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疫苗資訊全面解析與常見QA!關於 BNT、莫德納、AZ、嬌生、科興、國藥、Novavax和高端疫苗

miss9_96
・2021/06/04 ・7131字 ・閱讀時間約 14 分鐘

編按:這是一篇疫苗大補帖!看不完沒關係,點一下收藏存起來吧!關於疫苗施打的注意事項,以及一些常見的謠言破解,請見:

本文挑選世界衛生組織 (WHO, World Health Organization) 通過緊急使用許可之六款疫苗、國產高端疫苗,以及和高端/聯亞疫苗原理相同、同為蛋白質類型且進度最快的美商 Novavax 疫苗,共8支疫苗進行討論。

由於國產之聯亞生技,所推出之 COVID-19 疫苗 UB-612,公開之學術論文甚少,難以獲得資訊,故本文僅描述高端疫苗。

全面解析!8 種疫苗的基礎資訊

一、輝瑞-BNT 疫苗

由德國 Biotech 和美國輝瑞(Pfizer)合作推出。屬 mRNA 技術,內容為可轉譯(translation)出經修飾後穩定態的棘蛋白(spike protein, S-2P)的 mRNA。

保存運輸嚴苛,須在 -80℃ 環境下運送。需施打兩劑,間隔 21 天。已公開、上網三期試驗數據。獲得世界衛生組織(WHO, World Health Organization)、美、英多國的緊急使用。

瑞輝-BNT 疫苗。圖/U.S. Secretary of Defense

以美國而言,專家委員會於 2020/12/10 全程直播討論該疫苗的科學證據(三期試驗書面數據於2天前向公眾公開)並支持提供美國民眾使用、2020/12/11 通過 16 歲以上民眾緊急使用許可2021/05/10 放寬許可,12 歲以上皆可接種

以色列全國超大型的施打結果而言(近 120 萬人之數據),整體保護力約 94%,對 70 歲以上的年長者的保護力更高達 98%。而且當時以色列境內流行英國變異株(B.1.1.7),更顯示了輝瑞-BNT 疫苗抵禦英國變異株的能力。

而較令人擔憂之處,是全身性過敏反應的比例似乎較高,約 4.7 例/每百萬劑(資料更新至  2021/01/18,現行流感疫苗約 1.3 例/每百萬劑)。美國 CDC 建議,已知對聚乙二醇(PEG / Polyethylene glycol)等疫苗成份過敏之接種者,接種前和醫護團隊詳細討論;必要時可改選其他類型疫苗。

二、莫德納疫苗

由美國莫德納(Moderna)推出。屬 mRNA 技術,內容為可轉譯(translation)出經修飾後穩定態的棘蛋白(spike protein, S-2P)的 mRNA。

保存運輸嚴苛,須在 -20℃ 環境。需施打兩劑,間隔28天。已公開、上網三期試驗數據。獲得WHO、美、英多國的緊急使用。

以美國而言,專家委員會於 2020/12/17 全程直播討論該疫苗的科學證據 (三期試驗書面數據於 2 天前向公眾公開)並支持提供美國民眾使用、2020/12/18 通過 18 歲以上民眾緊急使用許可

莫德納三期臨床數據而言(近 3 萬人之數據),整體保護力約 94%,對 65 歲以上的年長者的保護力約 86%。而針對英國變異株(B.1.1.7)的效力,實驗室數據顯示,莫德納疫苗誘發的抗體效力,未因變異株而減退

而較令人擔憂之處,是全身性過敏反應的比例似乎較高,約 2.5 例/每百萬劑(資料更新至  2021/01/18 現行流感疫苗約 1.3 例/每百萬劑)。美國 CDC 建議,已知對聚乙二醇(PEG/Polyethylene glycol)等疫苗成份過敏之接種者,接種前和醫護團隊詳細討論;必要時可改選其他類型疫苗。

三、嬌生疫苗

由美國嬌生(Janssen Biotech)推出。屬腺病毒載體技術(Ad26),內容為可轉錄(transcription)、轉譯(translation)出經修飾後穩定態的棘蛋白(spike protein, S-2P)的活化、無複製能力的腺病毒。

保存運輸友善、4℃ 環境。只要打一劑。已公開、上網三期試驗數據。獲得WHO、美、英多國的緊急使用。

嬌生疫苗。圖/New York National Guard

以美國而言,專家委員會於 2021/02/26 全程直播討論該疫苗的科學證據 (三期試驗書面數據於2天前向公眾公開)並支持提供美國民眾使用、2021/02/27 通過 18 歲以上民眾緊急使用許可

就嬌生提交給美國政府的三期臨床數據而言(近 4 萬人之數據),整體保護力約 66%,對 60 歲以上的年長者的保護力約 76%(防止中重症)。

但在歐洲出現牛津接種後,發生多例罕見血栓併血小板低下症候群(TTS, Thrombosis with Thrombocytopenia Syndrome),且美國本土亦出現 6 例的類似情況。美國於 2021/04/13 暫停嬌生疫苗使用,審查後認為利益大於風險,於 2021/04/23 重新恢復使用

四、牛津疫苗(AZ 疫苗)

由英國阿斯特捷利康(AstraZeneca)和牛津大學合作推出。屬腺病毒載體技術(ChAdOx1),內容為可轉錄(transcription)、轉譯(translation)出經修飾後穩定態的棘蛋白(spike protein, S-2P)的活化、無複製能力的腺病毒。

保存運輸友善、4℃ 環境。需施打兩劑,間隔 8~12 週。已公開、上網三期試驗數據。獲得WHO、英、日多國的緊急使用。

AZ 疫苗。圖/Arne Müseler.

