病毒载体疫苗概述
病毒载体疫苗概述
在过去两年中，SARS-CoV-2大流行凸显了新出现病原体对全球健康可能产生的影响。开发新的有效疫苗技术对于抗击此类威胁至关重要。病毒载体是一种相对较新的疫苗平台，它依赖于重组病毒将选定的免疫原输送到宿主中。为了应对SARS-CoV-2大流行，腺病毒载体疫苗的开发和随后的推广展示了该平台的实用性、影响力、可扩展性和有效性。这些疫苗载体已被证明能在不同人群中引发强烈的细胞和体液免疫反应，它们将成为未来对抗传染病的重要方法。
1.引言
病毒载体疫苗是一种利用重组病毒传递选定免疫原至宿主的疫苗传递系统。自大约四十年前首次将乙型肝炎表面抗原基因插入改良的天花病毒以来，这种疫苗载体已被广泛应用于兽医医学中。然而，直到2020年之前，只有五种病毒载体疫苗通过了临床试验并获得许可用于人类（图1）。但是，已经开发了多种病毒载体疫苗来对抗各种传染病病原体，实际上也用于非传染病疾病，特别是癌症的疫苗载体。由于过去两年的SARS-CoV-2大流行，腺病毒载体疫苗的使用已经扩展，全球数十亿人接种了疫苗。这为腺病毒（Ad）疫苗技术的安全性、免疫原性和有效性提供了巨大的见解，本文将对此进行总结，并讨论当今使用的其他病毒载体疫苗（表1）。所有现有许可病毒载体疫苗的更详细总结可以在补充材料中找到。
图1.显示用于人类使用的病毒载体疫苗批准时间表。在2020年之前，只有五种病毒载体获得用于人类的许可，其中只有一种获得了世界卫生组织的批准。自2020年以来，又有五种病毒载体疫苗（全部包含腺病毒载体疫苗）获得人类使用的许可，其中包括三种已获得世界卫生组织的许可。
2.免疫原性
2.1.先天免疫反应
使用病毒载体作为疫苗平台可以在不需要佐剂的情况下诱导先天免疫反应。这一反应对于刺激下游处理和随后的适应性免疫反应至关重要（图2）。来自Ad载体识别的下游信号模式涉及诱导促炎反应，包括细胞因子和趋化因子的产生，诱导体液和细胞反应。重要的是，Ad载体能够做到这一点而不会对宿主造成损害和过量的细胞因子产生。然而，Ad载体过度诱导I型干扰素（IFNs）与转基因表达减弱和抗体和细胞反应减少有关。
图2.腺病毒载体疫苗诱导先天和适应性免疫反应。腺病毒通过腺病毒衣壳的纤维蛋白与感染受体结合，如柯萨奇病毒-腺病毒受体（CAR）和CD46，激活进入细胞。次级附着由腺病毒衣壳五边形蛋白上的RGD环介导，与整合素结合。这些结合过程本身可以触发先天免疫，但是腺病毒的病原体相关分子模式被细胞模式识别受体（PRRs）识别，例如Toll样受体（TLRs）。腺病毒载体被TLR2和TLR4识别，它们是表面受体，以及TLR9，这是一个位于内体内的受体，感应腺病毒载体基因组在内体内的。乳铁蛋白，一种宿主防御肽，与腺病毒载体结合，似乎通过TLR4介导的内吞作用激活先天免疫反应。细胞内适配蛋白，如MyD88，对TLR信号转导至关重要，并通过激活NF-κB转录因子来诱导腺病毒载体疫苗的抗原特异性T细胞反应。此外，诸如细胞质DNA感应器cGAS和受体RIG-I区域等PRRs也对诱导腺病毒载体疫苗接种后的先天免疫信号很重要。
利用生物信息学技术研究病毒载体诱导的转录变化可以为病毒载体激活先天免疫途径提供新的见解。在Sheerin等人使用小鼠免疫模型的研究中，Ad载体诱导了涉及TLR2刺激和自然杀伤（NK）细胞激活的基因表达，而改良的安卡拉天花（MVA）载体则诱导了与I型干扰素相关的基因表达。Collingnon等人评估了细胞因子反应和基因表达模式，以表征使用ChAd155载体疫苗接种后的先天反应。作者表明，疫苗诱导了以IFN相关特征为特点的先天细胞群体变化的双峰模式。
2.2.适应性免疫反应
病毒载体感染宿主细胞并表达异源抗原的能力，允许通过直接和交叉呈递激活宿主MHC途径，从而诱导强大的细胞反应（图3）。抗原表达的数量和持续时间与CD8+ T细胞保护性免疫相关。这种强大的T细胞激活已导致病毒载体疫苗针对细胞内病原体的先前靶向，例如HIV和疟疾，其中对这些疫苗的反应与保护相关。
