财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 新冠、细胞药物和细菌 “自杀”

新冠、细胞药物和细菌 “自杀”

编者按

在本期的生命科学·巡山报告中,“智识前沿学者”、浙江大学教授王立铭介绍了新冠研究的几项新进展,其中关于国产mRNA疫苗的I期临床试验数据的解读为我们提供了很多细节。此外,近年来获批上市却因价格昂贵难以普及的CAR-T疗法,科学家提供的新思路或许能够解开这一疗法批量生产的困局;关于细菌“自杀”研究的详细科普和前景猜想也非常值得一读!


撰文 | 王立铭

你好,我是王立铭。2022年2月6日,第36期《巡山报告》又和你见面了。新年假期还没结束,祝巡山报告的读者们壬寅虎年新年快乐!在刚刚过去的2022年元月里,有这么几个话题,我认为值得你关注。 

1、 新冠研发进展梳理 

首先还是讨论新冠相关的科学事件,限于篇幅我就不多展开了,用几句话简单概括一下要点:

 奥密克戎突变株的致病性分析

自2021年底奥密克戎突变株被发现以来,它已经快速成为世界范围内的新冠主流传播毒株,而且各种传播力指标(包括基本传染数、传播带间距、家庭续发率等)都大大超过了德尔塔毒株。稍微让人不那么焦虑的是,这个突变株的致病性看来降低不少:奥密克戎变异株感染导致的疾病症状可能较为温和,严重程度较德尔塔变异株明显下降,主要体现在住院率、ICU入院率、机械通气比例、病死率等方面,住院时间也显著缩短 [1-3]。

 但这些分析有一个不可忽视的系统缺陷:上述关于奥密克戎变异株的致病性数据主要来自于高人群免疫力国家(高水平疫苗接种率或高既往感染率),难以完全排除既往感染或疫苗接种保护作用对致病性的干扰。通俗一点说就是,你说奥密克戎感染的症状轻了,但这到底是病毒自己毒力下降,还是因为大部分人都打过疫苗或者被之前的新冠毒株感染过,所以有了抵抗力,还无法确定。

2022年1月的一项大规模研究 [4] 至少部分地回应了这个问题。这项研究分析了美国电子健康数据库(EHR)中接近60万名新冠感染者的数据,发现在不同年龄层,不管是否接种疫苗,相比德尔塔感染,奥密克戎感染引起的住院风险、ICU风险和机械通气风险都有了3-5倍的下降。这项研究还专门分析了5岁以下儿童的数据,发现这群儿童患者在感染奥密克戎之后,健康风险也有同等程度的下降——要知道5岁以下儿童目前在美国是没有接种疫苗的。这项研究基本可以帮助我们确定奥密克戎毒株的致病性相比德尔塔毒株确实有了明显的降低。

 两款新冠口服药对奥密克戎抗体仍然有效

我们在之前的巡山报告已经介绍了近期上市的两款新冠口服小分子药物:默沙东公司开发的莫诺匹拉韦(monulpiravir)和辉瑞公司开发的复方药物Paxlovid。两款药物都用于治疗有重症风险的轻中症新冠患者(老年人、有基础慢性疾病的人等),在临床试验中它们防止重症和死亡的作用都不错,分别达到了30%和89%。

但考虑到新冠变异株频繁出现的大背景,一个显然的问题是这些药物是否会对新的变异株失去效果。一个可供参照的对象:已经有多款已经上市和未上市的单抗类药物,对奥密克戎突变株失去效用,美国药监局也刚刚发布声明[24],限制这些药物治疗奥密克戎感染者。

从药物的治疗机理来说,这两款口服药物都是通过阻止新冠病毒的复制组装起作用的,而目前的病毒变异主要集中影响病毒外壳的刺突蛋白结构,因此药物失效的可能性应该较小。

事实确实如此。2022年1月,多个研究组利用生物化学和体外细胞培养的方法,证明了两种口服药物仍然对奥密克戎变异株有效,且效果相比原始毒株并未下降 [5-8]。还有一项研究利用体外类器官培养的方法,也证明了两家公司的药物确实仍旧可以很好地抑制奥密克戎变异株的繁殖和感染,甚至两款药物联用还有一加一大于二的协同效用 [9]。这些结果给我们吃下了一颗定心丸。目前两款药物已经获得了欧美多个国家的使用许可,并且已经通过非排他性授权允许全世界105个中低收入国家低价获得仿制药。中国不在该名单内,因此也需要加快类似药物的引进、仿制和二次开发。

