新冠肺炎疫情自从2019年爆发以来,肆虐全球将近2年但仍然没有结束的迹象,而特效药还没有研制出来。在这种情况下,疫苗的预防作用显得特别重要。研究表明,80%以上人群接种了疫苗就可能有效地阻断相应病毒的传播,因此在及时阻断新冠病毒的爆发和流行方面,新冠疫苗颇受期待。另外,新冠疫苗对于重症新冠肺炎的保护率接近100%。为此,特别介绍疫苗的起源和研制现状,以期对疫苗有清晰、准确的认识。


疫苗的起源和研制现状


一、人类第一种疫苗的诞生


天花是由天花病毒引起的一种烈性传染病,发作快,传播广,致死率高。但它也是到目前为止,在全世界范围被人类消灭的唯一一种传染病。


在古代,得天花基本上等于判了死刑。数据统计显示,仅1400~1800年这400年期间,天花就从欧洲夺去了近2亿人的生命。15世纪初西班牙征服者抵达中美洲后的几十年里,90%以上的中美洲土著死于欧洲人携带的天花。皇太极率领清兵进关劫掠大明的时间往往选在粮草运输困难、不利于行军打仗的冬季和春季,而到了夏秋季节就立即撤军,主要原因是想绕过容易爆发天花的四月至八月。康熙从众多皇子中被选中继位的原因竟然是他曾经出过天花。


早在10世纪的北宋,中国人就基于“以毒攻毒”的中医理论,发明了人痘接种法(吹鼻种痘法),将天花患者身上愈合后的痘痂收集起来研成粉末,让健康儿童通过鼻孔吸入,感染比较轻的天花,以此达到预防天花的目的。


随着人痘接种法的日益成熟,康熙不仅大力向民间推广,还命皇子在年幼时全部种痘。此后,“康熙时,俄罗斯遣人至中国学痘医”。十八世纪初,土耳其自俄罗斯引进人痘接种法,并且改进为针刺法。


1721年,英国驻土耳其大使夫人玛丽·蒙塔古(Mary Wortley Montagu)将人痘法带入英国,但未得到广泛的推广应用,因为人痘法的风险在于:有相当数量的接种过天花痘的人没能患上轻微的天花病,而是患上了恶性天花病。英国医生爱德华·詹纳(Edward Jenner)在8岁时就接种过天花痘。詹纳听说凡是给母牛挤奶得过“牛痘”这种病的女工从来不会得天花,他知道奶牛患的牛痘是一种轻度病,但可以传染给人,1796年就从一个叫莎拉·内尔姆斯(Sarah Nelmes)的挤牛奶女工手上的牛痘脓胞中取出脓液,注射接种到一个8岁男孩詹姆斯·菲普斯(James Phipps)的胳膊里。这个男孩患了牛痘,长出了几个小脓疱,除此之外没有任何症状。6个星期后,詹纳又用人痘对男孩进行了测试,让男孩暴露在真正的人类天花面前,发现没有新的脓疱长出来,即没有出现天花病症。詹纳在针刺法的基础上,发明了牛痘接种法,并在1798年出版的《关于牛痘预防接种的原因与后果》小册子里,称该法为“种痘”。此后的3年时间里,仅在英国,就有超过10万人接种了这一疫苗(实际上就是充满牛痘病毒的脓液)。短短10年间,牛痘接种术迅速传播到整个欧洲和美国。


疫苗的起源和研制现状

免疫学之父—爱德华·詹纳


詹纳的工作代表了通过使用疫苗来控制传染病的首次科学尝试。为了纪念这一杰出贡献,vaccine(疫苗)一词特地选择拉丁词根vacc(奶牛),爱德华·詹纳被尊称为“免疫学之父”。


随着疫苗的不断普及,一个又一个国家报告了本国的最后一例天花,1977年10月26日,埃塞俄比亚记录了人类历史上的最后一例天花,整个世界彻底告别了这种疾病。1980年5月8日,世界卫生组织宣布:“天花已被完全根除。”


二、疫苗的种类


疫苗就是把病毒或者细菌进行处理以后注射到人体内,让人体产生抗体。人体再次接触外界的活病毒或者活细菌时,抗体会对新入侵的病毒和细菌有抵抗的作用。


疫苗一般分为两类:预防性疫苗和治疗性疫苗。预防性疫苗主要用于疾病的预防,接受者为健康个体或新生儿;治疗性疫苗主要用于患病的个体,接受者为患者。


根据传统和习惯又可分为:减毒活疫苗、灭活疫苗、类毒素疫苗、亚单位疫苗(含多肽疫苗)、载体疫苗、核酸疫苗等。


新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019,COVID-19),简称“新冠肺炎”,世界卫生组织命名为“2019冠状病毒病”,是指2019新型冠状病毒感染导致的肺炎。由于减毒活疫苗用于免疫力弱的人体时有引发疾病的风险,同时对实验室和工作人员的保护要求也很高,而类毒素疫苗针对的是细菌类疾病,所以,新冠疫苗主要有5种类型:灭活疫苗、重组蛋白疫苗、腺病毒载体疫苗、减毒流感病毒载体疫苗和核酸疫苗(分mRNA和DNA疫苗)。中国全路线研发了这5种疫苗。


