一文读懂新冠疫苗研发五大技术路线及应用前景
来源：科普中央厨房科学加
各国展开新冠疫苗研发竞赛，我国五条技术路线正在同步推进。这五大路线如何理解?应用了哪些转基因技术?最快何时应用?
文/陶黎纳(复旦大学公共卫生硕士，从事预防接种管理工作15年)文/陶黎纳(复旦大学公共卫生硕士，从事预防接种管理工作15年)
3月11日，世界卫生组织宣布，2019冠状病毒已经构成全球性大流行。
3月18日，著名游戏《瘟疫公司》里最难被感染、只要被感染玩家就基本获胜的格陵兰岛，也沦陷了。
▲游戏《瘟疫公司》截屏，白色的是未感染的格陵兰岛▲游戏《瘟疫公司》截屏，白色的是未感染的格陵兰岛
3月27日，美国累计确诊病例8.5万，超过中国的8.2万，成为世界第一。
截止3月底，全球共有超过200多个国家/地区出现疫情，有人的地方就有病毒。
毫无疑问，人类已经面临百年来最大的一场瘟疫。
就像很多瘟疫灾难片，最后的希望是某种神奇的解药。现实世界里，这种神奇的解药只可能是疫苗，但疫苗通常没那么快研发出来。
和平年代，一种疫苗从开始研发到最终上市，至少需要5~10年时间。现在不是和平年代，现在是全人类与病毒短兵相接的大战时刻，对疫苗的需求比以往任何时候都迫切。好在当前的疫苗技术也是今非昔比，完全有可能在保证安全和有效的前提下，用最快的速度研发出可供大规模人群使用的疫苗。
最快的疫苗研发速度有多快?
2月11日，世界卫生组织总干事谭德赛说疫苗需要18个月，3月27日他再次表态说疫苗需要12~18个月。远水解不了近渴，等疫苗研发出来，全人类都可能已经感染过病毒，灾难已然发生，疫苗恐怕只能保护新生儿了。
2月21日，在国务院疫情联防联控机举行的发布会上，国家卫健委宣布：
我国目前有5条疫苗研发技术路线在同步开展，分别是灭活疫苗，重组基因工程疫苗，腺病毒载体疫苗，流感病毒载体疫苗，核酸疫苗。估计最快在今年4月份可以有部分的疫苗进入临床试验。
本来，疫苗在4月份进入人体临床试验已经是非常快的速度了。实际速度更快，我们的腺病毒载体疫苗于3月16日就开始人体临床试验，与美国的mRNA疫苗人体临床试验几乎同时进行。
然而疫苗还需要再快，笔者认为：我国的2019冠病疫苗最快可能在6月底前大规模人群使用，但这不算常规意义上的上市。
为何有这样的判断?让我们来了解一下2019冠病疫苗研发的若干种技术。
下面把我国现役疫苗使用的技术和此次2019冠病疫苗研发使用的技术整合在一起介绍，读者即可了解疫苗研发技术的全貌，又可以把握2019冠病疫苗研发的技术水平与成功可能性。我把疫苗的三个关键参数进行量化评估，分别是安全性、有效性和量产性，满分为五颗★。
01
活疫苗
安全性：★★★
有效性：★★★★★
量产性：★★★
发明于1798年的预防天花的牛痘疫苗，是第一种人类公认的疫苗，这是一种活疫苗，含有活的牛痘病毒。人类通过接种牛痘疫苗以及改良后的天花疫苗，于1980年消灭了天花。现在，人类已经不需要接种牛痘/天花疫苗了，不过活疫苗技术还在广泛使用。
现役疫苗中活疫苗有：卡介苗(预防结核病)、脊灰活疫苗、麻腮风疫苗(包括麻疹、腮腺炎和风疹疫苗的排列组合)、乙脑活疫苗、甲肝活疫苗、水痘疫苗、轮状病毒疫苗、黄热病疫苗、炭疽疫苗、鼠疫疫苗、布病疫苗。
上面这些疫苗名称中，有些没有用[活疫苗]，是因为该疫苗目前只有活疫苗，无需特别说明。疫苗名称里提到[活疫苗]的，表示该疫苗还有未使用活疫苗技术生产者。
