Next-Generation Vaccines against COVID-19 Variants: Beyond the Spike Protein

抗新冠病毒变种的下一代疫苗：不仅仅是刺突蛋白

作者： Srinivasa Reddy Bonam, Haitao Hu

2020年初，SARS-CoV-2引起COVID-19大流行，截至2022年12月，SARS-CoV-2在全球已造成6.5亿人感染，660万人死亡。与其他β -冠状病毒(如MERS-CoV和SARS-CoV)相比，SARS-CoV-2在人群中具有更高的复制率和攻击率，并且在住院患者中具有较高的死亡率。COVID-19的症状与流感相似，同时SARS-CoV-2感染的严重程度与合并症有关，如心血管疾病、糖尿病和肥胖，从而导致高死亡率。

众所周知，为逃避宿主的免疫系统攻击，病毒会不断进化产生多种突变，这可能导致病毒蛋白结构发生显著变化，从而增强了病毒的感染性，不仅避开了传统的检测方法还可能产生多种疾病结果。因此，随着SARS-CoV-2新变种的不断出现，迫切需要开发能够对新出现的毒株产生广泛保护的泛COVID-19疫苗。

自2020年以来，针对SARS-CoV-2的疫苗研制取得了重大成功，包括灭活疫苗、基于病毒载体的疫苗、重组亚单位疫苗和核酸(DNA或RNA)疫苗。其中，两种基于mRNA的疫苗(Pfizer-BioNTech和Moderna)和一种基于腺病毒26的疫苗(Johnson & Johnson)获得了美国食品和药物管理局(FDA)的紧急授权，获准临床使用。此后，这两种mRNA疫苗获得了全面批准。随后，其他针对COVID-19的疫苗被批准，包括Novavax的佐剂疫苗(SARS-CoV-2 S蛋白与Matrix-M佐剂)。这些疫苗已在世界各地分发了数百万剂，用于对受感染人群和未受感染人群进行免疫接种。

目前，mRNA、腺病毒载体和亚单位疫苗已被临床批准用于人类。这些第一代COVID-19疫苗主要针对病毒刺突(S)蛋白，并激发有效的中和抗体。但随着COVID-19的流行，全球范围内先后出现了多种新的SARS-CoV-2变体，尤其是SARS-CoV-2高传染性的变体（如Delta和Omicron变体）出现，其强大的免疫逃逸能力和更大的传播性挑战着基于第一代疫苗的防御策略。同时，随着时间的推移，接种疫苗的个体对病毒的免疫力下降。在对COVID-19的长期控制中，这一问题也不可忽略。

2023年4月23日，美国德州大学医学分部微生物与免疫学系Haitao Hu副教授团队在Zoonoses发表综述论文《Next-Generation Vaccines against COVID-19 Variants: Beyond the Spike Protein》（抗新冠病毒变种的下一代疫苗：不仅仅是刺突蛋白）。

冠状病毒核衣壳蛋白(N)是SARS-CoV-2的重要结构蛋白，在感染细胞中大量表达。与其他病毒结构蛋白一样，N蛋白在冠状病毒的生命周期中起着至关重要的作用，包括mRNA转录、细胞骨架组织、RNA复制、包装和免疫调节。在不同的SARS-CoV-2变体中比S蛋白更保守，具有较好的交叉反应性且能诱导持久的N蛋白特异性T细胞免疫。该综述表明在下一代COVID-19 VOCs疫苗中加入N蛋白免疫原的益处和实用性。

Haitao Hu副教授团队制备了一种核苷修饰的脂质纳米颗粒(LNP)配制的mRNA疫苗，该疫苗编码SARS-CoV-2(武汉-1株)全长N蛋白(mRNA-N)。小鼠免疫原性分析表明，mRNA-N具有高度免疫原性，可诱导强烈的N蛋白特异性结合抗体和T细胞(CD4+和CD8+)反应。正如预期的那样，mRNA-N没有引起中和抗体反应。与基于其他平台的表达N蛋白的疫苗类似，该mRNA-N疫苗对小鼠适应性SARS-CoV-2和Delta病毒变体具有一定的保护作用。

为了与第一代S蛋白靶向疫苗进行比较，Haitao Hu副教授团队还制备了表达SARS-CoV-2 S蛋白(mRNA-S)的mRNA-LNP疫苗，在啮齿动物模型中单独或与mRNA-N (mRNA-S+N)联合评估其免疫原性和对多种SARS-CoV-2 VOCs的保护功效。数据显示，mRNA-S+N疫苗接种对多种SARS-CoV-2毒株的保护作用明显强于单独接种mRNA-S。

单独mRNA-S和mRNA-S+N之间最大的差异体现在对Omicron的保护作用上:由于Omicron变体强大的免疫逃逸能力，单独mRNA-S对Omicron的保护作用大大降低，而接种mRNA-S+N疫苗对Omicron具有显著的保护作用，从而表明mRNA-S+N诱导了针对VOCs的交叉保护性免疫。同时，CD8+ T细胞在mRNA-S+N疫苗免疫后对VOCs的保护中发挥关键作用。

总之，本研究结果表明，二价mRNA-S+N是针对新出现的SARS-CoV-2变体的潜在泛COVID-19疫苗。

图1 新现新冠病毒变体

图2 mRNA疫苗作用机制

图3 新冠病毒及其N蛋白结构