疫苗的起源和研制现状


1、减毒活疫苗(live attenuated vaccine)


减毒活疫苗是指病原体经过特殊处理后,毒性减弱,但仍保留其免疫原性。将其接种到人体内,不会引起疾病的发生,但病原体可在机体内生长繁殖,引发机体的免疫反应,刺激机体产生相应的抗体。减毒活疫苗也是人类疫苗的鼻祖,如天花疫苗、狂犬疫苗。


减毒活疫苗多具有超过90%的效力,其保护作用通常延续多年。其突出优势是病原体在宿主复制产生一个抗原刺激,抗原数量、性质和位置均与天然感染相似,所以免疫原性一般很强,甚至不需要加强免疫。其效果优于灭活疫苗。但是由于其保留了一定的残余毒力,接种者可能会产生发烧现象;免疫缺陷者接种后可能诱发严重疾病;极少数情况下出现“毒力返祖”现象。


2、灭活疫苗(inactivated vaccine)


灭活疫苗是指先对病毒或细菌进行培养,然后用加热或化学物质(通常是福尔马林)将其灭活。接种到人体内以后,灭活疫苗不会在体内进行繁殖,但是可以刺激机体产生抗体。灭活疫苗容易量产,且易于储存。灭活疫苗既可由整个病毒或细菌组成,也可由它们的裂解片段组成为裂解疫苗。在中国常用的灭活疫苗有流行性感冒疫苗、狂犬病疫苗、百白破疫苗、甲肝灭活疫苗、小儿麻痹症疫苗等。


与减毒活疫苗相比,灭活疫苗采用的是非复制性抗原(死疫苗),因此安全性好,接种后不良反应也比较少,但免疫原性也变弱,往往必须加强免疫。


灭活疫苗常需多次接种,接种1剂不产生具有保护作用的免疫,仅仅是“初始化”免疫系统。必须接种第2剂或第3剂后才能产生保护性免疫。它引起的免疫反应通常是体液免疫,很少甚至不引起细胞免疫。接种灭活疫苗产生的抗体滴度随着时间而下降,因此,一些灭活疫苗需定期加强接种。灭活疫苗通常不受循环抗体影响,即使血液中有抗体存在也可以接种,它在体内不能复制,可以用于免疫缺陷者。


中国国药集团、科兴生物推出的新冠疫苗就属于灭活疫苗:在药厂培养新冠病毒,然后将其灭活,使之失去致病毒性,注射人体后刺激人体产生相应保护性抗体。优点:技术成熟,安全性较高,易储运。缺点:接种剂量大、需要2次,免疫保护时间较短。


3、类毒素疫苗(toxoid vaccine)


类毒素又称减力毒素、变性毒素,是指一些经变性或经化学修饰而失去原有毒性、仍保留其免疫原性的毒素。将细菌外毒素用0.3%~0.4%甲醛处理,脱去其毒性、保存其免疫原性,即为类毒素,如白喉类毒素、破伤风类毒素。


类毒素疫苗就是用丧失毒性而保留免疫原性的毒素所制成的疫苗。接种类毒素疫苗后,机体产生抗毒素,中和相应细菌产生的外毒素,从而预防细菌感染,如破伤风疫苗和白喉疫苗。


4、亚单位疫苗(subunit vaccine)与多肽疫苗(polypeptide vaccine)


亚单位疫苗是去除病原体中与激发保护性免疫无关的、甚至有害的成分,保留有效免疫原成分制成的疫苗。DNA重组技术使得获取大量纯抗原分子成为可能。这与以病原体为原料制备的疫苗相比,在技术上发生了革命性变化,使得质量更易控制,价格也更高。


多肽疫苗通常由化学合成技术制造。其优点是成分更加简单,质量更易控制。但随着免疫原分子量和结构复杂性的降低,免疫原性也显著降低。因此,这些疫苗一般需要特殊的结构设计、特殊的递送系统或佐剂。


疫苗的起源和研制现状


中国科学院微生物研究所高福院士团队和安徽智飞龙科马生物制药有限公司联合研发了全球首个获批使用新冠重组蛋白亚单位疫苗ZF2001:基于乙肝疫苗的技术原理,采用 DNA 重组技术,由重组 CHO 细胞表达的新型冠状病毒刺突糖蛋白受体结合区 NCP-RBD 蛋白,经过纯化加入氢氧化铝佐剂制成混悬型注射液,注射到人体,刺激人体产生抗体。优点:安全、高效、易储运。缺点:生产稍慢。


