文章專區

2022-03-03誘發中和抗體、活化記憶型淋巴球？疫苗與狡猾病毒間的攻防戰 627 期

Author 作者蔣維倫／泛科學PanSci專欄作家、故事專欄作家、udn鳴人堂專欄作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。喜歡虎斑、橘子、白底虎斑和三花貓。

冠狀病毒淋巴球細胞中和性抗體蛋白質病毒細菌寄生蟲 RNA 基因型疫苗腺病毒人體免疫系統莫德納高端胺基酸

Take Home Message
•冠狀病毒使用其表面的棘蛋白做為鑰匙，進而感染細胞。若能以「棘蛋白」做為疫苗抗原，可誘發出中和性抗體。為了誘發出高效抗體，疫苗中的抗原應為天然、完整的蛋白質，維持正確的立體結構。
• 由於病毒、細菌、寄生蟲等，都有一些獨有且在人體內鮮少出現的模式，例如細菌的細胞壁、雙股RNA等病原體相關分子模式。當抗原呈現細胞的模式識別受體，接收到病原體相關分子模式的訊號時，就會拉響警鈴，並將抗原呈現給淋巴球。
• 由於基因型疫苗本體，就自帶佐劑的性質，例如腺病毒疫苗的載體為病毒顆粒、表面有病毒蛋白；而mRNA疫苗內含的單股RNA，也能刺激模式識別受體，因此該類型的疫苗，不需另外添加佐劑也能仿造出「敵襲」的訊號，但蛋白質類型疫苗缺乏此類特質，因此必須使用佐劑。

在《科學月刊》第626 期〈怎麼設計出一支疫苗？先從了解人體內的免疫機制開始〉一文中，我們介紹了人體免疫系統裡白血球的簡要工作流程。那麼，為了要達到疫苗的兩大目標：誘發中和性抗體、活化記憶型淋巴球產生，一支合適的疫苗該怎麼設計呢？

疫苗的目標

疫苗設計通常從兩個層面切入，分別是抗原與佐劑。接下來我們就以2019 冠狀病毒疾病（COVID-19）的疫苗做為範例，進行說明。

抗原的設計－誘發中和性抗體

理論上，病毒都是仰賴其表面蛋白質，結合特定細胞受器、侵入細胞。但疫苗科學家面對全新的病毒時，還須思考「用哪個蛋白質當抗原？」、「用什麼結構？」、「產生抗體的效益如何？」、「該結構穩定嗎？」等問題。因此新疾病疫苗的設計前期，通常需要大量的基礎研究，極為耗日廢時。

而COVID-19 疫苗能在一年內開發完成，必須歸功於科學家們的未雨綢繆。早在2003 年的嚴重急性呼吸道症候群（SARS）疫情中，由SARS 冠狀病毒引起的嚴重急性呼吸道疾病，造成世界重創；直到2012 年，中東再次出現高致命性的中東呼吸症候群冠狀病毒感染症（MERS）後，科學家深恐未來會再出現第3 種威脅人類的未知冠狀病毒，因此開始累積對冠狀病毒家族的基礎研究。他們發現，冠狀病毒都使用表面的棘蛋白（spike protein）做為鑰匙，打開細胞受器，進而感染細胞。換言之，若以棘蛋白做為疫苗抗原，便可誘發出中和性抗體〔註〕。

新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）表面插滿了棘蛋白，當棘蛋白結合細胞表面的膜蛋白「血管收縮素轉化酶2」（ACE2）後，
就會導致細胞吞入病毒、進而遭受感染。（123RF）

〔註〕因為國產聯亞疫苗的抗原，僅採用冠狀病毒棘蛋白、膜蛋白、核衣蛋白的部分胜肽碎片，並非使用完整的病毒棘蛋白，故可猜測因此導致該疫苗產生的中和性抗體效價過低。

不過抗原該如何成功結合B細胞的表面受體（B-cell receptor），並誘發抗體呢？關鍵在於抗原的立體結構。因此旨在誘導高濃度中和性抗體的疫苗，例如COVID-19、破傷風，內含的抗原應保持天然、完整的蛋白質，以維持正確的立體結構，才能誘發出高效的中和性抗體。

而科學家進一步發現，棘蛋白在病毒的生命週期裡，會有多種結構型態，有些型態會自然形變甚至水解。而誘發抗體效果最好的結構，就是棘蛋白融合前（prefusion conformation）的結構。因此建議未來的疫苗學家，若想使用完整的棘蛋白做抗原，可以微調胺基酸，讓棘蛋白保持該結構，以發揮最大的誘導能力。

莫德納（Moderna）、高端等藥廠，都依循當年科學家的建議，不僅挑選完整的棘蛋白做為疫苗抗原，更微調胺基酸〔註〕，讓棘蛋白保持在誘導能力最強的結構。

〔註〕因為通常微調胺基酸時，都將第986號位的離胺酸（lysine, K）和第987號位的纈胺酸（valine, V）都改成脯胺酸（proline, P），故被簡稱為S-2P。

表一｜COVID-19疫苗的抗原策略

佐劑的設計－拉響警報、欺騙抗原呈現細胞

即使抗原設計的再好，若不能拉響警報，抗原呈現細胞（antigen-presenting cell, APC）也不會通知淋巴球。

抗原呈現細胞都平常保持在「搜索」狀態，它們會在身體裡四處遊蕩，吞下各種分子，但不會跑回淋巴結刺激T細胞，以避免「誤拉警報」，造成T細胞攻打自身組織的自體免疫疾病。由於病毒、細菌、寄生蟲等，都有一些獨有的固定模式，且是在人體內鮮少出現的特徵，例如細菌的細胞壁、雙股RNA等，此類特徵被稱為「病原體相關分子模式」（pathogen-associated molecular patterns, PAMP）。而抗原呈現細胞的表面、體內，有著多樣的模式識別受體（pattern recognition receptors, PRR），能夠接收不同的病原體相關分子模式訊號，以拉響警鈴。

