根據加州理工學院的一項新研究，一種新型疫苗能夠在小鼠和猴子身上提供對各種類似SARS的β-冠狀病毒屬(Betacoronaviruses)的保護，包括COVID-19變體。
β-冠狀病毒屬病毒，包括那些引起SARS、MERS和COVID-19大流行的病毒，是感染人類和動物的冠狀病毒的一種特殊類型。這種新疫苗通過向免疫系統提供來自SARS-CoV-2（導致COVID-19的病毒）和其他七種類似SARS的β-冠狀病毒屬病毒的刺突蛋白片段，附着在蛋白質納米顆粒結構上，從而誘導產生廣泛的交叉反應性抗體。值得注意的是，當用這種所謂的mosaic納米粒子接種時，動物模型受到了另外一種冠狀病毒SARS-CoV的保護，而這種病毒並不是納米粒子疫苗上代表的八種病毒之一。
這項新研究的共同第一作者、加州理工學院博士后Alexander Cohen說：“用mosaic-8納米粒子接種的動物產生的抗體幾乎能識別我們評估的所有SARS樣β-冠狀病毒屬毒株。這些病毒中的一些可能與導致下一次類似SARS的β-冠狀病毒屬病毒爆發的毒株有關，所以我們真正想要的是針對這整組病毒的東西。我們相信我們有這個能力。”
這項研究於7月5日發表在《科學》雜誌的一篇論文中。該研究由加州理工學院生物和生物工程系David Baltimore教授的實驗室的研究人員領導。
“SARS-CoV-2已經證明自己有能力製造新的變體，可以延長全球COVID-19大流行的時間，”Bjorkman說，他也是梅金研究所教授和生物與生物工程的執行官。“此外，在過去20年裡，三種β-冠狀病毒屬病毒-SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2已經從動物宿主那裡蔓延到了人類，這一事實說明了製作廣泛保護性疫苗的必要性。”
據Bjorkman說，需要這種廣泛的保護，“因為我們無法預測在動物體內的大量病毒中，哪一種或哪幾種病毒會在未來演變為感染人類，導致另一種流行病或大流行。我們要做的是製作一種對類似SARS的β-冠狀病毒屬有保護作用的一體化疫苗，無論哪種動物病毒可能演變為允許人類感染和傳播。這種疫苗也將保護人們免受當前和未來的SARS-CoV-2變種的影響，而不需要進行更新。”
將病毒碎片附着在蛋白質納米顆粒上的疫苗技術最初是由牛津大學的合作者開發的。該技術的基礎是一種微小的籠狀結構（一種”納米顆粒”），由蛋白質組成，其表面有”粘性”附屬物，研究人員可以在其上附着標記的病毒蛋白質。這些納米粒子可以被製備成只顯示一種病毒的碎片（”同型”納米粒子）或幾種不同病毒的碎片（”mosaic”納米粒子）。當注射到動物體內時，納米粒子疫苗將這些病毒片段呈現給免疫系統。這誘發了抗體的產生，即識別和擊退特定病原體的免疫系統蛋白，以及涉及T淋巴細胞和先天免疫細胞的細胞免疫反應。
在這項研究中，科學家們選擇了八種不同的類似SARS的冠狀病毒屬病毒–包括SARS-CoV-2，即引起COVID-19大流行的病毒，以及七種可能有可能在人類中引發大流行的相關動物病毒–並將這八種病毒的片段附着在納米粒子“支架”上。該團隊選擇了病毒結構的特定片段，稱為受體結合域（RBDs），這對冠狀病毒進入人體細胞至關重要。事實上，中和冠狀病毒的人類抗體主要針對病毒的RBDs。
研究人員的想法是，這樣的疫苗可以誘導人體產生廣泛識別類似SARS的β-冠狀病毒屬病毒的抗體，通過針對病毒RBDs的共同特徵，對抗除納米粒子上呈現的變體之外。這種設計來自這樣的想法：納米粒子上RBD的多樣性和物理排列將使免疫反應集中在整個SARS系列冠狀病毒所共有的RBD部分，從而實現對所有病毒的免疫。近日在《科學》雜誌上報告的數據表明了這種方法的潛在功效。
設計實驗以測量疫苗在小鼠中的保護效果
由此產生的疫苗（這裡被稱為mosaic-8）由來自八個冠狀病毒的RBDs組成。以前由Bjorkman實驗室領導的實驗表明，mosaic-8能誘導小鼠產生抗體，在實驗室培養皿中對各種冠狀病毒產生反應。在Cohen的領導下，這項新研究的目的是在這項研究的基礎上，看看用mosaic-8疫苗接種在活體動物中感染SARS-CoV-2或SARS-CoV時是否能誘發保護性抗體。
科學家們旨在比較由不同冠狀病毒片段覆蓋的納米粒子（mosaic-8）與僅由SARS-CoV-2片段覆蓋的納米粒子（一種”同型”納米粒子）提供多少抗感染保護。