 国产RNA疫苗首次披露临床数据

在过去两年内,我们已经多次提到RNA疫苗的革命性价值。目前最为广泛使用的两支RNA疫苗都是海外公司开发的:BNT162b2来自德国BioNTech公司和美国辉瑞公司,mRNA-1273则来自美国莫得纳公司。这两款疫苗对新冠原始毒株都呈现出了极好的保护作用。德尔塔和奥密克戎变异株席卷全球后,这两款疫苗的保护作用有明显下降,但在加强针的支持下,仍然对于预防重症和死亡有很好的效果,这也是欧美各国最近开始讨论放松甚至取消疫情管控措施、告别新冠大流行期的底气所在。

咱们国内普遍接种的是灭活疫苗,保护作用和安全性也都相当不错,但相比RNA疫苗效果较弱也是不争的科学事实。国内学术机构和医药企业也一直在推进RNA疫苗的开发,目前在开发阶段的疫苗就有接近10款,其中三款已经进入了临床试验:艾博生物和沃森生物开发的ARCoV,斯微生物开发的mRNA新冠疫苗,和丽凡达生物开发的LVRNA009。

2022年1月24日,艾博/沃森联合开发的ARCoV疫苗1期临床试验结果 [10] 正式发表,这也是国产RNA疫苗第一份正式公布的临床试验数据,对于我们了解国产RNA新冠疫苗的研发进度意义重大。

我们知道,疫苗的1期临床研究并不分析疫苗对病毒感染的保护作用,主要是分析疫苗本身的安全性有多好,以及它在健康人群中激发的免疫反应有多强。但从这两方面看,艾博/沃森疫苗的数据都不是非常令人满意。

在安全性方面,接种1针疫苗(15/20/25毫克剂量组)就有接近90%的受试者出现了发烧,并且其中1/3是39度以上的高烧,这个不良反应的比例实在是有点太高了。相比之下,另外两款RNA疫苗虽然已经被公认为 “反应比较大”,但打完第一针几乎不会引起发烧,第二针之后也只有大约20%的人会发烧 [11-12]。

如果一款药物或者疫苗的不良反应较高,一个自然的思路是降低剂量,一般来说副作用也会随之下降。但这一点对于艾博/沃森疫苗也不太适用。因为从5毫克到25毫克这五个剂量组里,看起来15毫克组产生的中和抗体水平显著的高于其他组别,达到了康复者血清水平的2倍,这个数字还是不错的。但更高或更低浓度(20毫克和10毫克)产生的中和抗体水平就不足15毫克组的一半。

这就产生了两个很棘手的问题:第一,这说明这款疫苗的有效剂量区间比较狭窄,这会大大干扰它在真实世界的大规模使用。因为实际打疫苗的时候,每个人身高体重不同,身体状况不同,打疫苗部位的吸收不同,甚至打针护士的手法不同,真正起效的剂量出现波动是很正常的。要是剂量稍微高了低了都不怎么管用,可以预计会有相当比例的人群无法得到充分的保护。第二,这样一来,想要通过降低剂量来实现更高的安全性就比较困难。如果把剂量降低到10毫克,中和抗体水平下降了一半,同时还有60%的人打完第二针会发烧;要是进一步降低到5毫克,发烧的人倒是少了,但中和抗体也同步降低到只有康复者血清水平的一半,保护作用也差了很多。

