不用完整的病毒而使用病毒身上关键的壳蛋白作为抗原，这里称为抗原蛋白。实际上任何异体蛋白都会被识别为一种潜在的抗原，包括生物活性发生改变的蛋白质，所以人体每次吃饭后免疫系统都会激发一次，但是吃自然界天然的新鲜食物不容易激发免疫系统。
五、抗体对细胞的保护
前面介绍了抗原进入体内会激发免疫应答，有可能产生抗体。抗体是一类能与抗原特异性结合的免疫球蛋白。下面的示意图简单描述了抗体对细胞的保护功能。
图9：抗体对细胞的保护
在本文第三节，介绍了病毒入侵细胞的过程，病毒通过其表面的某种壳蛋白与细胞上的受体相结合，进入细胞内实现入侵过程。如果将病毒的这种致病壳蛋白包裹起来，那么病毒就无法与细胞上的受体相结合，于是病毒就无法入侵宿主细胞了，这就是抗体对细胞的保护功能。
图10：抗体结构
真正的抗体是上图这样的一种“Y”字母形状结构的蛋白质，也称为免疫球蛋白（Ig）。抗体有两个完全相同的Fab段和一个Fc段。Fab段即抗原结合片段(fragment antigenbinding，Fab)，由一条完整的轻链与重链的VH和CHl结构域组成。Fc段即可结晶片段(fragment crystallizable，Fc)，由CH2和CH3结构域组成。Fc段无抗原结合活性，是抗体与效应分子或细胞相互作用的部位。
图11：抗体的三种作用方式
抗体有三种作用方式。第一种是抗体将抗原包裹起来，阻止抗原附着在宿主细胞上；第二种是抗体会促进免疫系统中的效应细胞吞噬被包裹的抗原；第三种是抗体能激活补体并增强补体的作用，补体能够增强细胞的吞噬作用。这样，抗体最终将抗原包裹住，使得抗原失去活性，从而被免疫效应细胞吞噬后将抗原裂解，杀死入侵人体的病毒或细菌等有害微生物。
虽然抗体能够中和抗原并且增强效应细胞的吞噬作用，但是如果抗原（病原微生物）发生了变异，或者抗体的数量不足以完全中和抗原，那么抗体反而可能成为抗原伤害人体的“帮凶”，相比没有抗体的情况下对人体造成更严重的伤害，这就是AED效应（Antibody-dependent Enhancement）--抗体依赖增强。比如病毒发生较强的变异后，体内原有的抗体成了新病毒的“非特异性”抗体，不能有效消除病毒毒力，导致免疫细胞被感染或者普通细胞被加速感染。AED效应是疫苗研发必须考虑的重要问题。
六、mRNA疫苗原理
疫苗是一种特殊的可以激发人体免疫应答的抗原，通过疫苗让人体产生针对特异性病原体的抗体。疫苗不会像人体直接感染病原体那样产生的激烈症状，大多时候都是安全有效的，可以保护人体不受某种细菌或病毒的感染。常见的疫苗都是对病原体进行灭活处理的灭活疫苗，即疫苗是一种无法在人体内进行繁殖且毒性较低的没有生物活性的细菌或病毒。虽然说灭活疫苗技术成熟，使用安全有效，但疫苗生产过程需要培养繁殖活的细菌或病毒，生产过程存在一定的安全风险，需要严格的安全等级保护和产品质量检测，导致疫苗无法大量生产。
图12 mRNA疫苗原理
如果生产一种疫苗它本身不是抗原但它仅仅拥有抗原的遗传信息，就能解决灭活疫苗生产过程中的上述问题，大幅提高疫苗的产量和质量。这个想法是正确的，这种疫苗就是mRNA疫苗—一种携带抗原特异性蛋白的遗传信息物质的信使RNA。如上图所示，一个mRNA疫苗进入宿主细胞，利用细胞的蛋白质合成机制让tRNA读取mRNA的信息，rRNA搬运需要的氨基酸岛核糖体rRNA，rRNA装配制造出病毒的抗原蛋白，最后激发人体的免疫应答产生抗体。
这个想法很早就提出了，但mRNA最大问题是它们固有的不稳定性，很容易被分解掉。近些年来mRNA疫苗快速发展也是得益于RNA的修饰以及递送技术的发展。mRNA包裹在由特定脂质体组成的脂质纳米颗粒（LNP）中。LNP为mRNA提供保护，并将其安全递送至人体细胞，使其在细胞中释放，从而使疫苗起效。但是目前能够进行这种化学物质生产研发的企业并不多，所以能够生产mRNA疫苗的公司也不多，现在美国的辉瑞公司和Moderna公司生产出了两款mRNA新冠疫苗。以Moderna公司为例，其Nucleoside-modified mRNA极大的提高了mRNA的稳定性，且能够调节mRNA药物在体内的半衰期；纳米脂质体颗粒能够将mRNA包裹在内，进一步提高稳定性，也能够高效地完成mRNA的细胞内递送。