科學家們在小鼠身上進行了三組實驗。在一個對照組中，他們給小鼠接種了沒有任何病毒片段附着的裸露納米粒子籠結構。第二組小鼠分別注射了只覆蓋有SARS-CoV-2 RBDs的同型納米粒子，第三組則注射了mosaic-8納米粒子。一個實驗目標是看接種mosaic-8是否能使動物對SARS-CoV-2的保護達到與同型SARS-CoV-2免疫動物相同的程度；第二個目標是評估對所謂的”不匹配病毒”的保護，即mosaic-8納米粒子上的RBD不代表這種病毒。
值得注意的是，覆蓋在mosaic納米粒子上的八種冠狀病毒故意不包括SARS-CoV，即在21世紀初引起最初SARS大流行的病毒。因此，該團隊旨在同時調查對原始SARS-CoV病毒挑戰的保護程度，用它來代表一種可能蔓延到人類的未知SARS樣β-冠狀病毒屬病毒。
實驗中使用的小鼠經過基因工程設計，表達人類ACE2受體，這是人類細胞上的受體，SARS-CoV-2和相關病毒在感染期間利用它進入細胞。在這種動物挑戰模型中，未接種疫苗的小鼠如果感染了類似SARS的β-冠狀病毒屬病毒就會死亡，從而為評估保護人類免受感染和疾病的潛力提供了一個嚴格的測試。
正如預期的那樣，接種了裸露的納米粒子結構的小鼠在感染SARS-CoV或SARS-CoV-2時確實死亡。接種了只塗有SARS-CoV-2 RBDs的同型納米粒子的小鼠對SARS-CoV-2感染有保護作用，但在接觸到SARS-CoV時死亡。這些結果表明，目前正在其他地方開發的同型SARS-CoV-2納米粒子候選疫苗對SARS-CoV-2有效，但可能無法廣泛地保護小鼠免受其他從動物庫穿越而來的SARS樣β-冠狀病毒屬病毒或未來SARS-CoV-2變體的影響。
然而，所有接種mosaic-8納米顆粒的小鼠都在SARS-CoV-2和SARS-CoV挑戰中存活下來，沒有體重減輕或其他明顯的病症。
非人類靈長類動物研究也證實了mosaic疫苗的功效
該團隊隨後在非人靈長類動物中進行了類似的挑戰實驗，這次使用的是最有希望的候選疫苗–mosaic-8，並比較了動物挑戰研究中接種mosaic-8疫苗與不接種疫苗的效果。當接種mosaic-8后，動物在暴露於SARS-CoV-2或SARS-CoV時幾乎沒有顯示出可察覺的感染，再次證明mosaic-8候選疫苗有可能對造成COVID-19大流行的病毒的當前和未來變體具有保護作用，以及對未來來自動物宿主的SARS樣β-冠狀病毒屬的潛在病毒外溢具有保護作用。
重要的是，在與弗雷德-哈欽森癌症研究中心的病毒學家傑西-布魯姆的合作下，該團隊發現，由mosaic-8引發的抗體針對的是其他各種SARS樣β-冠狀病毒屬中最常見的RBDs元素–所謂的“保守”RBD部分，從而為假設的機制提供了證據，該疫苗將對SARS-CoV-2的新變體或動物SARS樣β-冠狀病毒屬有效。相比之下，同型SARS-CoV-2納米粒子注射引起的抗體主要針對毒株特異性的RBD區域，這表明這些類型的疫苗可能會保護SARS-CoV-2，但不會保護新出現的變體或潛在的新興動物病毒。
作為下一步，Bjorkman及其同事將在流行病防備倡議聯盟（CEPI）支持的一項1期臨床試驗中評估mosaic-8納米顆粒對人類的免疫。為了準備這項臨床試驗，Bjorkman實驗室正在計劃進行臨床前動物模型實驗，以比較以前用目前的COVID-19疫苗接種的動物的免疫反應和對SARS-CoV-2感染或疫苗接種處於免疫“幼稚狀態”的動物的反應。
CEPI首席執行官Richard J. Hatchett博士說：“從大流行病一開始，我們就談到了疫苗開發的多樣性需求。Bjorkman實驗室研究中表現出的突破表明，完全追求新疫苗平台的戰略具有巨大的潛力，有可能克服新變種造成的障礙。我很高興地宣布，CEPI將在第一階段臨床試驗中支持這種預防大流行的新方法。該研究在獲得惠康飛躍資助后取得的加速發展促進了我們今天與他們的關係。非人類靈長類動物的數據非常令人鼓舞，我們很高興能支持下一階段的試驗。”
Wellcome Leap在關鍵時刻提供了關鍵的資金，以加速加州理工學院技術的發展，將達到第一階段臨床試驗的時間縮短了18個月以上。Wellcome Leap公司首席執行官Regina E. Dugan說：“這一早期轉型的成功表明了全球夥伴關係協作的價值，並具有應對未來大流行病風險所需的緊迫性。”
這項臨床前疫苗驗證研究由Wellcome Leap公司資助，並直接建立在加州理工學院梅金轉化醫學研究所在大流行病早期資助的初始開發和原理驗證研究之上。Bjorkman小組正在進行的其他冠狀病毒工作得到了比爾和梅林達-蓋茨基金會和喬治-梅森快速撥款的支持。