为什么同样都是RNA疫苗,几款疫苗的数据差异能这么大呢?虽然我们不掌握全部的细节,但有些可能性还是可以讨论一下的。我们知道RNA疫苗本质上就是纳米颗粒包裹的RNA片段,其技术核心主要是两个:如何制造一段能够指导细胞高效生产新冠刺突蛋白、且不引起人体剧烈免疫反应的RNA分子;以及如何制造一种颗粒大小均匀、能够被人体细胞快速吸收、且不引起人体剧烈免疫反应的脂质体纳米颗粒。这两方面,业界的领头公司都有比较强的专利壁垒和技术积累,可能是艾博/沃森疫苗出现问题的原因。

拿RNA分子来说,过去20多年的研究已经明确,直接使用未经化学修饰的RNA分子注射入人体会引发强烈的免疫反应,这也是为何上市的两家公司分别使用了假尿嘧啶/甲基假尿嘧啶对原装的尿嘧啶分子进行了替换。但艾博/沃森生物限于专利限制,使用的是未经修饰版本的RNA片段。之前还有一家RNA疫苗企业——美国Curevac公司,同样由于专利限制和高浓度原装RNA分子的毒性,只能使用较低剂量的疫苗,结果在临床试验中只取得了不到50%的保护作用,失去了登上舞台的机会 [13]。

而艾博/沃森的思路则是,放弃使用3000多个碱基长度的完整刺突蛋白RNA序列制作疫苗,转而使用刺突蛋白当中的一小段,也就是受体结合区域那1000多个碱基来制造疫苗。这样一来同样数量的RNA分子,后者的总质量就只有1/3,也是一条规避不良反应的路线。这条路线之前辉瑞和BioNTech公司也曾经尝试过(BNT162b1)但效果不佳,这次艾博/沃森的疫苗似乎也印证了同样的结论。

总而言之,这份刚发表的数据标志着国产RNA疫苗的一次重要进展,但也展示了让人非常担忧的技术问题。为了更好地管控疫情、降低新冠风险,我们需要国产的新冠RNA疫苗。特别是已经有研究显示,两针灭活疫苗再加一针RNA疫苗作为加强,在诱导中和抗体能力上表现不错,甚至还超过了两针RNA疫苗接种的效果 [14]。

为了实现这个目标,国内研究机构和药物研发企业,看来还有很多挑战需要克服。

 

2、RNA疫苗的新用途:制造细胞药物 

接下来要介绍的是一项听起来相当 “科幻” 的药物开发路线。

你可能听说过CAR-T,也就是嵌合抗原受体T细胞疗法。这是一项革命性的癌症免疫治疗方案 [15]:先把一群特殊的免疫细胞——专门负责杀伤外敌的T细胞,从癌症患者体内提取出来并纯化,然后在体外培养,并在这些细胞内部导入一个人工设计开发的蛋白质,也就是所谓的嵌合抗原受体,合成的CAR-T药物再被重新输入患者体内,CAR-T就可以根据嵌合抗原受体的指示专门识别体内带有某种特殊标签的细胞,通过结合和杀伤这些细胞起到治疗癌症的作用。目前已有5款CAR-T药物被美国药监局批准上市使用,主要针对的是两个B细胞表面的蛋白质标签——CD19和BCMA,因此它们也主要用来治疗和B细胞相关的几种癌症 [16]。过去一段时间一条热门新闻—— “120万一针的抗癌药”,其实说的就是两种刚刚被引入中国的CAR-T药物。

近年来也开始有人探索用CAR-T技术治疗癌症之外的其他疾病。道理也不难理解,因为CAR-T本质上说就是一群能够定向攻击特定人体细胞的杀伤性武器。2019年,美国宾州大学的研究者们设计了一种专门识别FAP蛋白的CAR-T,这个FAP蛋白集中出现在老鼠心脏部位过度活跃的一部分心肌细胞中,而这部分细胞能够导致小鼠的心肌纤维化和心力衰竭。这种人工设计的CAR-T就能清除这些有害细胞,治疗心肌纤维化的问题 [17]。