七、辉瑞疫苗为什么在印度失效
mRNA新冠疫苗是人类第一次大规模人群使用的mRNA疫苗，它的安全性和有效性是需要时间考验的。美国辉瑞公司和德国BioNTech公司联合研发疫苗（以下简称辉瑞疫苗）公布的保护率则高达95%。
图13 辉瑞疫苗的保护率
然而2021年1月4日，世界四大综合性医学期刊之一的《英国医学杂志》（BMJ）编辑彼得·多西在刊物官博The BMJ Opinion发表了一篇文章，对辉瑞疫苗的保护率提出质疑。文章认为，辉瑞在临床实验中，将所有的疑似病例（3410例）全部排除在结果之外，选择忽视所有疑似病例，在这样的前提下，得出了疫苗保护率是95%的结论。而如果将全部疑似病例都纳入确诊病例的范围内，那么疫苗有效率只有19%，即便删除那些“由于注射反应产生症状”者，有效率也只有29%。
对于辉瑞疫苗的保护率是到底是95%还是29%，笔者很难做出判断，但是回到本文开头说的故事，美籍印度裔传染病专家卡皮拉博士注射了两针辉瑞疫苗仍然感染新冠病毒而去世的这一事件来看，95%的保护率是存疑的，因为卡皮拉博士作为专业人士应该知道如何保护自己不受感染而他又成了辉瑞疫苗那5%无法保护的人群一员这种说法是说不过去的。笔者认为，mRNA疫苗的设计原理就注定了它无法很好的保护受变异毒株感染的人群，如果病毒变异程度太大，原有的mRNA疫苗可能完全无法保护，这应该是卡皮拉博士打了疫苗仍然感染新冠病毒去世的真正原因。
图14 印度最近一年新冠疫情新增确诊趋势图
4月以来，印度新冠疫情反弹迅猛，单日新增确诊病例数已经超过30万例，引发全球高度关注。专家认为，变异新冠病毒的出现和扩大传播是印度疫情急剧恶化的原因之一。据印度卫生部3月底发布的公报，由10个国家实验室组成的“印度新冠病毒基因组学联盟”在马哈拉施特拉邦采集的样本中发现一种新的变异病毒，携带E484Q和L452R突变，可能导致免疫逃逸和传染性增强。这种起初被媒体称为“双突变”病毒的变异病毒已被科学界正式命名为B.1.617。更让人担心的是，目前在印度还出现了三重变异病毒。印度卫生部的数据显示，截至当地时间4月25日8时，过去24小时新增349691例确诊病例，连续4天刷新印度疫情暴发以来的单日最高新增纪录，也刷新了全球单日单个国家新增病例的最高纪录。
根据印度卫生部门最新的统计数据显示，5月19日周三，过去24小时印度新报告死亡病例数4529例，超过美国1月12日创下的4475例的纪录，这也是印度本月第九次单日死亡人数超过4000人。目前，印度累计死亡病例数已经超过28.3万。尽管每日新增确诊人数略有下降，但是不断创下新纪录的死亡数据却仍在提醒一个事实：这里的疫情仍然肆虐。
5月19日在英国的首相府媒体招待会上，英国健康大臣Hancock表示，目前英国已经有2,967例由印度变种导致的新冠病例，这比周一的2,323例又有所提高。为了在印度变种带来实质性恶果之前将其遏制住，英国当天宣布，将成为全球第一个实验为群众打加强疫苗的国家。英国将测试七种不同的新冠疫苗，试图找出最适合作为今年八月的“加强疫苗”，而其中测试的疫苗，就包括这一款与辉瑞和Moderna一样的mRNA疫苗--CureVac疫苗，作为目前已经成型的2.0版本新冠疫苗。也就是说，今年英国人将会打第三针新冠疫苗以应对来自印度的新冠变异病毒。
所以从目前印度流行的新冠病毒情况和英国政府采取的行动来看，可以确认现有的辉瑞mRNA新冠疫苗已经在印度变异病毒面前失效，这就很好的解释了美籍传染病专家卡皮拉博士打了辉瑞一面为什么还是会在印度感染新冠病毒而去世。美国辉瑞公司4月份表示，民众在完全接种该公司疫苗后12个月内，“可能”需要再注射一针疫苗加强针。
八、结语
5月3日，世卫组织举行新冠肺炎例行发布会，世卫组织总干事谭德塞表示“疫苗是解决方案的一部分，但不是唯一方式”，执行严格的公共卫生政策仍然是战胜疫情的重要方式。就拿疫苗这个问题来说，病毒的变异速度和疫苗研发速度仍然在赛跑，控制感染人群的数量才能降低病毒变异的速度，人类才能最终跑赢这场比赛，全世界人民团结起来才能打赢这场新冠疫情阻击战。
深蓝医生 原创文章转载请注明
2021年5月21日星期五