一文读懂HIV疫苗最新研究！广谱中和抗体飞速发展，mRNA新突破！

　　

　　2022年12月1日是第35个“世界艾滋病日”，尽管人类已经与艾滋病病毒（HIV）抗争了40余年，但目前艾滋病研究仍面临着巨大挑战。

　　艾滋病病毒通过主动攻击宿主免疫系统，使其逐步丧失免疫功能，导致严重感染和恶性肿瘤的发生。艾滋病疫苗是终结艾滋病在世界流行的最有效手段之一，遗憾的是，近 40 年来进入临床试验的 HIV 疫苗超过上百种，但尚无一种有效且安全的 HIV 疫苗投入临床应用。HIV如何逃过人体免疫系统监视，目前尚未完全阐明，这也给疫苗研发带来了挑战。

　　挫折不断的疫苗研发历程

　　艾滋病疫苗种类繁多，包括灭活疫苗、减毒活疫苗、蛋白亚单位疫苗、合成肽疫苗、DNA疫苗、载体疫苗等。

　　1998 年，以诱导中和抗体和诱发人体对HIV的体液免疫为目标，Vaxgen公司研发的AIDSVax疫苗试验启动。但遗憾的是，该公司在 2003 年宣布AIDSVax疫苗无效。唯一能够在人体中诱导免疫反应的HIV成分是位于病毒表面的包膜糖蛋白，仅凭体液免疫还不足以对HIV感染提供足够的免疫保护。

　　第二代HIV疫苗汲取了失败的经验，将HIV病毒基因导入Ad5（复制缺陷型5型腺病毒）中，以细胞免疫为目标诱导机体产生杀伤T细胞。疫苗中的HIV基因表达翻译合成与HIV病毒相同的抗原，进而刺激杀伤性T细胞生成。然而，人体实验结果显示这种疫苗不仅不能预防HIV感染，反而提高了感染风险。

　　第三代艾滋病疫苗将体液免疫和细胞免疫结合以对抗HIV。艾滋病疫苗RV144使用初次免疫-增强免疫的组合方法同时诱导抗体生成和刺激杀伤性T细胞产生。受种者感染风险降低60%。但其保护效力在一年内会不断减弱，至第3.5年保护效力降低至31.2%。此外，“STEP”项目发现，HIV 疫苗 HVTN 502 促进免疫细胞攻击 HIV 后，同样增加免疫细胞被 HIV 感染的风险；2016年HVTN702艾滋病疫苗有效性临床试验在南非展开，2020年试验以失败告终。

　　HIV疫苗发挥作用需针对特异性位点，HIV则通过不断变异逃避疫苗和免疫系统的监视。基于上述发现，在HIV感染细胞前进行阻断的广谱中和抗体逐渐得到重视并陆续进入临床治疗的试验探索。这种路径的关键在于抗原选择。理想的艾滋病疫苗抗原，应能刺激人体免疫系统产生针对HIV病毒的中和抗体，与HIV病毒结合进而阻止HIV感染。

　　作为逆转录病毒，HIV以RNA病毒为模板合成DNA，遗传信息流动时的高突变使同一亚型HIV包膜蛋白的氨基酸序列差异高达20%，而HIV胞膜蛋白则是中和抗体的主要靶点。此外，HIV表面中和抗体表位有大量糖蛋白覆盖，使得中和抗体难以触碰到HIV表面的结合位点。

　　近期中和抗体研究的新突破

　　近十年，广谱中和抗体bNAb得到分离和鉴定，部分特异性bNAb的安全性和抗HIV病毒活性已在临床前和临床试验中得到验证。高亲和力抗体是由生发中心（Germinal Centre，GC）中亲和力成熟过程生成的，在GC中是B细胞竞争抗原、B细胞受体经历体细胞高频突变，被GC 滤泡辅助性T细胞选择，进化出高亲和力抗体。近期，美国拉霍亚免疫学研究所的Shane Crotty教授团队在 Nature 上发表题为 “Long-primed germinal centres with enduring affinity maturation and clonal migration” 的研究成果。