CAR-T这条技术路线的前景是毋庸置疑的,但CAR-T疗法以及可能所有的细胞药物开发路线都有一个根本性的障碍,就是治疗成本问题。这类技术都需要从患者体内提取细胞进行体外培养和基因改造,而因为免疫排异的原因,一个人体内提取的T细胞无法输送给另一个人使用,因此CAR-T疗法高度个性化,无法实现规模化使用,而且每个患者都需要一整套医疗团队的支持。想要解决这个问题,一个主流的设想 [18] 是,也许我们可以在实验室里改造T细胞,去掉它引发人体排异反应的标签,比如主要组织相容性复合体(MHC)和T细胞受体(TCR),这样也许可以开发出能够给所有人使用的通用性CAR-T(universal CAR-T),目前这方面的研究和临床进展都是很火热的。

2022年1月6日,《科学》杂志发表的封面论文 [19] 则提出了一个新的、而且可能是更简单的解题思路。简而言之就是,这个思路绕过了从体内提取细胞、进行基因改造、再重新输回的程序,直接把一段RNA分子注入体内,在体内实现CAR-T细胞的改造。

这项技术的开发者正是上文提到的2019年用CAR-T治疗心衰的宾州大学科学家们,因此我们可以省去介绍背景的环节了。区别于2019年的路线,这一次研究者们不再从小鼠体内提取T细胞,而是在实验室里制造了一些脂质分子形成的空心纳米颗粒,里面包裹上可以指导生产嵌合抗原受体(也就是CAR)的一段RNA分子。为了让这些脂质体纳米颗粒能够更好地被T细胞吸收,研究者们还在这些纳米颗粒的外壳上嵌入了能够专门识别T细胞表面标签的抗体。这样一来,这些纳米颗粒在注射进入小鼠的血管之后会首先利用自身表面的抗体识别到T细胞并被T细胞吞噬,之后,纳米颗粒内部的RNA被释放出来,在T细胞内指导生产出CAR分子,即把这些T细胞改造成精准杀伤性武器CAR-T。实验证明,这些CAR-T细胞确实能够伴随血液循环靠近心脏,在那里识别过度活跃的心肌细胞并将其消灭,从而逆转小鼠的心肌纤维化,治疗心力衰竭。

如果这个技术路线确实可行,那么它就提供了一种设计简单、具备通用性的细胞药物生产手段。不管患者是谁,只要是同一种癌症,那么打一针包裹着特定RNA分子的纳米颗粒也就可以了。

说到这里你可能也意识到了,这条CAR-T的技术路线,是不是很像这两年非常火热的RNA疫苗?就拿新冠疫苗来说,传统思路是在实验室和工厂里制造灭活病毒颗粒或者刺突蛋白,然后注射到人体中形成免疫记忆。而RNA疫苗则反其道而行之,直接把编码新冠刺突蛋白的RNA合成出来并包裹在纳米颗粒中,再注射到人体里。在人体内,这些纳米颗粒被细胞吸收之后,就可以把人体细胞转变成生产刺突蛋白的微型工厂,训练人体对它的免疫记忆。巡山报告的读者朋友们可能还有印象,在过去两年里我经常会提到,伴随着新冠RNA疫苗的上市和广泛应用,核酸分子直接成药治疗疾病的时代可能要加速到来。这次介绍的研究,提供了一个很精彩的证明。

 

3、细菌死亡的防御作用 

这次巡山报告要讨论的最后一个话题是一项基础生物学的重要发现。想要理解这项研究可能需要更多的背景知识,但它确实非常重要和有启发性,所以我还是会试图把它给你说清楚。

我们知道地球生命的基本单元是细胞,像人这样的多细胞生物,每个个体都由数十万亿个细胞构建而来。极端点说,我们身体中这些细胞的使命就是竭尽全力保证我们的出生、成长、繁殖后代。为了实现这些伟大的目标,这些细胞的生命本身都是随时可以牺牲和替代的,而且确实在很多场合,身体细胞要靠主动开启死亡程序来帮助完成人体生存繁殖的任务。

细胞程序性死亡的方式很多,其中被研究得相对清楚的有三种,分别叫做细胞凋亡(apopotosis),细胞坏死性凋亡(necroptosis)和细胞焦亡(pyroptosis)[20]。

