Recombinant COVID-19 Vaccine for nasal use (CanSino Biotech)

中文摘要       新型冠状病毒奥密克戎变异株已经成为目前流行最广的新型冠状病毒变异株，其发生在刺突蛋白上的广泛突变赋予变异株新的特性，给公共卫生安全带来了巨大挑战。此文对奥密克戎株的感染机制及部分流行病学特点、现有疫苗对奥密克戎株引发疾病的有效性分析、突破性感染风险分析、以及对疫苗改进及研发方向的展望4个方面进行了阐述。奥密克戎株进入细胞的方式从膜融合转变为内吞途径，新突变的生成赋予了该变异株传播力强、潜伏期及恢复期时间短、引起症状轻、疫苗接种及恢复期人群同样易感等特点，严重影响了疫苗有效性，增加了突破性感染的风险，对后续疫苗的改进及研发方向提出了新的要求。正文       目前全球公共卫生组织关注的新型冠状病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）变异株主要有5大类：Alpha（B.1.1.7）、Beta（B.1.351）、Gamma（P.1）、Delta（B.1.617.2）、Omicron（B.1.1.529）[1]。B.1.1.7、B.1.351、P.1、B.1.617.2、B.1.1.529 是 Pango 的谱系号，Pango谱系命名法可表示变异株地理上的进化位置及与其他变异株亲缘关系的远近，由字母前缀和数字后缀组成，数字后缀中的每个点表示“的后代”，例如B.1表示B支系的第1个子代分支，B.1.1.7则表示B.1.1支系的第7个后代；为避免更多后缀，当某一个支系后面的数字超过3个时，将产生一个新的字母支系，如支系B.1.1.28.1命名为P.1。为以简单和非污名化的方式提及这些重要变异株，WHO采用希腊字母进行代替命名。本文就Omicron株的突变及效应情况、感染机制及流行病学特点、已上市疫苗对Omicron株的有效性等方面进行阐述及讨论，为后续COVID-19的预防及治疗提供相关研究资料。1Omicron变异株的突变及其效应       Omicron株相比于野生型毒株，在刺突蛋白（spike, S）上产生了超过30个突变位点，其中有15个出现在受体结合域（receptor binding domain，RBD）区域（表1）。Omicron株主要分为BA.1、BA.2、BA.3、BA.4、BA.5亚型，虽然 BA.1 在许多国家都属于主要流行亚型，但研究数据表明BA.2比BA.1亚型可能更具威胁[2-5]；BA.4及BA.5亚型因其极强的传染性和免疫逃避能力，尤其是擅长逃避疫苗接种和既往感染产生的免疫力，在全球变异株中所占比例持续增加[6-10]。2Omicron变异株感染机制及部分流行病学特点2.1传播力增强       Hui等[11]通过比较野生型及Delta、Omicron变异株SARS-CoV-2在离体的人鼻、支气管和肺组织中的复制能力和呼吸组织向性差异，发现相较于野生型和Delta株，Omicron株在鼻腔及支气管组织中的复制能力较高，而在肺实质组织中的复制能力较低，对人体肺组织表现出较低的倾向性。这是由于支气管内血管紧张素转换酶2（angiotensin converting enzyme 2，ACE2）与跨膜丝氨酸蛋白酶2（transmembrane serine proteinase 2，TMPRSS2）的表达量更高，并且发生在核衣壳蛋白（nucleocapsid，N）上的R203K与G204R突变能够增强病毒复制能力，因此，肺部到上呼吸道的组织向性转变使得Omicron株更容易通过气溶胶传播感染。