活疫苗里含有活病原体，通常可以引起人体轻微/隐性感染。这种感染模拟了自然感染，所以活疫苗的预防效果通常优于非活疫苗。但是，活疫苗的缺点也比较明显。
首先，要得到不引起人体严重感染的病原体并不容易，通常要经过长期培养和不断试验才能偶得，这次2019冠病疫苗研发路线里没有活疫苗技术，关键就是时间上不允许。
其次，不同活疫苗里病原体的致病能力各不相同，总体来说安全性不如非活疫苗。有些活疫苗的安全性很好，比如乙脑活疫苗和甲肝活疫苗，没有引发有症状感染的报告。有些则会引起明显的感染，比如90%的卡介苗接种者会有局部溃疡，还有1‰的卡介苗淋巴结炎;脊灰活疫苗有几十万分之一的概率会导致肢体永久性瘫痪。麻腮风疫苗和水痘疫苗则可以引起轻症感染，但并不严重。
活疫苗需要培养病原体，还需要提纯，再加入稳定剂等，产量一般，并不适合紧急情况下的大量供应。
02
灭活疫苗
安全性：★★★★
有效性：★★★★
量产性：★★★
活疫苗之后的技术就是灭活疫苗，相对于活疫苗来说安全性更好，肯定不会导致人体感染。由于不能模拟自然感染，其效果略逊于活疫苗，但可以通过增加剂量和接种剂次的策略弥补。
现役疫苗中灭活疫苗有：脊灰灭活疫苗、乙脑灭活疫苗、甲肝灭活疫苗、狂犬病疫苗、手足口疫苗、霍乱疫苗、钩体疫苗、出血热疫苗、森脑疫苗。
上面这些疫苗名称中，有些没有用[灭活疫苗]，也是因为该目前疫苗只有灭活疫苗，无需特别说明。
灭活疫苗虽然不像活疫苗那样需要担心感染导致严重不良反应，但灭活疫苗工艺过于简单粗暴，是把病原体整个杀灭后直接做成疫苗，疫苗关键成分就是整个灭活的病原体。然而灭活的病原体太大了，成分过于复杂，真正能让身体产生免疫力的，其实只是其中一小部分，其余部分非但没用，还会增加不良反应。
以流感疫苗为例，最初的流感疫苗叫做全病毒疫苗，就是含有整个灭活的流感病毒，然而因为不良反应太大而被淘汰了。目前最常用的流感疫苗叫做裂解疫苗，可以理解为把流感病毒大卸八块后的碎片做成疫苗，效果还不错，不良反应也小多了。还有一种流感疫苗叫做亚单位疫苗，可以理解为病毒碎片的碎片，不良反应更小了，但效果似乎也差了一点，所以并不主流。
总体而言，灭活疫苗不需要找到病原体上那个关键的、可以产生免疫力的组分，所以容易实现。如果不良反应不是太大，这不失为一种简单而低成本的疫苗技术。另外，如果病原体引发人体免疫的关键成分难以确定，也只能采用灭活疫苗技术了。
这次2019冠病疫苗技术路线之一就是灭活疫苗，这其实是5条技术路线中最落伍的一条。在疫苗不良反应不明确的情况下采取这种技术，只是为了提高成功的保险系数。因为其他4条技术路线都针对2019冠状病毒的S蛋白，万一失败呢?这种情况下，灭活疫苗或许还有成功的机会。
灭活疫苗也需要培养病原体，还需要提纯，再加入稳定剂等，产量一般，而且由于效果略逊，所以需要的剂量通常要大于同种活疫苗。比如，脊灰灭活疫苗需要的病毒量大约是活疫苗的100倍。如果2019冠病疫苗的灭活疫苗和基于S蛋白的疫苗都成功了，那么灭活疫苗在产能和安全性上也很可能处于明显劣势，当超级替补的可能性很大。
03
组分疫苗
除了活疫苗和灭活疫苗，其他疫苗都是组分疫苗，只是技术实现方式不同，可以再细分为常规组分疫苗和转基因组分疫苗，后者还可以再细分为体外表达和体内表达。2019冠病疫苗的其他4条技术路线，都属于转基因组分疫苗，但技术各不相同。
组分疫苗不是活疫苗，因为没有活病原体;组分疫苗也不算灭活疫苗，因为不含完整的病原体全尸。组分疫苗只是把病原体上那个关键的、可以产生免疫力的组分做成疫苗。从逻辑上来说，灭活疫苗和组分疫苗可以称为非活疫苗，与活疫苗对应。