这里我不打算展开太多技术细节,只需要知道细胞有不同的死法、而且各有各的使用场景。举个例子:人体胚胎发育过程中手指之间的细胞会逐渐主动死亡,否则人手指头之间就会长蹼了;出现了严重DNA序列错误的细胞也会主动开启死亡程序,防止这些DNA错误复制导致细胞癌变危及生命。

这些过程中,细胞凋亡是主要的实现方式,这是一种相对比较 “干净” 和 “安静” 的死亡方式,细胞的内容物被细胞膜分割包裹成一个个小球,随后被人体其他细胞吸收。相比之下,坏死性凋亡和焦亡过程就显得更加 “脏” 和 “暴烈”。在这两种死亡程序启动后,细胞膜上会出现巨型的穿孔,细胞内容物导出泄露和流淌,往往会引起周围组织的发炎。也因为这样,这两种死亡方式主要的应用场景是对抗病原体感染 [21]。

在这个过程里,比起坏死性凋亡,人们一般认为焦亡起到了更关键的作用。人体免疫系统的很多细胞如单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞等,在正常状态下可以直接识别和杀伤病原微生物;但如果它们自己也被病原微生物感染且无力清除时,可能会选择焦亡这类暴烈的死亡方式——在和病原体同归于尽的同时,也向周围环境释放了明确的危险信号,吸引免疫系统的火力,帮助机体更好的清除病原体威胁。

在细胞内部,焦亡的启动和一类名叫gasdermin的蛋白质密切相关。人体中已知有6个不同的gasdermin蛋白,命名为ABCDEF。这些蛋白的基本结构很类似,都是由功能性的的N端和抑制性的C端两部分连接而成,中间还有一个切割位点。非入侵状态下,因为抑制性的C端的存在,长度完整的gasdermin蛋白无法发挥功能;但如果细胞被病原体入侵,细胞内的蛋白酶就会把gasdermin蛋白从中间一道剪开,被释放出来的N端蛋白就会自己组装形成一个几十纳米级直径的空心管道,插入细胞膜,彻底把细胞内外连通起来。此时,因为渗透压的作用,细胞外的水分会汹涌进入细胞内部,把细胞膜持续撑大,直到整个细胞像被吹爆的气球一样爆炸,将细胞内的所有物质随机地喷射到周围环境中。

这条防御机制在过去10-20年间被深入的研究。人们发现,细胞焦亡除了能够防御病原体入侵,也在很多疾病中能找到踪迹,如很多自身免疫疾病、神经退行性疾病、慢性炎症,都和焦亡过程的异常启动有关 [22]。

从上面的描述里可以看出,细胞焦亡应该是多细胞生物才有的功能,因为只有多细胞生物才存在牺牲一部分身体细胞来清除病原体入侵、从而保障机体生存繁殖的可能性。对于细菌这样的单细胞生物来说,生命大部分时间都是独来独往,生存和繁殖也不需要什么同类的帮助。既然如此,细菌自杀好像就是毫无意义的举动吧?

但就在2022年1月14日,一篇发表在《科学》杂志的论文 [23] 显示,细菌也能启动焦亡程序,而且其方式和目的居然和哺乳动物细胞的焦亡非常类似。

来自哈佛大学的研究者们在细菌基因序列数据库里找到了50个和哺乳动物gasdermin很相似的新基因,他们进一步解析了其中几个细菌蛋白的晶体结构,发现尽管细节存在很多差异,但整体结构确实很像哺乳动物的gasdermin蛋白——都是由N端和C端相连而成的,而且一旦中间被蛋白酶切开,N端区域也能自己插入细菌的细胞膜,破坏细菌细胞膜的完整性,引起细菌的死亡。更有意思的是细菌基因组里也能找到类似哺乳动物蛋白酶的基因,而且这两种基因,往往还在细菌基因组上紧密地靠在一起。

也就是说,单细胞细菌的体内大致也藏着一套能够启动焦亡的程序。但这套系统是干啥用的呢?