5、载体疫苗(vector vaccine)


载体疫苗将抗原基因通过无害的微生物作为载体进入体内诱导免疫应答。它的特点是组合了减毒活疫苗强有力的免疫原性和亚单位疫苗的准确性这两个优势。其优点是可以在体内有效诱导细胞免疫。重要载体有牛痘病毒的变体、脊髓灰质炎病毒、禽痘病毒、腺病毒、流感病毒、疱疹病毒、沙门菌、志贺菌等。


病毒载体疫苗又可以细分为两个小类:复制型病毒载体疫苗(如减毒流感病毒载体疫苗)、非复制型病毒载体疫苗(如腺病毒载体疫苗)。


(1)、复制型病毒载体疫苗:复制型病毒载体疫苗是改造后的有活性的流感病毒,其表面带有新冠病毒的刺突蛋白(S蛋白),S蛋白是新冠病毒入侵人体细胞的关键“钥匙”。减毒活疫苗的工作机制如下:


① 先将新冠病毒的S蛋白基因移植到低毒的流感病毒内部,使其表面长出S蛋白,并保留其活性。


② 然后将改造后的流感病毒颗粒,输入人体。


③ 这些流感病毒仍然具有活性,能够融入人体细胞,复制出更多带有S蛋白的流感病毒。


④ 人体内大量的带有S蛋白流感病毒,能够导致人体内的抗原呈递细胞对其识别。


⑤ 一旦抗原呈递细胞能够识别这些S蛋白,并将其特征肽展示给辅助T细胞。


⑥ 辅助T细胞将进一步刺激并激活杀伤T细胞,识别和杀死被病毒感染的细胞,形成细胞免疫。


⑦ 更重要的是辅助T细胞将刺激B细胞增殖,产生中和抗体或者可标记病毒抗原的抗体,最终消灭病毒,形成体液免疫。


疫苗的起源和研制现状


由厦门大学、香港大学和北京万泰生物共同研制的鼻喷流感病毒载体新冠疫苗,就属于减毒流感病毒载体疫苗:用已批准的减毒流感病毒疫苗为载体,携带新冠病毒的S蛋白,刺激人体产生抗体。优点:接种剂次少,免疫时间长。缺点:研发时间长,难储运。


(2)、非复制型病毒载体疫苗:非复制型病毒载体疫苗是改造后的无活性的腺病毒,其内部带有新冠病毒的S蛋白基因。非复制型病毒载体疫苗的工作机制如下:


① 先将新冠病毒的S蛋白基因移植到低毒的腺病毒内部,并灭掉其活性。


② 然后将改造后的无活性腺病毒颗粒,输入人体。


③ 这些无活性病毒不能够像活病毒一样,融入人体细胞内复制新的病毒。但其内部的新冠病毒的S蛋白基因会被人体细胞复制出更多的新冠病毒的S蛋白。


④ 体液中这些大量的新冠病毒的S蛋白,能够导致人体内的抗原呈递细胞对其识别。


⑤ 一旦抗原呈递细胞能够识别这种S蛋白,并将它的特征展示给辅助T细胞。


⑥ 辅助T细胞将进一步刺激并激活杀伤T细胞,识别和杀死被病毒感染的细胞,形成细胞免疫。


⑦ 更重要的是辅助T细胞将刺激B细胞增殖,产生中和抗体或者可标记病毒抗原的抗体,最终消灭病毒,形成体液免疫。


英国阿斯利康(AstraZeneca)公司推出的、康希诺生物股份公司与军事科学院军事医学研究院陈薇院士团队合作研发的新冠疫苗就是腺病毒载体疫苗:用经过改造后无害的腺病毒作载体,作为载体的腺病毒剔除了复制相关基因,在体内不会复制;在剔除了基因的位置上插入一段新基因,用于合成新冠病毒刺突蛋白(S蛋白),刺激人体产生抗体。优点:安全高效、易储运,不良反应少。缺点:有效性可能不足。


6、核酸疫苗(nucleic acid vaccine)


也称基因疫苗(genetic vaccine),分为DNA疫苗和RNA疫苗两种,是将编码某种抗原蛋白的外源基因(DNA或RNA)直接导入人体细胞内,并通过人体细胞的表达系统合成抗原蛋白,诱导人体产生对该抗原蛋白的免疫应答,以达到预防和治疗疾病的目的。


第一代疫苗技术是减毒活疫苗、灭活疫苗,针对的是病毒等完整病原体;第二代疫苗技术是亚单位疫苗,针对的是病原体的特征性蛋白;第三代疫苗技术是核酸疫苗,针对的是编码抗原蛋白的基因片段。