图3.针对腺病毒载体疫苗的适应性免疫反应。在抗原呈递细胞（例如，树突细胞）中，通过吞噬感染的细胞发生抗原的交叉呈递。抗原通过MHC分子呈递给T细胞，刺激CD4+和CD8+ T细胞的增殖和分化。B细胞通过T细胞依赖性和T细胞非依赖性机制被激活为抗原特异性记忆B细胞和浆细胞。原生抗原与B细胞受体（BCR）的结合传递生化信号，启动B细胞激活，独立于T细胞。当BCR内化了通过内吞作用并被处理成由II类MHC分子呈递的肽的抗原时，就会发生T细胞依赖性激活。辅助性T细胞识别这些并刺激B细胞激活。
最近的研究证实了病毒载体疫苗针对其他病原体（如SARS-CoV-2、埃博拉病毒和RSV）产生的强烈和持久的CD4+和CD8+抗原特异性T细胞反应。病毒载体疫苗接种后的T细胞反应似乎是Th-1偏向的反应，以IFN-y和TNF-alpha的产生为特征。Ad载体疫苗的强转基因表达还允许强大的单功能和多功能CD8+ T细胞反应。
这些特定的T细胞反应也可能有助于保护和减轻疾病严重程度。例如，在检查急性COVID-19感染后的SARS-CoV-2特异性T细胞反应时，它们似乎与COVID-19疾病的严重程度成反比。此外，SARS-CoV-2特异性的滤泡辅助T细胞与中和抗体反应相关。T细胞表位在值得关注的COVID-19变体（VoC）中似乎也相对保留，导致感染或接种疫苗后的T细胞逃逸有限。鉴于这些VoC在刺突蛋白上有显著突变，导致中和抗体反应的逃逸，Ad载体疫苗诱导广泛细胞反应的能力在维持对SARS-CoV-2的保护方面可能很重要。
如上所述，尽管T细胞介导的免疫在减轻疾病严重程度方面发挥作用，但中和抗体反应通常与防止感染的保护相关。通过疱状口炎病毒（VSV）、MVA和Ad病毒载体疫苗针对埃博拉病毒，以及针对SARS-CoV-2的Ad载体疫苗，都诱导了高水平的中和抗体。在研究ChAdOx1-nCoV-19疫苗接种后针对SARS-CoV-2的保护相关性时，更高的抗刺突IgG、抗受体结合蛋白IgG和中和抗体滴度都与降低有症状疾病的风险相关。所有四种Ad病毒载体疫苗（Ad26.COV2.S、ChAdOx1-nCoV-19、Gam-COVID-Vac和Ad5-nCoV）在预防有症状的COVID-19方面都有效（分别为66.9%、66.7%、91.6%和57.5%）。
非中和抗体也被认定为抗病原体免疫的重要介体，在临床前研究中，通过Fc介导的功能被证明对SARS-CoV-2和埃博拉的防护有所贡献。系统血清学研究表明，腺病毒载体疫苗能够诱导抗体依赖性的功能活动，包括抗体依赖性中性粒细胞吞噬作用和抗体依赖性单核细胞吞噬作用。在使用不同HIV疫苗的人体I期和II期研究的疫苗反应比较中，腺病毒载体比痘病毒载体诱导了更强的IgG1和IgG3反应，导致更高水平的功能性抗体活动，包括抗体依赖性细胞吞噬作用。
诱导粘膜免疫反应在防护呼吸道病原体方面可能发挥重要作用。Provine等人表明，在接种ChAdOx1-nCoV-19的小鼠中，诱导了粘膜相关恒定T细胞，这与疫苗介导的T细胞反应相关。腺病毒疫苗的粘膜给药也可能诱导更强的粘膜免疫反应。Lapuente等人表明，接受鼻内腺病毒载体疫苗（Ad19a或Ad5）加强的小鼠，在肌肉注射质粒DNA或mRNA初始免疫后，除了系统反应外，还诱导了高水平的粘膜IgA和肺驻留组织驻留记忆T细胞，从而增强了粘膜中和作用。针对SARS-CoV-2的人体粘膜腺病毒载体疫苗试验正在进行中，雾化Ad5.nCoV疫苗的I期数据显示，两剂诱导的中和抗体反应与肌肉注射一剂相似。
3.预先存在的免疫
针对腺病毒载体的预先存在的免疫可能降低这些疫苗载体的免疫原性和随后的保护效果。多项研究表明，现有的抗腺病毒中和抗体与疫苗载体的免疫反应呈负相关。鉴于某些人群中Ad5的高血清流行率，这一点尤其与基于Ad5的载体疫苗相关。然而，尽管在初次疫苗接种后存在高水平的Ad26中和抗体，针对HIV的Ad26载体疫苗的重复剂量接种仍能增强细胞和体液免疫反应，在接种ChAdOx1-nCoV-19后，中和抗体与加强疫苗接种后的刺突特异性抗体反应或T细胞反应无关。
为了规避抗载体免疫问题，近年来越来越多地使用较少流行的腺病毒、非人类腺病毒或表达六角主要衣壳蛋白修饰的嵌合腺病毒。也可以使用更高的剂量方案来克服人群中预先存在的载体免疫，但是当使用Ad5-nCoV时，这些更高剂量引起了增加的反应原性，而在免疫原性方面的益处有限。