研究者们想到,也许细菌也需要这套系统抵御病原微生物——噬菌体入侵。随后,研究者们果然发现,如果破坏掉细菌内的焦亡程序,那么在遭遇噬菌体感染时细菌的繁殖速度会显著下降,而病毒的繁殖速度则会显著提高。

但说到这,刚刚我们那个问题其实还没解决。作为一类单细胞生物,在遭遇病毒入侵的时候,启动自杀程序,这种自我牺牲怎么就能算是一件好事?

关于这一点,研究者们并没有过多的涉及。但我们不妨展开一些讨论和想象,这项发现对我们最重要的提示也许是:细菌固然是一类单细胞生物,但细菌个体之间的关系可能比我们想象的要密切。

首先,人们早就知道细菌有群体感应(quorum sensing)机制,即能够在少数场合感知彼此的存在、步调一致地完成某些简单的协同任务。但从刚刚介绍的这项研究看,细菌个体之间的关系甚至已经紧密到了愿意为彼此牺牲、促进整个种群发展的程度了。我们可以设想,当一个细菌被噬菌体入侵后,如果束手就擒放弃反抗,那么病毒就可以在它体内肆意复制,诞生更多的病毒个体入侵其他细菌。但如果这枚细菌启动了焦亡程序,和病毒同归于尽,那么不光入侵者会被消灭,自我牺牲的这枚细菌还能像外界同胞发出危险信号,提升同胞们的防御水平。这样一来整个细菌群体的生存能力就会大大提高。 

这么解释听起来好像有道理?但需要注意的是这只是我们的推测,几乎所有细节都有疑问等待着发现和解释。比如,细菌的gasdermin蛋白到底是如何感知病毒入侵并被激活的?这套系统和我们已知的细菌防御系统——著名的CRISPR/cas9系统,有什么关联?还有,细菌打孔之后释放出来的物质到底是如何被其他细菌感受到的?其他细菌会出现什么样的反应?以及,既然细菌都能焦亡,那焦亡是不是进化历史中最古老的一种细胞程序性死亡方式?这种方式是如何出现和持续进化的?

还有一个重要的疑问:上面我们描述的过程似乎和经典的进化论出现了冲突。细胞主动自杀这个特征,对于多细胞生物来说价值是不言而喻的,但对于细菌这样的单细胞生物来说,它提供了什么进化优势呢?是进化论本身需要更新,还是细菌个体之间有更紧密的基因层面的联系,使得自我牺牲反而帮助了细菌更好地传递自身基因?

这些问题都需要进一步回答,甚至看完这项研究,我脑子里的问题比看之前还要更多——也许这就是一项真正的好研究最重要的特征吧。

 

 参考文献:

[1]https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/1044481/Technical-Briefing-31-Dec-2021-Omicron_severity_update.pdf

[2] https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2021.12.21.21268116v1

[3] https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2022.01.11.22269045v1

[4]https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2021.12.30.21268495v1.full.pdf

[5]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.17.476556v1

[6]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.17.476644v1

[7]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.17.476685v1

[8]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.12.27.474275v2

[9]https://www.nature.com/articles/s41422-022-00618-w

[10]https://www.thelancet.com/journals/lanmic/article/PIIS2666-5247(21)00280-9/fulltext

[11]https://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMoa2027906

[12]https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/nejmoa2035389

[13]https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=3911826

[14]https://www.nature.com/articles/s41591-022-01705-6

[15]https://www.cancer.gov/about-cancer/treatment/research/car-t-cells

[16]https://www.ohsu.edu/knight-cancer-institute/car-t-cell-therapy-cancer

[17]https://www.nature.com/articles/s41586-019-1546-z

[18]https://www.nature.com/articles/s41573-019-0051-2

[19]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm0594

[20]https://www.nature.com/articles/s41423-020-00630-3

[21]https://www.nature.com/articles/s41418-018-0212-6

[22]https://www.nature.com/articles/s41392-021-00507-5

[23]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8432

[24]https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-covid-19-update-fda-limits-use-certain-monoclonal-antibodies-treat-covid-19-due-omicron

 



推荐 0