核酸疫苗引入编码抗原的DNA或RNA,以脂质纳米颗粒封装,进入细胞后利用宿主细胞的核糖体来合成抗原,可针对抗原蛋白(如新冠病毒的刺突蛋白)发挥作用。与费时费力的传统疫苗研发相比,核酸疫苗无需拿到病毒株,而只需要病毒的基因序列,然后就可以体外合成,省去病毒分离、培养、纯化、灭活等一系列流程,最大限度地压缩药物发现阶段所耗费的时间,研发过程堪称“闪电速度”:mRNA疫苗从启动研发到上市应用仅耗时1年,大大突破了通常情况下疫苗研发8~10年上市的周期,这为新发突发传染病快速获取预防性疫苗带来了新希望;并且疫苗生产也无需细胞培养,生产过程简单。


与传统疫苗相比,核酸疫苗具有免疫应答持久、制造工艺简单以及能够用于肿瘤预防等多种优势,在急性传染病、艾滋病和癌症预防等领域前景广阔。但是,核酸疫苗难储运;核酸疫苗虽然与宿主DNA同源重组的可能性很小,但随机插入还是有可能的,是否诱导癌变仍然是一个关注的问题;另外,外源核酸的导入可能会给人体带来免疫异常等副作用。


美国莫德纳(Moderna)公司、美国辉瑞(Pfizer)公司推出的新冠疫苗就是mRNA疫苗:将编码S蛋白的基因注入人体,利用人体细胞在人体内合成S蛋白,刺激人体产生抗体。中国沃森生物、丽珠集团、西藏药业等公司正在研发mRNA新冠疫苗。优点:研发生产快,免疫强,安全性较高。缺点:技术不成熟,稳定性弱,难储运。


疫苗的起源和研制现状

新冠病毒主要通过表面的刺突蛋白(S蛋白)附着在人体呼吸道的细胞上并侵入细胞,新冠疫苗诱导人体产生的抗体可以识别刺突蛋白、并阻止刺突蛋白附着在细胞上,可以中和病毒、预防新冠肺炎


三、新冠灭活疫苗的生产过程


新冠疫苗从接种细胞培养到疫苗成品需要48天,因为需要经过细胞培养、病毒培养、灭活、纯化、配比、灌装、包装这七大步骤。


1、细胞培养:在细胞培养车间,对非洲绿猴肾细胞(Vero cell)进行大规模培养。Vero细胞有用于培养狂犬病疫苗、乙脑疫苗等多种疫苗的成功案例,在非典期间又用于培养冠状病毒。Vero细胞可以经过多次分裂而不衰老,最适合繁殖培养新冠病毒。


2、病毒培养:在原液车间,将分离纯化得到的新冠病毒接种于Vero细胞生物反应器中,进行大规模培养,以获得大量新冠病毒。


3、灭活:由于培养出来的新冠病毒仍然是活的病毒,所以要对生产出来的病毒进行灭活处理,向灭活罐的病毒收获液中加入灭活剂β-丙内酯,处理一定时间以获得病毒灭活液,去除病毒的致病力。病毒灭活液要进行检验,确保疫苗已经灭活。


4、纯化:病毒灭活液中有很多的杂质,比如培养细胞蛋白、灭活用的化学试剂等,因此还要进行纯化,以避免这些杂质对人体产生不良反应。在原液车间纯化区,灭活液超滤浓缩后,再通过层析、过滤、离心等物理方法多次纯化,除菌过滤后,最终就得到了高纯度的疫苗原液。


5、配比:在制剂车间的配比间,在新冠疫苗原液中加入缓冲液稀释到合适的浓度,并添加佐剂以刺激机体产生免疫反应,这样制成半成品后放入冷库等待检验,然后再进入灌装区。


6、灌装:在制剂车间的灌装间:(1)、预充式注射器为无菌产品,因此从拆包装开始都是在无菌环境中进行,由机器人操作。在针筒内灌入半成品后,机器会给针筒加塞密封,然后送入包装车间。(2)、西林瓶并非无菌瓶,因此需要进行洗瓶和高温消毒,包括超声波预清洗、高温蒸汽冷凝水冲洗内外壁、压缩空气喷吹、350℃高温烘干。然后,西林瓶进入无菌灌装线,半成品由机器直接灌入西林瓶。


7、包装:在包装车间内,疫苗先经过灯检,挑出不合格产品。合格产品进入到包装线,说明书、药品追溯码、包装盒等都是由机器自动化操作完成。


完成中包装的新冠疫苗被机器打成大包装,送至库房集中存储。库房温度一直保持在5℃的恒温状态。


在信息碎片化的时代,我反复查证、整理了这篇关于疫苗尤其是新冠疫苗的科普知识,以期减少大家的搜索、查询之苦,了解疫苗的起源和研制现状,了解疫苗对于新冠肺炎疫情的防控作用,了解疫苗对于我们自身的保护作用。


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