上图涵盖了目前所有的疫苗研发技术，可以看到转基因技术已在疫苗领域被广泛应用。在食品领域，很多人谈转基因色变，然而在医药领域转基因已经是一种不可或缺的技术。目前，所有合法上市的转基因食品或药品都非常安全，建议大家不要相信网上各种转基因谣言。
前面已经介绍了活疫苗和灭活疫苗，下面介绍最重要的组分疫苗技术。
▍常规组分疫苗
安全性：★★★★★
有效性：★★★★
量产性：★★★
现役疫苗中常规组分疫苗有：白百破疫苗(包括白喉、百日咳和破伤风疫苗的排列组合)、流感嗜血杆菌疫苗、流脑疫苗、肺炎球菌疫苗、伤寒疫苗。
白百破疫苗里的白喉和破伤风成分都是类毒素蛋白;百日咳成分是百日咳毒素、丝状血凝素等;流感嗜血杆菌疫苗就是荚膜多糖与蛋白的结合物;流脑疫苗和肺炎球菌疫苗有多糖疫苗和多糖与蛋白结合的结合疫苗;伤寒疫苗目前只有多糖疫苗。
不同的组分疫苗选择的病原体关键成分各不相同，但其作用机制主要有两类，一类是中和毒素(白喉和破伤风)，另一类是阻止病原体与人体细胞结合。
除了灭活疫苗，全球所有2019冠病疫苗都是针对病毒表面的突触蛋白(S蛋白)。S蛋白被认为是2019冠状病毒表面与人体细胞上ACE2受体结合的关键成分，所以组分S蛋白疫苗的机制就是让抗体与S蛋白结合，使其丧失与人体细胞结合的能力，病毒无法进入细胞就不能感染人体了。
常规组分疫苗也需要培养病原体，还需要提取出病原体上的疫苗关键成分。有时候，这种关键成分还需要加入佐剂或进行加工处理，才能取得较好的预防效果。常规组分疫苗产量不高，但好在成分比较精确，安全性明显优于灭活疫苗。
2019冠病疫苗技术路线中没有常规组分疫苗，也并不意外。常规组分S蛋白疫苗需要培养病毒后，再从病毒颗粒上提取S蛋白，这个提取工艺并非现成，还需要研究，提取过程还会有损耗导致S蛋白产量不高，这样折腾还不如直接把病毒灭活做成疫苗。
转基因组分S蛋白疫苗则是另一番景象。
▍体外表达疫苗-重组疫苗
安全性：★★★★★
有效性：★★★★
量产性：★★★★
现役疫苗中重组疫苗有：乙肝疫苗、戊肝疫苗、宫颈癌疫苗。
转基因技术分为体外表达和体内表达两种。体外表达技术指在人体外合成疫苗关键成分，体内表达就是在人体内合成疫苗关键成分。
体外表达技术在乙肝疫苗、宫颈癌疫苗和戊肝疫苗上使用的历史有30年、14年和8年。乙肝疫苗的关键成分是乙肝表面抗原。历史上，最早的乙肝疫苗需要从乙肝携带者血液中提取乙肝表面抗原，产量不高且有潜在的安全风险，现在已经全都是转基因疫苗，产量高，质量好，竞争激烈，已然白菜价，我国政府采购给婴幼儿免费接种的乙肝疫苗价格只有3.1元/支。
体外表达技术在疫苗领域已经非常成熟，所以2019冠病疫苗技术路线第2条就是[重组基因工程疫苗]，这很容易理解。这种技术是把编码疫苗成分的基因转到特定微生物，后者很容易大量培养，顺便就把疫苗成分批量生产出来了，提纯一下就是疫苗了。
乙肝疫苗的转基因技术用到了3种微生物，分别是酿酒酵母、汉逊酵母和CHO细胞。酿酒酵母有时也称啤酒酵母，对!就是生产啤酒发酵用的酵母。
戊肝疫苗的转基因技术用大肠杆菌，宫颈癌疫苗则用了酿酒酵母、大肠杆菌和昆虫粉纹夜蛾的细胞。
目前，天津大学生命科学学院黄金海团队已经用酿酒酵母生产出组分S蛋白疫苗，还有重庆智飞旗下的龙科马公司用CHO细胞生产出了组分S蛋白疫苗，预计4月份开展人体临床试验。
