在全球新冠病毒感染人數(shù)累計(jì)超過 1 億，死亡人數(shù)超過 230 萬之時(shí)（圖 1），疫苗作為抵御新冠病毒全球大流行的終極武器，被人們寄予厚望。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全球正在從多種不同種類的技術(shù)平臺(tái)開展新冠疫苗研發(fā)，包括滅活疫苗、非復(fù)制型載體疫苗、復(fù)制型載體疫苗、減毒活疫苗、DNA 疫苗、RNA 疫苗、蛋白亞單位疫苗等。
目前，全球有超過 230 種新冠疫苗在研發(fā)過程中，且已有多款新冠疫苗獲批上市或附條件上市。
圖1：截止2021年2月10日，全球新冠疫情分布，來源：WHO官網(wǎng)
疫苗作為人類實(shí)現(xiàn)主動(dòng)群體免疫的重要手段，從詹納第一次從牛痘中研發(fā)出天花疫苗開始，就在漫長的傳染病抗?fàn)幨分邪缪萜鹬匾慕巧?。而其中，疫苗?strong>抗原是決定一款疫苗的有效性的重要因素，也是疫苗的重要組成部分。
什么是疫苗的抗原
所有疫苗都含有一種能誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的活性成分，也就是所說的疫苗的“抗原”（圖 2），可以被免疫系統(tǒng)識(shí)別，并引起特異性免疫反應(yīng)。疫苗的發(fā)展也伴隨著疫苗抗原角色的演變，現(xiàn)代疫苗的抗原可以是病原體的一小部分，如重組蛋白質(zhì)或糖；也可以是整個(gè)病原體的減毒或滅活形式，如傳統(tǒng)的滅活疫苗；也可以是誘導(dǎo)機(jī)體自我組裝疫苗抗原的“模板藍(lán)圖”，如 mRNA 。
在疫苗研發(fā)過程中，如果選對(duì)疫苗的抗原，人體就可以產(chǎn)生體液或/和細(xì)胞免疫，讓病原體失去致病力，從而成功抵御病毒。如果選擇錯(cuò)誤的抗原，雖然一定概率上也會(huì)產(chǎn)生免疫應(yīng)答，但這種免疫力很可能無法對(duì)病原體起效。
圖2：疫苗的抗原選擇與病原體的關(guān)系
新冠疫苗靶標(biāo)抗原的選擇
引起此次全球疫情的“元兇”是一種新型冠狀病毒——SARS-CoV-2，屬于冠狀病毒科。
SARS-CoV-2 僅含有一條正鏈 RNA 基因組，能編碼 4 種主要的結(jié)構(gòu)蛋白：刺突蛋白（S 蛋白）、包膜蛋白 (E 蛋白)、 膜蛋白（M 蛋白）和核殼蛋白（N 蛋白），以及多種非結(jié)構(gòu)蛋白。而這些編碼的結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)蛋白，即可作為 SARS-CoV-2 疫苗研發(fā)的抗原候選。其中，S 蛋白是和 ACE2 結(jié)合的核心蛋白，也是主要的抗原選擇。
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全病毒抗原
滅活疫苗的抗原都是全病毒，原理上，其用物理、化學(xué)方法殺死病原微生物，但仍保持其免疫原性，以此方法進(jìn)行疫苗的生產(chǎn)，接種入人體再激發(fā)免疫應(yīng)答。所以，滅活疫苗實(shí)際上發(fā)揮作用的抗原就是完整的新冠病毒，包含病毒的核酸和蛋白。
然而，滅活疫苗包含的蛋白和核酸都具備一定的免疫原性，可能會(huì)誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生一定的不相關(guān)抗體，從而使針對(duì)關(guān)鍵S蛋白的特異性抗體比例稍有下降。
整體來看，使用全病毒作為抗原的滅活疫苗的免疫原性稍遜色于新型疫苗，需要使用佐劑來協(xié)助提升免疫原性。目前國內(nèi)新冠滅活疫苗的研發(fā)處于世界領(lǐng)先地位，已有兩款疫苗在國內(nèi)正式獲批使用。
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S蛋白抗原
刺突蛋白（S 蛋白）是最常被選擇作為冠狀病毒疫苗的候選抗原，因?yàn)樗诮閷?dǎo)病毒進(jìn)入細(xì)胞中起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)，因?yàn)橥暾?S 蛋白分子量比較大（約 600 kDA），免疫原性也相對(duì)強(qiáng)，僅需少量即能產(chǎn)生很強(qiáng)的免疫反應(yīng)。成熟的 S 蛋白以三聚體形式展示在病毒顆粒表面，包含 S1 和 S2 兩個(gè)亞基。
其中，S1 亞基位于病毒最外端（N 端），包括 N-Terminal Domain （NTD）和Receptor Binding Domain（RBD），RBD 參與結(jié)合宿主細(xì)胞表面受體，即血管緊張素酶 2（ACE2），觸發(fā)病毒包膜與感染細(xì)胞膜的融合過程。S2 亞基位于病毒近端（C端），包括 Heptad Repeat（HR），Central Helix（CH）和 Connector Domain（CD）等結(jié)構(gòu)域，主要負(fù)責(zé)將S蛋白錨定在宿主細(xì)胞膜上并介導(dǎo)病毒包膜與宿主細(xì)胞膜間的融合，使包裹病毒 RNA 基因組的核衣殼入胞，完成侵染。
因此，阻斷 S 蛋白或其 RBD 區(qū)與 ACE2 受體的結(jié)合便可以攔截病毒入侵宿主細(xì)胞，從而保護(hù)宿主免于 SARS-CoV-2 感染，提示 S 蛋白或 RBD 有可能是疫苗抗原的候選靶標(biāo)。
