Next-Generation Vaccines against COVID-19 Variants: Beyond the Spike Protein

抗新冠病毒變種的下一代疫苗：不僅僅是刺突蛋白

作者： Srinivasa Reddy Bonam, Haitao Hu

2020年初，SARS-CoV-2引起COVID-19大流行，截至2022年12月，SARS-CoV-2在全球已造成6.5億人感染，660萬人死亡。與其他β -冠狀病毒(如MERS-CoV和SARS-CoV)相比，SARS-CoV-2在人群中具有更高的復制率和攻擊率，并且在住院患者中具有較高的死亡率。COVID-19的癥狀與流感相似，同時SARS-CoV-2感染的嚴重程度與合并癥有關(guān)，如心血管疾病、糖尿病和肥胖，從而導致高死亡率。

眾所周知，為逃避宿主的免疫系統(tǒng)攻擊，病毒會不斷進化產(chǎn)生多種突變，這可能導致病毒蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，從而增強了病毒的感染性，不僅避開了傳統(tǒng)的檢測方法還可能產(chǎn)生多種疾病結(jié)果。因此，隨著SARS-CoV-2新變種的不斷出現(xiàn)，迫切需要開發(fā)能夠?qū)π鲁霈F(xiàn)的毒株產(chǎn)生廣泛保護的泛COVID-19疫苗。

自2020年以來，針對SARS-CoV-2的疫苗研制取得了重大成功，包括滅活疫苗、基于病毒載體的疫苗、重組亞單位疫苗和核酸(DNA或RNA)疫苗。其中，兩種基于mRNA的疫苗(Pfizer-BioNTech和Moderna)和一種基于腺病毒26的疫苗(Johnson & Johnson)獲得了美國食品和藥物管理局(FDA)的緊急授權(quán)，獲準臨床使用。此后，這兩種mRNA疫苗獲得了全面批準。隨后，其他針對COVID-19的疫苗被批準，包括Novavax的佐劑疫苗(SARS-CoV-2 S蛋白與Matrix-M佐劑)。這些疫苗已在世界各地分發(fā)了數(shù)百萬劑，用于對受感染人群和未受感染人群進行免疫接種。

目前，mRNA、腺病毒載體和亞單位疫苗已被臨床批準用于人類。這些第一代COVID-19疫苗主要針對病毒刺突(S)蛋白，并激發(fā)有效的中和抗體。但隨著COVID-19的流行，全球范圍內(nèi)先后出現(xiàn)了多種新的SARS-CoV-2變體，尤其是SARS-CoV-2高傳染性的變體（如Delta和Omicron變體）出現(xiàn)，其強大的免疫逃逸能力和更大的傳播性挑戰(zhàn)著基于第一代疫苗的防御策略。同時，隨著時間的推移，接種疫苗的個體對病毒的免疫力下降。在對COVID-19的長期控制中，這一問題也不可忽略。

2023年4月23日，美國德州大學醫(yī)學分部微生物與免疫學系Haitao Hu副教授團隊在Zoonoses發(fā)表綜述論文《Next-Generation Vaccines against COVID-19 Variants: Beyond the Spike Protein》（抗新冠病毒變種的下一代疫苗：不僅僅是刺突蛋白）。

冠狀病毒核衣殼蛋白(N)是SARS-CoV-2的重要結(jié)構(gòu)蛋白，在感染細胞中大量表達。與其他病毒結(jié)構(gòu)蛋白一樣，N蛋白在冠狀病毒的生命周期中起著至關(guān)重要的作用，包括mRNA轉(zhuǎn)錄、細胞骨架組織、RNA復制、包裝和免疫調(diào)節(jié)。在不同的SARS-CoV-2變體中比S蛋白更保守，具有較好的交叉反應(yīng)性且能誘導持久的N蛋白特異性T細胞免疫。該綜述表明在下一代COVID-19 VOCs疫苗中加入N蛋白免疫原的益處和實用性。

Haitao Hu副教授團隊制備了一種核苷修飾的脂質(zhì)納米顆粒(LNP)配制的mRNA疫苗，該疫苗編碼SARS-CoV-2(武漢-1株)全長N蛋白(mRNA-N)。小鼠免疫原性分析表明，mRNA-N具有高度免疫原性，可誘導強烈的N蛋白特異性結(jié)合抗體和T細胞(CD4+和CD8+)反應(yīng)。正如預期的那樣，mRNA-N沒有引起中和抗體反應(yīng)。與基于其他平臺的表達N蛋白的疫苗類似，該mRNA-N疫苗對小鼠適應(yīng)性SARS-CoV-2和Delta病毒變體具有一定的保護作用。

為了與第一代S蛋白靶向疫苗進行比較，Haitao Hu副教授團隊還制備了表達SARS-CoV-2 S蛋白(mRNA-S)的mRNA-LNP疫苗，在嚙齒動物模型中單獨或與mRNA-N (mRNA-S+N)聯(lián)合評估其免疫原性和對多種SARS-CoV-2 VOCs的保護功效。數(shù)據(jù)顯示，mRNA-S+N疫苗接種對多種SARS-CoV-2毒株的保護作用明顯強于單獨接種mRNA-S。

單獨mRNA-S和mRNA-S+N之間最大的差異體現(xiàn)在對Omicron的保護作用上:由于Omicron變體強大的免疫逃逸能力，單獨mRNA-S對Omicron的保護作用大大降低，而接種mRNA-S+N疫苗對Omicron具有顯著的保護作用，從而表明mRNA-S+N誘導了針對VOCs的交叉保護性免疫。同時，CD8+ T細胞在mRNA-S+N疫苗免疫后對VOCs的保護中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

總之，本研究結(jié)果表明，二價mRNA-S+N是針對新出現(xiàn)的SARS-CoV-2變體的潛在泛COVID-19疫苗。

圖1 新現(xiàn)新冠病毒變體

圖2 mRNA疫苗作用機制

圖3 新冠病毒及其N蛋白結(jié)構(gòu)