酿酒酵母和CHO细胞的组分S蛋白疫苗获得初步成功，这意味着，我国其他具备这些技术的疫苗企业(深圳康泰、华兰生物、北京天坛、大连汉信、华北金坦)，都有可能略作调整就能大批量生产组分S蛋白疫苗，成为我国2019冠病疫苗供应的最大保障。
▍体外表达疫苗-病毒载体疫苗
安全性：★★★★★
有效性：★★★★★
量产性：★★★★
现役疫苗中尚未应用这种技术。
然而，卫健委提到的5条技术路线有1条就是流感病毒载体疫苗，并解释其机制是：
用减毒的流感病毒疫苗作为载体，我们已经有批准上市的减毒的流感病毒疫苗，在这个流感病毒上面，增加一个新冠病毒的蛋白。
减毒的流感疫苗就是流感活疫苗，采用喷鼻方式接种，其中含有适应低温的流感活病毒。这种活病毒在低于37度的上呼吸道内能有限复制但不致病，在37度的肺内则无法复制。从理论上说，这种流感活疫苗可以模拟自然感染，产生较为全面的免疫力，效果略优于流感裂解疫苗或亚单位疫苗，但还需实践检验。
我国内地目前有一种批准上市的喷鼻剂型流感活疫苗，香港大学也有一款同类疫苗。根据笔者了解，卫健委提及作载体的流感活疫苗，应该是指香港大学的疫苗。
2019冠病疫苗的流感病毒载体技术，应该是把S蛋白基因转入载体流感病毒的基因内，让载体流感病毒表面长出S蛋白，人体对这种流感病毒产生免疫力的同时，也能对2019冠状病毒免疫，可谓一箭双雕。
由于通过流感活病毒模拟感染来预防2019冠状病毒，每剂疫苗需要的流感活病毒量不会太大，相当于提高了疫苗的产能。
不过这种技术还未有人用疫苗上市经验，研发和生产过程中会遇到怎样的问题上无法估计，时间上存在很大的不确定性。
▍体内表达疫苗-病毒载体疫苗
安全性：★★★★★
有效性：★★★★★
量产性：★★★★
现役疫苗中，非常规使用的埃博拉疫苗已经使用该技术，目前已知的有天津康希诺、美国默沙东、美国强生的埃博拉疫苗均使用了腺病毒载体技术。默沙东的埃博拉疫苗已经于2019年底通过了世界卫生组织的预认证。
这也是卫健委提到的5条技术路线，而且是我国最早(3月17日)上人体临床试验的2019冠病疫苗。据志愿者们透露，陈薇院士团队的11人，早在2月29日就已经接种该疫苗。
腺病毒载体技术也把S蛋白基因转入载体腺病毒的基因内，但与流感病毒载体疫苗不同的是，腺病毒表面不会长出S蛋白。接种该疫苗后，腺病毒载体会进入细胞，由于基因缺陷，腺病毒本身无法复制，但其基因内的S蛋白基因会启动产生S蛋白，这种S蛋白会从细胞内转移到细胞外，这个过程也类似感染过程，所以也能产生良好的免疫效果。
腺病毒载体技术相当于把人体细胞当作了疫苗工厂，大大简化了疫苗生产过程。无法自我复制的腺病毒会被人体免疫机制清理掉，安全性非常好，人体内S蛋白的生产过程可以维持1~2周，持续刺激人体产生免疫力。
腺病毒载体2019冠病疫苗的人体试验只安排了1剂，美国同时开展的mRNA疫苗，则需要间隔1个月接种2剂。就笔者目前掌握的信息，其他技术路线的2019冠病疫苗估计都至少需要2剂。所以，腺病毒载体疫苗在节约疫苗、节约医疗资源、减少受种者就医成本方面具有明显优势。
腺病毒载体疫苗可以利用人体工厂产生S蛋白，所以每剂疫苗需要的病毒量不太大，目前试验用剂量是500亿~1500亿个腺病毒颗粒，重约50~150微克。假定10微克S蛋白疫苗可以与1000亿个腺病毒的疫苗效果相当，那么这些S蛋白对应的2019冠状病毒量估计是腺病毒量的250倍，可以认为腺病毒载体疫苗的产能优势也很明显。
▍体内表达疫苗-mRNA疫苗
安全性：?
有效性：?