　　Shane Crotty教授团队证实快速大剂量注射HIV Env三聚体的恒河猴，其可结合Env的BGC细胞占总BGC细胞的比例在第三周时达到顶峰后逐渐下降，而用缓慢递送、剂量递增方式进行注射的HIV Env三聚体的恒河猴可结合Env的BGC细胞占总BGC细胞的比例则持续增加，在第10周时达到第一组的186倍，产生的中和抗体质量更好，靶向的抗原表位也更广泛。GC在第29周时仍处于活跃状态，可结合Env的BGC细胞的比例中位数仍然比基数高49倍。

　　

　　长期缓慢免疫致敏可以增强抗体质量

　　图源 Nature 官网

　　在没有新抗原刺激的情况下，12天的缓慢递送免疫策略使得GC可以持续存在至少191天，BGC细胞经历增殖、体细胞高频突变、亲和力成熟，可持续产生高质量中和抗体。这表明长期缓慢递送的免疫策略有助于加强HIV疫苗效果。

　　虽然前文提到的RV144和HVTN702两种HIV疫苗宣告失败，但一些实验证据仍然表明诱导针对gp120 V2特异性抗体可能有助于预防艾滋病毒感染。今年早些时候，来自西奈山伊坎医学院传染病系的Susan Zolla-Pazner教授团队发表了题为 “Differential V2-directed antibody responses in non-human primates infected with SHIVs or immunized with diverse HIV vaccines”的研究成果。

　　针对HIV gp120包膜V1V2区表位的V2p和V2i单克隆抗体不能有效中和HIV，但可介导FC依赖的抗病毒活性，可用于预防或控制HIV感染。Susan Zolla-Pazner教授团队开发了一个新的分子工具箱，基于该工具箱分析抗原和功能上不同的多克隆V2 抗体反应并确定了SHIV感染诱导V2抗体的不同模式和三种不同的疫苗方案，并优化了诱导V2p和V2i抗体的免疫方案。

　　

　　在α-螺旋和β-链间的V2 c链结构。根据两种构象中各分子比例，抗原优先与V2p Abs、V2i Abs结合诱发免疫反应

　　图源：Nature Communication 官网

　　

　　SHIV(猿猴-HIV)与非人灵长类动物(NHP) V2p Ab对HIV感染显示较好的免疫反应

　　图源：Nature Communication 官网

　　未接种SHIV感染的NHPs中，V2p和V2i抗体反应较弱。靶向V2区的疫苗免疫后，V2p和V2i抗体诱发了较强的免疫应答，表明以V2区为靶点设计疫苗优于自然感染和以Env全长诱导的V2p和v2i特异性免疫反应。

　　为了解与HIV流行有关的病毒传播特征，新南威尔士大学悉尼分校医学科学学院的David A. Jacques教授研究团队与英国伦敦大学学院感染与免疫学部Greg J. Towers教授研究团队合作进行了一系列研究，并于2022年10月26日，在 Nature Microbiology 杂志发表了题为“Evasion of cGAS and TRIM5 defines pandemic HIV”的研究成果（该研究中的部分质粒由金斯瑞助力提供）。

　　研究人员在髓系来源的巨噬细胞中比较了流行株HIV M组、非流行株HIV O组、HIV-2的复制能力。由于cGAS和TRIM5分子激活，介导了抑制病毒的固有免疫应答，释放干扰素抑制HIV-1 O组和HIV-2复制。

　　通过进化树分析和结构生物学鉴定，流行株HIV M组和非流行株HIV O组之间的差异来自其衣壳蛋白Capsid。M组HIV衣壳具有两个关键氨基酸突变Q50Y和R120，使其能逃逸cGAS和TRIM5激活，避免固有免疫应答对病毒的抑制。

　　

　　M组HIV衣壳蛋白Q50Y突变

　　图源：Nature Microbiology 官网

　　David A. Jacques与Greg J. Towers研究团队据此提出了HIV-1流行传播模型，即HIV-1 M组的亲本谱系进化出一种特殊的可防止cGAS和TRIM5激活的衣壳蛋白，从而允许该HIV-1病毒在巨噬细胞中进行复制，这种衣壳通过避免固有免疫反应激活来促进HIV-1在人群间的传播。

