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寨卡疫苗研究进展及面临挑战 |史佩勇教授受邀Cell Host & Microbe撰文
at :2018/7/24 14:42:01    

近日,美国微生物科学院院士史佩勇教授应邀为国际顶级学术期刊Cell Host & Microbe《细胞宿主与微生物》撰写评述文章“Zika Virus Vaccine: Progress and Challenges”,对寨卡病毒在美洲爆发后相关疫苗的研究进展进行了全面总结和点评
 

背景介绍

2015年以来,寨卡病毒在巴西等美洲国家持续传播。寨卡病毒分类上属于黄病毒属,主要由蚊子传播,也可以经性途径传播。绝大多数寨卡病毒感染者症状温和,但寨卡病毒感染孕妇后,可能损害胎儿大脑,导致新生儿小头症等缺陷。成人感染该病毒后,会导致格林-巴利综合征(Guillain-Barré syndrome),临床上表现为进行性上升性对称性麻痹、四肢软瘫,以及不同程度的感觉障碍。研究针对寨卡病毒的有效疫苗,是防治该流行病的重要手段,也是重中之重。自寨卡病毒爆发以来,全球科学家通力合作,在针对该病毒的疫苗研究领域取得了一系列重要进展。

 

寨卡病毒感染可能导致的人类疾病。(图片来源123rf.com)

 

 

针对寨卡病毒的疫苗,目前正在研发的主要有以下三类(详见表1)

01 灭活疫苗

纯化的甲醛灭活ZIKV疫苗(ZPIV,来源于波多黎各株PRVABC59),对于寨卡病毒感染的小鼠和非人灵长类动物显示出保护作用。在I期临床试验中,志愿者在第1天和第29天分别肌肉注射5毫克的ZPIV剂量。ZPIV只造成轻度到中度的不良事件,包括注射部位的局部疼痛(60%)或过敏(47%),疲劳(43%),头痛(39%)以及心神不安 (22%)。在接种后的第57天,92%和77%的疫苗接种者分别产生了>1:10和1:100的中和抗体。当来源于受试者的纯化的IgG抗体滴度大于1:100时,即可对被接种小鼠产生保护作用。

 

02 亚单位疫苗

亚单位疫苗是指利用DNA,mRNA,或病毒载体(如腺病毒、麻疹病毒、水泡性口炎病毒,和修饰的牛痘病毒)表达两种病毒粒子表面糖蛋白prM(膜)和E(包膜)。另外,重组的E蛋白或纯化的病毒样颗粒(由prM和E蛋白组成)也可以直接用作亚单位疫苗。许多这样的亚单位候选疫苗已显示出对ZIKV感染的小鼠和/或非人类灵长类动物的保护效果。

 

2篇关于临床1期DNA亚单位疫苗的研究已发表。Gaudinski等对DNA疫苗VRC5288(将包膜蛋白E跨膜区片段与日本乙型脑炎病毒进行互换)和VRC5283(野生型包膜蛋白E)进行了临床安全性研究。受试者分三次接受肌肉注射,每次4毫克的DNA疫苗。肌肉注射方式主要有四种,分别是:单次针刺肌肉免疫;多次针刺肌肉免疫;单次非针刺肌肉免疫;多次非针刺肌肉免疫。主要的不良反应有注射部位的局部疼痛(46%-80%),头痛(22%-33%)以及心神不安 (27%-38%) 。临床结果显示在第0,4,8周的多次非针刺肌肉免疫效果最好,所有受试者均产生了≥100的中和抗体,DNA疫苗也显著激发了T细胞反应。目前VRC5283已经进入到临床二期试验。与此同时,Yebas等也对另一株DNA疫苗进行临床一期的研究。受试者分别在0,4,12周免疫1毫克或者2毫克DNA疫苗,免疫方法是皮下注射,并以电击辅助。大约50%受试者有注射部位疼痛等不良反应。免疫后第14周,62%受试者产生了中和抗体,抗体效价在1:18到1:317之间。来源于受试者的纯化的IgG抗体可以对92%的小鼠提供保护。此临床试验中发现,检测不到中和抗体的受试者其血清中纯化的抗体也可以对小鼠提供保护,具体的分子机制需要进一步研究。