量产性：★★★★★
DNA和mRNA都是核酸，基于这两种技术的疫苗都是核酸疫苗。
核酸是生命的遗传物质，核酸里带有编码生命各种成分信息的那部分又被叫做基因，基因可以理解为生命的图纸。DNA是原始图纸，mRNA是从复制版图纸，图纸可以生产出各种蛋白质，实现生命的各种功能。
mRNA前的m是message的意思，通常被称为信使RNA。mRNA的功能是将DNA的编码信息从细胞核中复制出来，然后与另外两种RNA一起合成蛋白质。
腺病毒载体疫苗需要把疫苗图纸通过载体带入人体细胞，mRNA疫苗则简单粗暴，直接把疫苗图纸注入人体，让人体细胞用这段外来图纸合成疫苗成分。
核酸疫苗相比非核酸疫苗，有一个突出优势，就是可复制，产量惊人。非核酸疫苗，无论是活疫苗还是灭活疫苗还是组分疫苗，其成分是多糖或蛋白质或者病原体，都无法直接复制，必须有一个培养和提取的过程。
核酸疫苗的生产过程也可能是颠覆性的，很可能只需要一个房间就够了。非核酸疫苗则通常需要一个车间、一条流水线去培养微生物、收获蛋白质/多糖、提纯等。
如果mRNA疫苗真的成功了，还有一个碾压传统疫苗的优势。mRNA就是一根链条，可以把预防A病、B病、C病……的链条串在一起，做成一条长链条，这就相当于多联疫苗。接种这种多联mRNA疫苗就可以预防N种疾病，预防接种将变得非常简单高效，那可以说是疫苗革命。
美国最先开展人体试验的2019冠病疫苗，来自mRNA疫苗巨头Modena公司。该公司在过去的四年中开展了9项mRNA疫苗的第1期人体临床试验，有超过1000人接受了该技术的疫苗。
Modena公司的mRNA技术2019冠病疫苗，未开展动物试验即上人体临床试验了，这种极不寻常的做法基于该公司多年的经验积累，实际风险并不大。
国内上海的斯微生物也正在研发mRNA的2019冠病疫苗，但还需要经过动物试验，预计将在4月中旬后开展人体临床试验。
mRNA疫苗最大的缺点是容易降解，Modena公司的核苷修饰技术能极大提高mRNA的稳定性，还能调节mRNA药物在体内的半衰期，不过其2019冠病疫苗仍然需要间隔1个月接种2剂。我国的腺病毒载体疫苗只需接种1剂，比Moderna的疫苗节约1个月。3期人体临床试验下来，我国理论上至少比美国快3个月。
mRNA疫苗前景很美好，但目前全球还没有mRNA疫苗进入第2期人体临床试验，更不要说上市的成熟疫苗了。所以，mRNA技术研发2019冠病疫苗是否一定能成功，还存在较大的不确定性。
▍体内表达疫苗-DNA疫苗
安全性：???
有效性：?
量产性：★★★★★
mRNA是把复制版图纸送入人体，DNA疫苗是把原版图纸送入人体。
但是，与mRNA疫苗不同的是，DNA疫苗需要把DNA送入到细胞核内，再拷贝到mRNA上，之后的疫苗组分生产过程就和mRNA疫苗很相似了。如果这种外来DNA与细胞自己的DNA整合，会有怎样的安全性风险?这是目前最担心的。
1月28日媒体报导，美国Inovio公司与苏州的艾棣维欣生物合作用DNA技术研发2019冠病疫苗，但没有后续消息。
3月8日媒体报导，上海公共卫生临床中心的徐建青团队正在用DNA技术研发的2019冠病疫苗，他本人于2月26日给自己接种了1剂，两周后接种第2剂(这个不能算人体临床试验)。当时该疫苗已完成小鼠动物试验，针对灵长类动物的动物试验正在进行。
mRNA疫苗至少有1000人的第1期人体临床试验经验，但DNA疫苗还没有人体临床试验的报导，其成熟度还不如mRNA疫苗，不应对DNA技术抱太高的期望值。
04
总结
我国的2019冠病疫苗研发技术路线，除了传统的灭活疫苗，其他都是基于转基因技术的高科技路线。其中，组分疫苗和腺病毒载体疫苗在技术和生产方面最成熟，取得成功的可能性最大。
全球2019冠状病毒疫情进展速度惊人，急需疫苗解围。在这种危急形势下，笔者认为疫苗研发速度还可以加快：
第1期人体临床试验确认安全性和观察抗体可以压缩到1个月左右(到4月中旬);
之后尽快开展数百人对照的第2期人体临床试验，进一步验证安全性和抗体水平，再需要1.5个月左右(到6月初);
完成2期人体临床试验的疫苗，已经具备了相当可靠的安全性和有效性，可以尝试量产，最快6月底前可以准备出上百万支疫苗用于医务人员、警务/边检人员的应急接种。
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