另外，相较于细胞融合机制，Omicron株更依赖于在组织蛋白酶的作用下，通过传统内吞途径进入宿主细胞。病毒常用的内体融合途径主要包括小窝蛋白介导的内吞、网格蛋白介导的内吞、脂筏介导的内吞和巨胞饮。Bayati等[12]研究表明，当与质膜接触后，SARS-CoV-2通过网格蛋白介导的内吞作用经历快速内化。其机制为衔接蛋白被招募至质膜高活性、易酶解的位点，与网格蛋白相互作用，启动网格蛋白包被液泡在质膜的形成，膜内侧网格蛋白包被区域形成内陷，与细胞膜外ACE2受体结合的病毒能够被小范围的凹陷区吞没，在含有GTP酶活性的动力蛋白的作用下，液泡从膜上解离下来形成一个内吞膜泡，将病毒带入细胞内；随后，内吞膜泡与核内体融合，核内体中一种名为组织蛋白酶L的酶可以裂解S，暴露其融合肽区，融合肽介导病毒膜与核内体膜融合，诱导病毒基因组进入细胞质基质进行感染[13]。而在上呼吸道中，ACE2与组织蛋白酶共表达的细胞比ACE2与TMPRSS2共表达的细胞更多，这使得Omicron株感染的细胞范围进一步扩大，提示支气管中的病毒复制效率更高、更快而导致传播增强[14]。同时，大多数缺失和突变都发生在与特异性抗体结合位点内，导致许多N端结构域（N-terminal domain，NTD）或RBD定向抗体失去了原有效力，疫苗接种者或恢复期患者血清对Omicron株的中和能力相比于野生型假病毒也明显降低，这也是Omicron株能够感染更大范围宿主的另一可能原因[15]。2.2病毒潜伏期及患者恢复期短RBD具有“Up”与“Down”两种构象，“Up”构象能够与受体结合，同时也因呈开放构象暴露于机体免疫系统从而被识别，“Down”构象则能够躲避免疫系统识别。T547K、N764K与N856K这些突变能够引入新的结构域间、亚基间的相互作用，使得S排列更加紧密，帮助稳定Omicron株的开放构象。相比于野生型近50%的开放构象，Omicron株能够达到100%的开放状态，并且含有一个处于“Up”构象的RBD，使得Omicron株在更有效介导受体结合与病毒入侵的同时，几乎全部暴露于免疫系统，诱导机体对病毒感染做出迅速有效的应答，这符合病毒潜伏期及患者恢复期时间短的特点[15-17]。但快速的免疫应答并不完全等同于良好的免疫效果，Omicron株发生在RBD的突变赋予了病毒更高的ACE2受体亲和力与更强的免疫逃避作用，使得该变异株能够逃逸中和抗体，影响机体免疫效果。2.3引起肺部症状较轻      Omicron株较轻的肺部症状可能由S上S1/S2切割减少、TMPRSS2的较低依赖性引起。相较于野生型及其他变异株SARS-CoV-2，Omicron株在肺部的复制效率更低，且对感染细胞产生的损伤更小。早期的S1/S2切割有助于暴露出来的S2'裂解位点与受体结合，这是TMPRSS2介导的S2'裂解与细胞融合所必需的。但发生在弗林蛋白酶解离位点附近的T547K突变及S2中的N764K、N856K、N969K突变导致S2亚基螺旋与S1之间形成新的静电接触，2个亚基之间相互作用的增强引起S1/S2切割减少，进而影响病毒对宿主细胞的感染[18]。除此之外，Hui等[14]发现与TMPRSS2 抑制剂 Camostat mesylate 相比，Omicron株对组织蛋白酶抑制剂E64d表现出更高的敏感性，这一研究结果表明Omicron株主要依赖传统的内吞途径进入宿主细胞。S1/S2切割减少及较低的TMPRSS2依赖性导致处于分裂状态的S减少，病毒复制效率降低，肺中复制受到抑制，进而引起较轻的肺部症状，因此，Omicron株感染者主要以轻症为主，症状主要表现为嗅觉丧失、咽喉疼痛等。完全接种了疫苗之后，患严重疾病的人数进一步减少，住院风险也显著降低[19]。