 

尽管灭活疫苗和DNA亚单位疫苗在临床I期都显示出颇有希望的免疫原性,但在人类身上免疫的持久性仍有待考证。在非人灵长类动物中,2次接种灭活疫苗和1次接种腺病毒载体的亚单位疫苗可在1年后仍对寨卡病毒感染产生足够的保护作用,但2次接种DNA亚单位疫苗则产生了降低的保护效果,且1年后中和抗体水平下降到亚保护水平。

 

03 减毒活疫苗

目前用于产生减毒活疫苗的两种方法是:(1)针对野生型ZIKV定向突变制造减毒株型(2)利用DENV、JEV、或YFV来表达寨卡病毒prM或E基因以产生嵌合体黄病毒。针对第一种方法,史佩勇教授课题组的单超博士等开发了2种减毒活疫苗:来自于非流行柬埔寨株FSS13025,在ZIKV基因组3’非翻译区(UTR)内分别敲除10个核苷酸 (ZIKV-3’UTR-?10)或20个核苷酸(ZIKV-3’UTR-?20)。之所以选择柬埔寨株FSS13025,是因为与其他美洲流行株相比,该株型的神经毒性、免疫拮抗和蚊虫感染性都有所减弱。在单剂量免疫之后,2种候选疫苗都对小鼠和非人灵长类表现出保护作用。其中敲除20个核苷酸的株型在免疫2周后猴子体内产生了大于1:1000的中和抗体滴度,且在猴子身上产生了保护作用。3’ UTR敲除疫苗对于阻断ZIKV感染怀孕小鼠的母婴传播也产生了有效保护作用。更重要的是,这些候选疫苗展现出良好的安全性,相比批准的减活疫苗YFV 17D和JEV SA14-14-2,其神经毒力降低了1000倍以上。对于第二种方法,载有ZIKV prM-E基因的嵌合型DENV-2 和 JEV SA14-14-2据报道在单剂量免疫之后也能对ZIKV感染产生保护性(Xie et al., 2017; Li et al., 2018)。JEV SA14-14-2嵌合型ZIKV疫苗也表现出对ZIKV感染的非人灵长类和小鼠中母婴传播的保护作用(Li et al., 2018)。利用相似的方法,NIH正在开发DENV-4疫苗骨架基础上的嵌合型ZIKV疫苗(表1中的rDEN4D30)。

 

由于灭活疫苗和亚单位疫苗是非感染性的,因此需要多剂量和周期性增强来产生保护性抗体。相比之下,减毒疫苗具有只需单次免疫、免疫激发快速、保护效果长等优点。因为寨卡病毒大部分在发展中国家爆发,因此单剂量免疫在实际中更具有可行性。但是,非感染性的灭活疫苗和亚单位疫苗因其安全性高,更温和,对于孕妇、小孩和老人则更合适。所以,灭活疫苗,亚单位疫苗和减毒活疫苗的平台应该平行推进到临床试验,最终根据受众群体的不同,分别应用不同的疫苗。

 

表1. 全球正在研发的寨卡疫苗。

 

 

最后,对于寨卡病毒疫苗开发过程中面临的挑战,史教授主要从以下六个方面进行了阐述:

 

1. 有必要深入了解寨卡病毒引起格林巴利综合症的分子机制

寨卡病毒感染人群后,大约1/4000到1/5000的几率会引发格林巴利综合征,但是其具体致病机制并不清楚。进一步的研究需要鉴定是否病毒的某个蛋白引起了该症。如果是由病毒的蛋白引起,后期的疫苗开发过程中则需要对目前的一些疫苗进行进一步的优化。但是因为缺乏有效的动物模型,对格林巴利综合征的研究面临诸多障碍。

 