新型冠狀病毒利用同源三聚體的 S 蛋白進(jìn)入宿主細(xì)胞，在這一病毒融合（fusion）過程中，S 蛋白會(huì)經(jīng)歷結(jié)構(gòu)變化，包括病毒的 S1 亞基結(jié)合到宿主細(xì)胞受體上，讓 S 蛋白的三聚體產(chǎn)生不穩(wěn)定性，進(jìn)而造成 S1 亞基脫落，S2 亞基形成高度穩(wěn)定的融合后（post-fusion）結(jié)構(gòu)（圖 3）。
腺病毒載體疫苗大多使用 S 蛋白作為抗原，目前處于領(lǐng)先地位的 Ad5-nCoV 和 ChAdOx1 nCoV-19 等腺病毒載體疫苗在不同的腺病毒中編碼了 S 蛋白的基因序列，利用腺病毒攜帶抗原基因進(jìn)入人體來表達(dá)抗原蛋白。不僅如此， mRNA 疫苗 CVnCoV 也使用 S 蛋白作為抗原。
圖3：S蛋白經(jīng)歷的結(jié)構(gòu)變化
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S蛋白三聚體抗原
雖然 S 蛋白是理想的疫苗靶標(biāo)抗原，但天然的 S 蛋白具有不穩(wěn)定性，不利于 S 蛋白功能的研究及疫苗的開發(fā)，因此很多科學(xué)家對(duì) S 蛋白進(jìn)行“加工”以增加其穩(wěn)定性。
有科學(xué)家通過添加 2 個(gè)脯氨酸突變（K986，V987）來穩(wěn)定 S 蛋白，如已經(jīng)在全球范圍內(nèi)獲批使用的 mRNA 核酸疫苗 BNT162b2 和 mRNA-1273。重組亞單位疫苗中，使用 S-2P 作為抗原的 NVX-CoV2373 在 I 期臨床中在接種者體內(nèi)產(chǎn)生的中和抗體滴度高達(dá) 3906，冠絕所有進(jìn)入臨床階段的新冠疫苗，目前已處在 III 期臨床階段，有望今年在歐美獲批使用。
不僅如此，因?yàn)?S 蛋白三聚體的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，理所當(dāng)然也稱為優(yōu)秀的抗原選擇之一，我國研究團(tuán)隊(duì)用 Trimer-Tag? 技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 S-Trimer 重組亞單位疫苗就使用了 S 蛋白三聚體作為抗原，在前期臨床試驗(yàn)中可以誘導(dǎo)出較高水平的中和抗體，且耐受性良好。
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RBD結(jié)構(gòu)域抗原
RBD 受體結(jié)構(gòu)域是 S 蛋白和 ACE2 結(jié)合的關(guān)鍵部位，具體地，新冠病毒通過 S 蛋白的 RBD 受體結(jié)合域與人體細(xì)胞表面的受體 ACE2 結(jié)合，如同鑰匙配一把鎖一樣，幫助病毒打開了進(jìn)入人體的通道，可以說是 S 蛋白上真正起作用的關(guān)鍵元件。
但是，如果僅選擇 S 蛋白上的 RBD 作為抗原，也會(huì)損失掉病毒 S 蛋白其他區(qū)域的T細(xì)胞表位，因此以 RBD 為抗原的T細(xì)胞反應(yīng)次于以全長 S 蛋白為抗原的 T 細(xì)胞反應(yīng)，免疫原性不如使用 S 蛋白抗原的疫苗。
作為 S 蛋白抗原疫苗的有力補(bǔ)充，使用 S 蛋白的 RBD 受體結(jié)合域作為抗原的新冠疫苗也紛紛登上舞臺(tái)。重組亞單位疫苗中，國產(chǎn)的 RBD Dimer 還有海外的 KBP-COVID-19 等疫苗都致力于使用 RBD 作為核心抗原來激發(fā)特異性免疫，其中前者在烏茲別克斯坦的 III 期臨床已經(jīng)正式啟動(dòng)。而在核酸疫苗中，BNT162b1 也使用 RBD 作為抗原，并運(yùn)用 modRNA（修飾核苷）技術(shù)來完成疫苗設(shè)計(jì)。
遺憾的是，雖然一樣進(jìn)入“快速通道”進(jìn)行篩選，但已經(jīng)在其 I / II 期臨床試驗(yàn)中被同公司安全性及有效性更高的“兄弟疫苗” BNT162b2 淘汰，未能進(jìn)入最終的全球III期試驗(yàn)。但是從試驗(yàn)結(jié)果來看，BNT162b1 擁有和 BNT162b2 一致的高免疫原性和安全性。國產(chǎn) mRNA 疫苗 ARCoVax 也同樣使用 RBD 受體結(jié)合域作為抗原，但是目前仍處于早期臨床階段。
總結(jié)
總而言之，抗原是影響疫苗的免疫原性和安全性，以及后續(xù)保護(hù)效力的重要因素?，F(xiàn)如今，全病毒作為抗原的滅活疫苗已應(yīng)用廣泛 ，構(gòu)筑了人群的免疫長城。而隨著新型疫苗的蓬勃發(fā)展，各類抗原的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成為了疫苗研發(fā)的“后起之秀”，引領(lǐng)多方團(tuán)體進(jìn)行投入和鉆研（表1）。
在未來，各式各樣的新型抗原亦有可能共同成為解決新冠疫情的答案。
表1：主要新冠疫苗和抗原選擇
*信息來源于WHO，截止至2021年2月23日
參考文獻(xiàn)
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