2.4恢复期及疫苗接种人群的感染      与野生型及其他关注变异株相比，Omicron株呈现出更高的ACE2受体亲和力。这是由于S477N、Q493R、G496S、Q498R、N501Y 突变能够完全补偿K417N、G446S、Y505H引起的一些相互作用损伤，从而继续保持对ACE2的高亲和力；另外，T478K、E484A、Q493R、Q498R 和 Y505H 等突变还能够引起RBD与ACE2结合界面的静电势能产生变化，使原本零散分布的正电势能区域汇集成更大的区域，从而与ACE2的静电势能面形成更加完美的互补，导致在RBD与ACE2形成更为紧密的结合时，阻碍了 RBD与抗体的结合。S371L、S373P及S375F突变虽然不会影响RBD与ACE2结合，但由于其向疏水性残基的突变形成了一个独特的团簇，诱导RBD构象变化，赋予变异株更高的免疫逃避能力[8]。这符合疫苗接种者及恢复期人群同样易感的特点。相比于感染Delta株人群，感染Omicron株的人群中有更高比例的人具有既往SARS-CoV-2感染史[20]。3Omicron株的疫苗有效性       目前，大多现有疫苗都是基于S研发，发生在其抗体表位上的大量突变会使得现有疫苗有效性大大降低，病毒对中和抗体的耐药性明显增强，除此之外，大多数NTD及RBD定向抗体也因为突变显著或完全失去活性，这严重威胁到疫苗及单克隆抗体（单抗）对病毒感染的预防及治疗效果[21-22]。当然，还有一部分单抗仍能有效应对Omicron株的抗体逃避，如单抗ZWD12能够通过阻断S与ACE2的结合，对 Alpha、Beta、Gamma、Kappa、Delta 和Omicron变异株表现出有效而广泛的中和作用[23]；从恢复期患者外周血单个核细胞中分离的单抗EV053273和EV053286能够抑制Omicron变异株的复制活性，有效阻止体内感染[24]。但总体来说，初始剂量疫苗的接种及现阶段单抗的使用已经不能满足人类对Omicron株的防护需要，因此，加强针的接种显得尤为重要。3.1初始剂量疫苗的有效性       初始剂量的疫苗接种对Omicron株感染者产生的有效性较野生型及其他变异株显著降低，并且不同种疫苗在持久性方面也表现出明显差异。Zeng等[25]评估了 11种疫苗对Alpha、Beta、Gamma、Delta、Omicron这5种变异株的有效性，发现完全接种疫苗针对变异株依次表现出88.0%、73.0%、63.0%、77.8%、55.9%的疫苗效力。针对Omicron株感染，2剂BNT162b2疫苗在第2剂注射后3个月内预防住院和急诊的有效性分别为68%和64%，9个月后则分别降至41%和31%[26]；2剂mRNA-1273疫苗预防住院病例的有效性在3个月内、3~6个月、6~9个月及9个月后分别为44.0%、23.5%、13.8% 及5.9%[20]。2 剂ChAdOx1 nCoV-19在第2剂接种后5~6个月几乎观察不到对Omicron株感染的症状性疾病的保护作用[27]。2剂BBV152针对Omicron株的中和抗体几何平均滴度水平显著低于其他变异株，但6个月后仍能检测到抗体[28]。在巴西进行的1项研究显示，2剂CoronaVac在儿童中预防症状性疾病的有效性为39.8%，预防住院的有效性为59.2%，与在青少年人群和成人中情况一致，且显著低于针对早期流行变异株的有效性[29]。Bhiman等[30]的研究表明，2剂NVX-CoV2373后，对Omicron株亚型BA.1、BA.4的中和抗性分别为72%、59%。3.2同源或异源增加剂量的有效性       初始剂量疫苗的保护作用在完成接种6个月后呈现显著下降趋势，加强针的接种能够有效恢复随时间推移产生的有效性损失，当然，增加剂量的有效性也会逐渐降低，但其始终能够有效预防严重疾病及患者住院治疗。