2. 寨卡病毒疫苗诱导产生的抗体会不会增强其它黄病毒对人类的感染,反之亦然

抗体依赖的增强感染(ADE)主要从登革热病毒感染中提出,登革热病毒含有4个不同亚型,抗体依赖的增强感染是指存在于体内的针对某一特定登革热病毒的抗体,只能对特定登革热病毒起到保护作用,对于其它型的登革热病毒反而起到增强感染的作用。对此学术界一直存在争议。目前主要的结果有(1)体外实验和动物显示,登革热抗体可以增强寨卡病毒的感染,但是在灵长类动物中没有观察到。(2)相反的,灵长类动物实验显示,预存的寨卡病毒抗体可以引起二型登革热病毒对灵长类动物的感染。(3)南美洲一项针对登革热病人大规模的调查显示,当病人体内存在高浓度的中和抗体时,对不同型登革热病毒感染均有保护。但是当抗体低度比较低(1:20-1:80)时,则会对不同型登革热病毒的感染起到增强作用。(4)目前实验显示,预存的针对寨卡病毒的抗体,不会增强随后寨卡病毒再次感染。

 

3. 如何在孕妇中对疫苗的免疫效果进行评价

因为寨卡病毒感染孕妇后可能导致严重的新生儿缺陷。因此其也作为疫苗开发中的一个重要研究群体。如何利用现有的动物模型和人类感染模型对疫苗进行评价,面临诸多的伦理道德等挑战。

 

4. 抗体关联保护

主要指当疫苗诱导的抗体浓度在哪个范围时可以有效的预防病毒感染。目前动物实验显示,针对寨卡病毒的抗体滴度在≥100时,可以预防寨卡病毒对动物的感染。但是在人群中,这种关联保护还不清楚,后期的临床二期实验会对此数据有所解读。

 

5. 建立可区分不同黄病毒感染的血清学检测方法

因为黄病毒属中病毒的主要抗原存在较高同源性,因此临床检测中黄病毒属中的交叉反应不可避免。如何建立优化目前的血清学检测,对于目前的疾病诊断和后期的疫苗临床试验都将起到很大的帮助。

 

6. 疫苗在孕妇与非孕妇群体中免疫反应的差异

目前的动物实验显示,孕期前免疫母老鼠,可以有效的避免在孕期中寨卡病毒对母鼠和胎鼠的感染。但是在孕期中免疫,免疫效果和保护效果如何?孕期中的免疫反应和非孕期的免疫反应是否一致?均需要进一步探索。

 

寨卡病毒爆发以来,史佩勇教授课题组与其合作者在Nature,Cell, Science,Nature Medicine,Nature Communications,Cell Host & Microbe,Cell Reports,Ebiomedicine等顶级期刊累计发表文章30多篇,分别在寨卡病毒的反向遗传学系统建立,减毒活疫苗研发,血清学检测,药物筛选,致病性研究等方面取得了突出成就。

 

史佩勇教授组部分已发表文章:

1. Zika Virus Vaccine: Progress and Challenges; Chao Shan, Xuping Xie, Pei-Yong Shi. Cell Host and Microbe; 2018, https://doi.org/10.1016/j.chom.2018.05.021.

2. Did Zika Virus Mutate to Cause Severe Outbreaks? Shannan L Rossi, Gregory D Ebel, Chao Shan, Pei-Yong Shi, Nikos Vasilakis. Trends Microbiol. 2018 Jun 11. pii: S0966-842X(18)30111-2.

3. Human IFIT3 modulates IFIT1 RNA binding specificity and protein stability. Britney Johnson, Laura A VanBlargan, Wei Xu, James P White, Chao Shan, Pei-Yong Shi, Rong Zhang, Jagat Adhikari, Michael L Gross, Daisy W Leung, Michael S Diamond, Gaya K Amarasinghe. Immunity. 2018, 48(3): 487-499. e5.