4.初免-加强方案
使用异源初免-加强病毒载体方案可以克服抗载体免疫的发展，并且比同源方案更具免疫原性。使用编码扎伊尔埃博拉病毒GP的Ad26，随后用MVA加强，被证明在给非人类灵长类动物接种时提供100%的保护。这种异源初免-加强方案现在已经在人体试验中显示出在两种地方性和非地方性人群中至少持续1年的强烈和持久的免疫反应。
结合病毒载体利用了载体在初始免疫或加强免疫反应方面的不同能力。例如，腺病毒已被证明可以有效地初始免疫并持久地激活强大的B细胞和T细胞反应，而MVA能够显著加强免疫反应，但作为初始免疫时引发的体液反应有限。然而，最近的转录数据显示，在MVA初始免疫上的Ad载体加强似乎与在Ad初始免疫上的MVA加强相比增强了分子反应，包括刺激偏好的TLRs和增加的IFN-γ信号，这表明需要进一步探索这一领域以用于未来疫苗开发。
还评估了使用不同疫苗平台的异源初免-加强疫苗时间表。例如，在针对SARS-CoV-2的疫苗中，腺病毒载体疫苗的初始剂量已用mRNA疫苗加强，这似乎与同源Ad疫苗相比增加了疫苗效果和对有症状感染的免疫原性。在临床前研究中，mRNA疫苗后的MVA加强增强了针对HIV-1的特定T细胞反应。
5.提高免疫原性
为了进一步提高腺病毒载体的免疫原性，已采用多种方法来增强转基因表达和促进细胞反应。这些方法包括使用内源性启动子、共表达免疫刺激分子和遗传融合佐剂。Rollier等人将Toll样受体信号分子、TRIF相关适配分子（TRAM）添加到基于腺病毒的疫苗中，表明TRAM和抗原的共表达增加了小鼠中转基因特异性的CD8+ T细胞反应，但这并没有转化为灵长类动物研究。
另一种增强病毒载体免疫原性的方法是通过复制能力载体的自我复制来增加免疫原产量。自我复制允许显著的抗原产生，可能对于诱导对某些病原体的免疫是必要的。在HIV患者中安全使用针对埃博拉病毒的复制能力VSV载体，VSV-EBOV，表明这类载体可以用于免疫功能低下的患者。另一种选择是使用单周期病毒载体，它们允许病毒在一个额外的基因组复制回合中自我放大，规避了这个问题，代表了未来病毒载体疫苗的潜在治疗。
利用某些病毒的特定嗜性将抗原输送到所需的细胞类型是进一步提高针对某些病原体的免疫原性的潜在机制。例如，Viktorova等人使用具有粘膜嗜性的重组新城疫病毒来表达脊髓灰质炎病毒的蛋白，这刺激了系统性和粘膜反应。
6.安全性
腺病毒载体疫苗现已在全球数十亿人中接种。两种疫苗（Ad26.COV2.S和ChadOx1-nCoV-19）已与一种非常罕见的凝血障碍，血小板减少综合症（TTS）相关。这种综合症以存在抗血小板因子-4抗体为特征，尽管发展TTS的风险因素和确切的发病机制仍不清楚。可能存在潜在的地理或遗传联系，因为不同人群中TTS的发病率存在差异。
7.结论及展望
在过去两年中，病毒载体疫苗已成为控制大流行中SARS-CoV-2的基石，特别是在低收入和中等收入国家。在这段时间里，应用了诸如生物信息学和系统血清学等新技术，为腺病毒疫苗平台的免疫原性提供了广泛知识。
尽管已取得重大进展，但仍需进一步了解腺病毒载体刺激的免疫反应谱。了解抗载体免疫的机制，特别是在重复剂量后，对于未来使用相同载体开发针对多种不同病原体的疫苗至关重要。
评估在广泛接种Ad载体用于SARS-CoV-2后体液和细胞反应的长期持续时间及其与疫苗效果的关系，将有助于提供有关这些疫苗载体所提供免疫反应持久性的宝贵见解。
尽管批准的病毒载体疫苗具有出色的免疫原性和有效性，但仍有提高免疫原性的空间。使用遗传或分子佐剂可能是一个有用的策略，特别是对于仅诱导弱或短暂转基因表达的疫苗载体。此外，通过结合不同的病毒载体或不同技术（如mRNA疫苗）使用异源初免-加强方案，已被证明可以改善同源方案的免疫原性，并且可能在未来的病毒载体疫苗方案中发挥重要作用。使用粘膜病毒载体疫苗来诱导特定部位的免疫反应可能会显著提高保护，特别是针对粘膜病原体，人们热切期待来自这类疫苗的临床试验数据。
病毒载体疫苗已成为成功应对SARS-CoV-2大流行的重要组成部分。鉴于它们的安全性、免疫原性和能够快速修改和扩大规模，它们将在未来传染病控制中保持重要的技术地位。