Omicron株流行期间，总体来说，3剂mRNA疫苗在第3针接种后2个月内对急诊和住院患者的有效性分别为87%和91%，第4个月则分别降至66%和78%[31]；3剂BNT162b2在完成注射后3个月内对住院和急诊患者的有效性分别为85%和77%，3个月后降至55%和53%[26]；3剂mRNA-1273疫苗在完成接种后2个月内有效性为72.1%，2个月后降至52.1%[20]；研究显示，针对有症状的Omicron株感染者，2剂BNT162b2或ChAdOx1 nCoV-19对Omicron株的中和活性显著降低，但之后单剂量BNT162b2或mRNA-1273的加强免疫能够重新诱导对病毒的强中和，疫苗效力可恢复至62.4%~73.9%，其中，2剂ChAdOx1 nCoV-19后单剂量BNT162b2加强恢复达到的疫苗效力最低，2剂BNT162b2加单剂量mRNA-1273加强恢复达到的疫苗效力最高，当然，从目前已经接种加强针人群的感染情况来看，更高的血清中和活性并不一定能完全预防病毒感染，接种加强针大约10周后，上述保护效力仍会出现9%~25%的显著降低[27，32]。另外，在2剂mRNA-1273、Ad26.COV2.S、BNT162b2 或 CoronoVac 后接种同源或异源BNT162b2，虽然相较于对野生型保护效力仍表现出下降，但还是能够明显提高对Omicron株的中和抗体水平，而3剂CoronoVac则没有这样的反应；2剂BBIBP-CorV后，同源接种或异源ZF2001接种能显著提高中和抗体滴度水平；值得注意的是，ZF2001异源接种可以促进并维持机体对野生型及其他变异株的体液免疫应答的长期记忆[33]，保持良好的交叉中和抗体应答[34-36]。Zhang等[37]通过小鼠模型证明，接种2剂灭活疫苗后，以重组蛋白疫苗、mRNA疫苗或腺病毒载体疫苗作为加强针接种能够增强中和抗体滴度及Th1型T细胞应答，且后两者增强效应更为显著。总之，异源疫苗序贯免疫能够明显增强疫苗效力，提高对住院及急诊患者的保护作用。3.3疫苗的T细胞效应       Omicron株的RBD能够逃避来自接种个体产生的大量记忆B细胞衍生IgG单抗，两者之间的亲和力及中和效力显著降低，但记忆B细胞具有巨大的增殖潜力，因此可以产生补偿作用来避免严重疾病的发生[38]。CD8+ T细胞的增殖在减轻疾病程度和诱导长期免疫方面具有关键作用，其靶向蛋白并不局限于S，病毒蛋白中存在多个T细胞表位且相对保守。随着时间推移，在中和抗体水平降低的情况下，T细胞应答也许会对机体进行后续长期保护，变异株有可能逃脱抗体应答，但不一定能避免T细胞免疫[39]。有研究通过评价mRNA-1273、BNT162b2，Ad26.COV2.S 和NVX-CoV2373等疫苗对野生型及早期变异株的交叉识别，证实了 T细胞功能应答能够在疫苗作用下于机体中长期保存[40]，其中，总体效应T细胞与CD4+ 记忆T细胞针对Omicron株蛋白的应答相对保守，但CD8+ 记忆T细胞应答则在部分人群中明显减少，当然，增加疫苗剂量能够使T细胞应答得到增强，但同时，发生在RBD的G339D、L452R与N440K突变能够削弱该增强反应[35，41-44]。3.4现阶段新型疫苗       鼻喷疫苗通过吸入的形式完成接种，不仅能实现黏膜免疫、体液免疫和细胞免疫对机体的三重保护作用，而且吸入剂量约为肌内注射剂量的1/5。吸入型Ad5-nCoV克威莎雾优具有良好的耐受性与安全性，2剂克威莎雾优引起的中和抗体应答近似于肌内注射1剂。