當抗原呈現細胞遇到上述提及的「戰爭」線索，或理論上「只發生在人體被破壞、壞死」時會出現的尿酸、ATP等，就會轉變為呈現狀態，開始朝著淋巴結移動，並轉化為具有活化T細胞的能力。因此疫苗的目的就是要仿造「敵襲」訊號，讓抗原呈現細胞從「搜索」轉變為「呈現」狀態，再將肚子裡的抗原吐出、呈現給淋巴球們。

在COVID-19疫苗群中，可以看到mRNA疫苗、腺病毒疫苗等基因型疫苗，皆未提及佐劑；但蛋白質類型疫苗，例如高端、Novavax，都刻意強調佐劑的說明。這是因為基因型疫苗本體，就自帶佐劑的性質（self-adjuvanted），例如腺病毒疫苗的載體就是病毒顆粒、表面有病毒蛋白；而mRNA疫苗內含的單股RNA，也能刺激模式識別受體，因此該類型的疫苗，不需另外添加佐劑也能仿造出「敵襲」的訊號。

但蛋白質類型疫苗缺乏此類特質，因此必須用佐劑仿造「敵襲」。佐劑依目的使用可分為3類：

• 讓局部組織發炎／受損（damage-associated molecular patterns-type adjuvants），例如鋁鹽、皂苷（saponin）
• 模仿病原體入侵訊號（pathogen-associated molecular patterns-type adjuvants），例如未甲基化的CpG序列DNA、雙股RNA
• 讓白血球更有效地捕獲疫苗（particulate adjuvants）：製備成類似病毒的奈米顆粒，以利淋巴系統捕捉

COVID-19的mRNA疫苗、腺病毒疫苗等基因型疫苗內含的單股RNA就自帶佐劑的性質，能刺激模式識別受體，因此不需另外添加佐劑也能仿造出「敵襲」的訊號；而蛋白質類型疫苗，例如高端、Novavax，則會強調佐劑的說明，例如腺病毒疫苗的載體就是病毒顆粒、表面有病毒蛋白。（123RF）

因為模式識別受體的活化，能影響抗原呈現細胞活化後續的T細胞，因此不少現代疫苗設計時會使用複數類型的佐劑，以期達到最佳的功效。部分COVID-19疫苗採用的佐劑如下：

• mRNA疫苗（例如莫德納疫苗、輝瑞－BNT）：mRNA即有佐劑特性，無須無須外加佐劑
• 腺病毒載體（例如AZ疫苗、嬌生疫苗）：腺病毒的顆粒、表面，內含的DNA即有佐劑特性，無須外加佐劑
• 高端疫苗：鋁鹽、CpG
• Novavax疫苗：皂苷，並將棘蛋白釘在仿似病毒的奈米顆粒

複雜的免疫學－人類開發疫苗的障礙

行文至此，疫苗的免疫學似乎已經完整了？事實上，還差遠了。

複雜的T細胞們

前述文章僅敘及輔助T細胞（Th），但事實上當抗原呈現細胞釋出細胞激素（cytokine）因子，輔助T細胞因此而活化後，可再細分為多種活化路徑，產生多種子細胞，包含Th₁、Th₂、Th₁₇、Tfhs細胞等。而Th₁細胞可加強巨噬細胞的吞噬效果；Th₂能提高IgE抗體分泌、引發過敏反應；Tfhs細胞則是能刺激B細胞分泌IgG抗體等。

在呼吸道疾病的疫苗開發裡，曾出現疫苗活化偏向Th₂細胞。因此接種者在遇到病毒後，活躍的Th₂輔助T細胞、誘發了過敏反應，讓肺部出現發炎、浸潤，導致嚴重的肺損傷。因此現今開發呼吸道疾病疫苗時，都會在動物試驗裡分析輔助T細胞的活化路徑，盡可能地避免走Th₂細胞路徑。

但目前科學家對T細胞依舊不夠清楚，雖然在分子層級上，已確認某些細胞因子能誘導特定的走向，例如介白素－12（IL-12）可以活化Th₁細胞、介白素－4（IL-4）則能活化Th₂細胞等，但放大到動物或人體的層級裡，仍難以確定何種關鍵因素、添加何種佐劑、劑量多寡？能決定輔助T細胞的活化路徑。

現行推測病原體相關分子模式的種類可能有影響。例如已知脂多醣（lipopolysaccharide, LPS）、CpG的DNA，其活化輔助T細胞都偏向Th₁路徑〔註〕。而抗原呈現細胞活化T細胞的強度、時間，似乎也會影響活化路徑。由於科學家對T細胞的複雜度仍有太多未知，因此未來若又需要開發新興疾病的疫苗時，仍必須在一片迷茫中摸索。

〔註〕因此高端的COVID-19疫苗以CpG為佐劑，除強化疫苗外，亦希望能最佳化T細胞反應。

輔助T細胞活化後，可再細分為多種活化路徑，產生多種子細胞，包含Th₁、Th₂、Th₁₇、Tfhs細胞等。其中Th₂路徑能提高IgE抗體分泌、引發過敏反應。在過往呼吸道疾病的疫苗開發裡，曾出現疫苗活化偏向Th₂細胞，使得接種者在遇到病毒後，活躍的Th₂輔助T細胞、誘發了過敏反應，讓肺部出現發炎、浸潤，造成嚴重的肺損傷。（123RF）