　　如前所述，HIV病毒表面包膜糖蛋白Env是病毒进入细胞的钥匙，主要负责感染宿主细胞，介导HIV-1与宿主细胞受体的结合和结合后膜融合过程。HIV与宿主细胞融合时结构会发生明显变化。包膜糖蛋白Env被翻译为gp160蛋白的前体，三聚体化并裂解为gp120和gp41亚基，这两个亚基分别负责受体的结合和融合。

　　HIV gp41中的一个特殊区域（MPER）相对保守，是HIV病毒的弱点之一。针对保守MPER区域包特殊氨基酸序列的广泛中和性抗体，能在HIV患者体内与病毒结合，使其失活。此外，针对HIV-1 gp160突变蛋白的疫苗易受HIV病毒高突变率影响。gp160的膜近端外区MPER同样是广泛中和抗体bnAb的重要靶点。因此，科学家们一直将gp160、gp41及gp120作为HIV疫苗开发的靶点。

　　2022年10月27日，来自美国波士顿Dana-Farber癌症研究所的Ellis L. Reinherz教授研究团队和来自美国洛克菲勒大学的Thomas Walz教授研究团队，在Nature Communications 杂志上共同发表了题为“Dynamic HIV-1 spike motion creates vulnerability for its membrane-bound tripod to antibody attack”的研究成果（该研究中GP145的纯化由金斯瑞助力完成）。

　　研究人员通过低温电子显微镜和分子动力学模拟研究了置于纳米磷脂盘Nanodisc*的HIV刺突蛋白结构，发现HIV Env蛋白的自发倾斜摆动。

　　*Nanodisc可使膜蛋白处于一个类似磷脂双分子层的环境中，从而保证膜蛋白能够像在天然的细胞膜中维持其构象和生物学功能

　　

　　Env蛋白gp胞外域的自发倾斜摆动

　　图源：Nature Communications 官网

　　HIV通过上述自发倾斜运动保护其三脚架结构不受免疫抗体攻击，高分辨率结构显示了MPER在脂质双分子层和Env三聚体的含糖基化的完整结构。为以HIV-1最保守和最易获得的结构位点开发保护性疫苗提供了结构支撑。

　　mRNA技术带来的新曙光

　　除了广谱中和抗体的发现，mRNA技术的不断成熟（如Moderna公司已研发的mRNA-1644和mRNA-1644v2-Core两种艾滋病疫苗可使大部分受试者的免疫系统产生广谱中和抗体），也为HIV疫苗的研发提供了候选策略。

　　

　　在卢旺达和南非进行的旨在评估mRNA HIV疫苗抗原的安全性和免疫原性的试验

　　图源：IAVI 官网

　　目前对广谱中和抗体的机制仍未完全阐明，但借由新冠疫情飞速发展的mRNA疫苗技术或可快速研发出针对HIV突变体的疫苗，这些mRNA疫苗通过创造保护性蛋白与免疫系统协同工作，有望为HIV疫苗的未来提供更多可能性。

　　关于mRNA疫苗技术，推荐阅读：

　　柳叶刀重磅综述：mRNA癌症疫苗面临的挑战和未来展望

　　参考资料

　　1. Shuang Yang, et al. Dynamic HIV-1 spike motion creates vulnerability for its membrane-bound tripod to antibody attack. Nat Commun. 2022;13(1):6393. doi: 10.1038/s41467-022-34008-y.

　　2. Lorena Zuliani-Alvarez, et al. Evasion of cGAS and TRIM5 defines pandemic HIV. Nat Microbiol. 2022;7(11):1762-1776. doi: 10.1038/s41564-022-01247-0.

　　3. Jeong Hyun Lee, et al. Long-primed germinal centres with enduring affinity maturation and clonal migration. Nature. 2022;609(7929):998-1004. doi: 10.1038/s41586-022-05216-9.

　　4. Svenja Weiss, et al. Differential V2-directed antibody responses in non-human primates infected with SHIVs or immunized with diverse HIV vaccines. Nat Commun. 2022;16;13(1):903. doi: 10.1038/s41467-022-28450-1.

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