4. Potential Mechanisms for Enhanced Zika Epidemic and Disease. Hongjie Xia, Xuping Xie, Chao Shan#, and Pei-Yong Shi#. ACS Infect Dis. 2018, 4 (5), pp 656–659.

5. An evolutionary NS1 mutation enhances Zika virus evasion of host interferon induction.

Hongjie Xia, Huanle Luo, Chao Shan, Antonio E. Muruato, Bruno T.D. Nunes, Daniele B.A. Medeiros, Jing Zou, Xuping Xie, Maria Isabel Giraldo, Pedro F.C. Vasconcelos, Scott C. Weaver, Tian Wang, Ricardo Rajsbaum, Pei-Yong Shi. Nat. Commun. 2018; 9(1): 414.

6. Zika virus infection elicits auto-antibodies to C1q. Takaaki Koma, Veljko Veljkovic, Danielle E Anderson, Lin-Fa Wang, Shannan L Rossi, Chao Shan, Pei-Yong Shi, David W Beasley, Natalya Bukreyeva, Jeanon N Smith, Steven Hallam, Cheng Huang, Veronika von Messling, Slobodan Paessler. Scientific reports. 2018, 8(1): 1882.

7. Ling Yuan,Xing-Yao Huang,Zhong-Yu Liu,Feng Zhang,Xing-Liang Zhu,Jiu-Yang Yu3, Xue Ji, Yan-Peng Xu, Guanghui Li, Cui Li, Hong-Jiang Wang, Yong-Qiang Deng, Menghua Wu, Meng-Li Cheng, Qing Ye, Dong-Yang Xie, Xiao-Feng Li, Xiangxi Wang, Weifeng Shi, Baoyang Hu, Pei-Yong Shi, Zhiheng Xu†Cheng-Feng Qin†. A single mutation in the prM protein of Zika virus contributes to fetal microcephaly. Science. 2017; 358(6365):933-936.

8. Xuping Xie, Jing Zou, Chao Shan, Pei-Yong Shi. Small Molecules and Antibodies for Zika Therapy. J Infect Dis. 2017; 216 (suppl_10): S945-S950.

9. Camila R. Fontes-Garfias*, Chao Shan*, Huanle Luo, Antonio E. Muruato, Daniele B.A. Medeiros, Elizabeth Mays, Xuping Xie, Jing Zou, Christopher M. Roundy, Maki Wakamiya, Shannan L. Rossi, Tian Wang, Scott C. Weaver, Pei-Yong Shi. Functional Analysis of Glycosylation of Zika Virus Envelope Protein. Cell Rep. 2017; 21(5): 1180-1190.

10. Chao Shan, Antonio E. Muruato, Brett W. Jagger, Justin Richner, Bruno T.D. Nunes, Daniele B.A. Medeiros, Xuping Xie, Jannyce G.C. Nunes, Kaitlyn M. Morabito, Wing-Pui Kong, Theodore C. Pierson, Alan D. Barret, Scott C. Weaver, Shannan L. Rossi, Pedro F.C. Vasconcelos, Barney S. Graham*, Michael S. Diamond*, Pei-Yong Shi*. A single-dose live-attenuated vaccine prevents Zika virus pregnancy transmission and testis damage. Nat. Commun. 2017; 8(1): 676.

11. Zhe Zhu, Matthew J. Gorman, Lisa D. McKenzie, Jiani N. Chai, Christopher G. Hubert, Briana C. Prager, Estefania Fernandez, Justin M. Richner, Rong Zhang, Chao Shan, Xiuxing Wang, Pei-Yong Shi, Michael S. Diamond, Jeremy N. Rich, Milan G. Chheda. Zika virus has oncolytic activity against glioblastoma stem cells. J Exp Med. 2017; 214(10): 2843-2857.

12. Chao Shan*, Daniel A. Ortiz*, Yujiao Yang, Susan J. Wong, Laura D. Kramer, Pei-Yong Shi, Michael J. Loeffelholz, Ping Ren. Evaluation of a Novel Reporter Virus Neutralization Test for the Serological Diagnosis of Zika and Dengue Virus Infection. J Clin Microbiol. 2017; 55(10): 3028-3036.