2剂CoronaVac注射后，再接种克威莎雾优作为异源增强疫苗，对Omicron株具有高度的免疫原性[45-46]。由珠海丽珠单抗生物技术有限公司和中国科学院生物物理研究所合作研发的重组新型冠状病毒融合蛋白疫苗V-01安全性良好，能够诱导快速且强烈的免疫应答，作为异源增强疫苗接种后，受试者中和抗体滴度提高了11.3倍，对预防症状性感染的有效性可达47.8%[47-48]。此外，3款针对Omicron株的疫苗也已在香港开展序贯免疫临床试验，分别为北京生物制品研究所有限责任公司和武汉生物制品研究所有限责任公司共同研发的BIBP-CorV和WIBP-CorV，以及北京科兴中维生物技术有限公司（科兴公司）研发的Omicron株新型冠状病毒灭活疫苗（Vero细胞）。其中，WIBP-CorV在3~17岁人群中耐受性良好，能够产生强烈的体液应答，中和抗体在第3次疫苗接种后至少可以持续6个月[49]。多价疫苗的研发目前也正处于临床试验阶段。美国Moderna公司正在进行的Ⅱ/Ⅲ期临床研究结果表明，二价（原型株、Omicron BA.1亚型）加强疫苗mRNA-1273.214显示出对BA.4、BA.5亚型的高中和滴度；而科兴公司也已在智利获批开展三价新型冠状病毒（野生型、Delta株、Omicron株）灭活疫苗的安全性及免疫原性评估。4对突破性感染的担忧       变异株的突破性感染给疫苗的保护作用带来了巨大的挑战。对于免疫功能正常且无基础疾病的人群，即使发生突破性感染，患者患症状性疾病严重程度及住院治疗的风险也较低，且恢复期较短；而对于免疫功能低下的人群，在完成了加强针的接种后，疫苗效力仍然维持在较低水平，缺乏对Omicron株感染的保护，该类人群可能需要第4剂加强针的防护[50]；针对患有阿尔兹海默症或其他痴呆症的人群，完全接种疫苗后有8.6%~12.4%发生突破性感染，并且感染后住院的风险达到30.4%~46.2%[51]；针对接种疫苗的癌症患者，特别是积极接受癌症治疗与护理的患者，其突破性感染的风险显著增加，并且不同类型癌症之间存在明显异质性，癌症患者的突破性感染与较高的住院风险、死亡率相关[52]；另外，接受血液透析的患者对疫苗产生的抗体应答在较短时间内迅速减弱，从而产生较高的突破性感染风险[53]；患有如糖尿病、心脑血管疾病、高血压等其他基础疾病的老年人发生突破性感染的风险也显著增高，并且表现出较高的病死率。因此，亟待开发新的药物干预措施及疫苗战略调整，对突破性感染进行联合预防与治疗。5展望SARS-CoV-2的强变异性以及变异方向的不可控性对社会公共卫生安全造成了严重威胁，给现有疫苗带来了巨大的挑战。未来病毒的变异方向有2种可能：（1）传染性增强，致病性减弱；（2）传染性和致病性均增强。从预防效果及安全性等角度考虑，多重预防的多价次疫苗及能诱导黏膜免疫的鼻喷疫苗可以作为后续疫苗改进或研发的方向。同时，我们期待新的基于S中相对保守片段的广谱疫苗的研发，以及恢复期血清中治疗性单抗的分离。另外，由于T细胞具有较高的保守性，并能够实现对机体的长期保护，疫苗接种剂量及各剂量间隔时间可以向促进细胞免疫的方向进行调整，尤其是针对发生突破性感染的高危人群。作者郭茜1  郝翠婷2  施维1，21吉林大学分子酶学工程教育部重点实验室，长春 130012；2吉林大学生命科学学院，长春 130012郭茜和郝翠婷对本文有同等贡献通信作者：施维，Email：shiw@jlu.edu.cn引用本文：郭茜，郝翠婷，施维. 新型冠状病毒疫苗对奥密克戎变异株预防的有效性研究 [J]. 国际生物制品学杂志, 2023, 46(1):19-26.  DOI: 10.3760/cma.j.cn311962-20220709-00038