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面对疫苗之殇 -- Nature文章告诉你如何高效实现疫苗研发

来源:富鲁达(上海)仪器科技有限公司 2018-08-06 14:49

7月底的中国,已进入一年中最炎热的季节,同样热起来的还有人们对疫苗的关注。7月21日,一篇《疫苗之王》的文章在各大网站上疯狂转载,同时刷爆了朋友圈。文章爆料出了许多疫苗行业令人咂舌的内幕。虽然具体事件还未考证,但因为长生生物"狂犬病疫苗造假"引发的一系列事件却持续发酵,与长生生物一起登上黑榜的还有武汉生物,同时这一事件也把整个疫苗行业甚至生物制药行业推上了风口浪尖,据《览富财经》数据统计,至7月23日收盘,生物医药板块118只个股有90只处于下跌状态,其中41只跌幅超过5%。

中国大多数人,特别是"九零"前的人,胳膊上方都会有一个或大或小的疤痕,那是"种痘"留下的痕迹。用这种方法预防天花早在公元10世纪的我国唐宋年间就已有记载。随着现代疫苗技术的发展,至上世纪80年代,天花这种曾经祸害四方的疾病在全球范围内基本已经被彻底铲除。

不仅仅是在天花,在中国历史上,麻疹、白喉、猩红热、鼠疫、霍乱、伤寒、痢疾等等病毒都曾肆虐一时,夺去了无数人的生命。为了战胜各种病毒,科学家们研制了不同的疫苗,将人类从病毒的魔爪中拯救出来。抛开那些无良商家不谈,今天我们能依靠疫苗有效预防多种疾病,离不开无数科研人员的无私奉献。

疫苗研发的两难困境:如何平衡多数人的利益和少数人的风险?

然而正如"人无完人",任何一件事物都不会是完美的,当科学家在研发新疫苗的过程中审视数据、去试着评估一个疫苗的收益和风险时,经常处于两难困境:如何平衡多数人的利益和少数人的风险?疫苗能保护大众、尤其使广大儿童免于严重疾病,但是在少数情况下,又会造成危害。

以RotaShield疫苗为例,它是第一个获得批准对抗轮状病毒感染的疫苗。这种常见病毒会在年幼的儿童身上引发严重腹泻,每年都有数十万儿童死于这种感染。RotaShield是1998年在美国获得批准的。但是一年之后, Wyeth Laboratories进行了召回,因为有几项研究显示接种了RotaShield的儿童有更高的风险(1-2/万名)患上肠套叠(intussusception),一种肠道阻塞病,治疗不及时可能致命。

虽然在发展中国家RotaShield挽救的生命远远超过它引起的肠套叠病例,然而这种疫苗的命运已经被封死了。直至六年后,才有另一个比较安全的轮状病毒疫苗进入市场,而在这六年里,每年又有超过50万名儿童因为轮状病毒而死。

《Nature Biotechnology》:从上百种可能的抗原表位中快速筛选出有效部分

在轮状病毒疫苗的研发过程中,由于只发现了两个抗原表位,导致疫苗研发严重滞后。Nature Biotechnology上曾经发表一篇高效筛选抗原表位的研究成果,来自斯坦福的科学家利用Fluidigm公司的CYTOF质谱流式技术,结合组合肽-MHC四聚体染色方法开发出一种新的多参数高通量检测方法[ref 1],由于质谱流式技术利用金属代替荧光基团作为标签,将单次检测通道扩大至几十甚至上百个,在此基础上,研究人员利用3元标签进行排列组合(利用10种标签中的3种进行排列组合,然后利用不同的组合标签标记不同的四聚体),仅仅利用一管人血液样本,即对109种可能的抗原表位同时进行筛选(图1),并且还同时分析了该样本中的23种和T细胞表型、功能相关的蛋白标志物。通过这一方法,科学家快速找到了6个HLA-A*0201限制性T细胞抗原表位,极大提高了单次筛选的效率和准确性。



事实上,不仅仅是轮状病毒疫苗,在所有新疫苗的研发中,有效抗原表位的稀缺和高效筛选一直是令科学家们愁眉不展的原因之一,特别是象肿瘤这种高度异质性、持续动态变化的疾病类型。

好在随着肿瘤免疫研究的深入及DNA测序技术的发展,在原有预防性疫苗的基础上,科学家们不断开发出了治疗型的肿瘤个体化疫苗,用于有效治疗黑色素瘤等重大疾病。来自美国波士顿Dana-Farber癌症中心和德国美因茨大学的两个研究团队同时在《自然》杂志上发表论文[ref2、3],展示了针对肿瘤的"个性化疫苗"临床试验,取得重大突破。

两个试验都是针对黑色素瘤,都是选取的3期或4期的中晚期患者,复发高危人群。结果让人欣喜,两个团队都显示,60%-70%的患者在接种疫苗后,肿瘤没有复发,即使复发的患者,一部分在使用PD1免疫疗法后,肿瘤也再次消失!更重要的是,使用疫苗的患者,体内针对癌细胞的特异免疫反应也大幅增强!

两个项目所采用的方法也有近似之处,首先对患者肿瘤组织样本进行取样测序,并分别使用自己独特的算法预测哪些突变最有可能引起免疫反应。然后分别开发出了以多肽片段和RNA为基础的疫苗,并在晚期黑色素瘤3期或4期的中晚期复发高危人群身上展开了研究。

研究中两个小组不约而同的采用了一种高通量基因检测系统--Biomark HD系统。该系统可对多达96个患者样本、每个样本96个位点(96.96)进行同时检测,在4小时内实现近万个数据点的分析,并将每个反应控制在纳升(nl)级体系内。在上述两个研究中,其中一项用Biomark HD系统对正常和肿瘤组织中的95个SNP位点进行了基因分析检测,以确保样本的准确性;另一项研究中对接种疫苗前、后,肿瘤样本中的免疫基因表达水平变化进行了细致分析,从细胞因子、信号转导、表型和代谢机理等多角度对疫苗疗效进行综合评估(图2) 。



不仅是Fluidigm公司的Biomark HD系统,在今年年初《Nature》上发表的题为"technology to watch in 2018"的文章中[ref 4],来自世界顶尖学府和研究机构的专家学者们就2018年将会对生命科学领域产生重大影响的多项先进技术进行了介绍,其中之一就是关于上文中提到的Fluidigm公司的CYTOF质谱流式技术,该技术将会在未来大幅推进肿瘤疫苗的研究和应用。

Reference:

1.Combinatorial tetramer staining and mass cytometry analysis facilitate T-cell epitope mapping and characterization. Newell EW., Sigal N., Nair N. et al.  Nature Biotechnology (2013): 623-9

2.An immunogenic personal neoantigen vaccine for patients with melanoma. Ott PA, et al., Nature (2017) doi: 10.1038/nature22991.

3.Personalized RNA mutanome vaccines mobilize poly-specific therapeutic immunity against cancer. Sahin U, et al., Nature (2017) doi: 10.1038/nature23003.

4.https://www.nature.com/articles/d41586-018-01021-5

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