13. Justin M. Richner*, Brett W. Jagger*, Chao Shan*, Camila R. Fontes*, Kimberly A. Dowd*, Bin Cao, Sunny Himansu, Elizabeth A. Caine, Bruno T.D. Nunes, Daniele B.A. Medeiros, Antonio E. Muruato, Bryant M. Foreman, Huanle Luo, Tian Wang, Alan D. Barrett, Scott C. Weaver, Pedro F.C. Vasconcelos, Shannan L. Rossi, Giuseppe Ciaramella, Indira U. Mysorekar, Theodore C. Pierson, Pei-Yong Shi, Michael S. Diamond. Vaccine Mediated Protection Against Zika Virus-Induced Congenital Disease. Cell 2017; 170(2): 273-283.e12.

14. Yang Liu*, Jianying Liu*, Senyan Du*, Chao Shan*, Kaixiao Nie, Xiaofeng Li, Tao Wang, Cheng-Feng Qin, Penghua Wang, Pei-Yong Shi, Gong Cheng. Evolutionary enhancement of Zika virus infectivity in mosquitos. Nature 2017; 545(7655): 482-486.

15. Chao Shan, Antonio E. Muruato, Bruno T.D. Nunes, Huanle Luo, Xuping Xie, Daniele B.A. Medeiros, Robert B. Tesh, Alan D. Barrett, Tian Wang, Scott C. Weaver, Pedro F.C. Vasconcelos, Shannan L. Rossi, Pei-Yong Shi. A live-attenuated Zika virus vaccine induces sterilizing immunity in mouse models. Nat Med. 2017; 23(6): 763-767.

16. Chao Shan, Xuping Xie, Ping Ren, Michael J. Loeffelholz, Yujiao Yang, Andrea Furuya, Alan P. Dupuis II, Laura D. Kramer, Susan J. Wong, and Pei-Yong Shi, A rapid Zika diagnostic assay to measure neutralizing antibodies in patients. EBioMedicine 2017; 17:157-162.

17. Yujiao Yang*, Chao Shan*, Jing Zou, Antonio E. Muruato, Diniz Nunes Bruno, Barbosade Almeida Medeiros Daniele, Pedro F.C. Vasconcelos, Shannan L.Rossi, Scott C. Weaver, Xuping Xie, Pei-Yong Shi. A cDNA Clone-Launched Platform for High-Yield Production of Inactivated Zika Vaccine. EBioMedicine 2017;17: 145-156.

18. Xuping Xie, Jing Zou, Chao Shan, Yujiao Yang, Dieudonné Buh Kum, Kai Dallmeier, Johan Neyts, Pei-Yong Shi. Zika Virus Replicons for Drug Discovery. EBioMedicine 2016 (12): 156–160.

19. Chao Shan, Xuping Xie, Antonio E. Muruato, Shannan L. Rossi, Christopher M. Roundy, Sasha R. Azar, Yujiao Yang, Robert B. Tesh, Nigel Bourne, Alan D. Barrett, Nikos Vasilakis, Scott C. Weaver, and Pei-Yong Shi, An Infectious cDNA Clone of Zika Virus to Study Viral Virulence, Mosquito Transmission, and Antiviral Inhibitors. Cell Host Microbe 2016; 19(6): 891-900.

20. Xuping Xie, Chao Shan, Pei-Yong Shi. Restriction of Zika Virus by Host Innate Immunity. Cell Host Microbe 2016; 19(5): 566-7.

21. Chao Shan, Xuping Xie, Alan D. T. Barrett, Mariano A. Garcia-Blanco, Robert B. Tesh, Pedro Fernando da Costa Vasconcelos, Nikos Vasilakis, Scott C. Weaver, and Pei-Yong Shi. Zika Virus: Diagnosis, Therapeutics, and Vaccine. ACS Infect Dis. 2016; 2(3): 170-2.

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