牛津疫苗的三期臨床試驗數據,於 2020/12/08 發表於《柳葉刀 / The Lancet》。以英國而言,於 2020/12/30 通過 18 歲以上民眾緊急使用許可(未公開會議內容)。

就牛津疫苗的三期臨床試驗數據而言(超過 1 萬人之數據),整體保護力約 70%。在最初的三期試驗中,因數據不足,故無法了解對年長者的保護力。但在今年(2021年)四月的研究中發現,單劑牛津疫苗對 70 歲以上年長者的保護力約 80 %

2021 年三月上旬,歐洲各國出現了數十件血栓的病例、數人死亡。當時,歐洲多國預防性地暫停民眾接種牛津 AZ 疫苗

經過調查,歐洲藥品管理局(EMA, European Medicines Agency)和英國藥品和醫療產品監管署(MHRA, Medicines and Healthcare products Regulatory Agency)於 2021/04/07 發佈聲明,認為牛津疫苗可能會罕見地引發血栓併血小板低下症候群(TTS, Thrombosis with Thrombocytopenia Syndrome),但由於疫情嚴峻,接種疫苗的利益仍大於風險,持續推動民眾施打。

牛津疫苗有進行疫苗混打的實驗,混打的疫苗有輝瑞-BNT、Novavax 等。就今年(2021年)五月、用牛津和輝瑞-BNT混打的研究發現,受試者的不適感會變強、比例變多(相較於只打牛津,或只打輝瑞-BNT)。

五、高端疫苗

高端疫苗(MVC-COV1901)由台灣生技公司高端疫苗(Medigen Vaccine Biologics.)推出,屬蛋白質技術,內容為修飾後穩定態的棘蛋白(spike protein, S-2P)和佐劑(鋁鹽、CpG)。

保存運輸友善、4℃ 環境。需施打兩劑,間隔 28 天。尚未進行三期試驗。尚未獲得任何國家許可。

目前處在二期臨床試驗階段,受試者已在 2021/04/28 接種完第二劑,已於 06/10 解盲。就一期臨床試驗數據顯示,施打疫苗後產生之抗體強度,接近、或高於感染 COVID-19 後康復者體內的抗體強度

高端疫苗第二期試驗已完成第二劑施打。圖/高端疫苗

六、Novavax 疫苗

由美國 Novavax 推出。屬蛋白質技術,內容為修飾後穩定態的棘蛋白(spike protein, S-2P)和佐劑(皂苷)。

保存運輸友善、4℃ 環境。需施打兩劑,間隔 21 天。已公開、上網三期試驗數據。尚未獲得任何國家許可。

Novavax 三期臨床試驗結果,於 2021/05/14 發表於預印本medRxiv。超過 1 萬 5 千人之數據顯示,整體保護力約 89%,針對英國變異株(B.1.1.7)的保護力約 86%,對 65 歲以上年長者保護力約 88%。

Novavax 三期臨床試驗結果。圖/medRxiv

七、科興疫苗

由中國科興控股生物技術推出,國內通常稱「科興疫苗(CoronaVac)」。屬不活化病毒技術,內容為整顆新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)和佐劑(鋁鹽)。

保存運輸友善、4℃ 環境。需施打兩劑,間隔 14 天。已公開、上網三期試驗數據。獲得世界衛生組織(WHO)、中國、菲律賓等多國的緊急使用。

科興疫苗。圖/Elenktra

科興三期臨床試驗結果,於 2021/04/14 發表於預印本。超過 1 萬 2 千人之數據顯示,整體保護力約 50%。但數據有以下令人擔憂之處:

  • 年長受試者過少:
    • 科興疫苗試驗裡的受試者,60 歲以上僅佔 5%。相較於其他疫苗,明顯過少(相較於最少的莫德納、Novavax,65 歲以上受試者均達 25%)。因此科興疫苗對年長者的保護力數據,因樣本數少而有待論定。
  • 體內抗體似乎無法長期維持:
    • 觀察接種後累積感染曲線,科興疫苗的接種者中,新感染者仍然持續上升,且沒有出現平緩的傾向。此點和其他疫苗表現有很大的差距,可能是抗體衰減迅速,導致接種者失去保護力;或當地病毒變異快速,已超脫科興疫苗原始設計。

八、國藥疫苗

由中國國藥集團推出,國內通常稱「國藥疫苗(BIBP)」。屬不活化病毒技術,內容為整顆新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)和佐劑(鋁鹽)。

保存運輸友善、4℃ 環境。需施打兩劑,間隔 21 天。已公開、上網三期試驗數據。獲得 WHO、中、印尼多國的緊急使用。

國藥三期臨床試驗結果,於 2021/05/26 發表於《美國醫學會雜誌 JAMA》。近 4 萬人之數據顯示,整體保護力約 72%(國藥疫苗使用兩病毒株為原料,本文取保護力較低之數據)。但數據有令人注意之處:包含安慰劑組,60 歲以上年長者無人染疫,因此無法評估該疫苗對年長者的保護力。

國藥三期試驗結果。圖/JAMA

編按:於 2021/6/7 晚間補充以下文字。

但國藥疫苗的三期實驗設計,有以下令人擔憂之處:

1) 相較於其他疫苗三期受試者的年齡 (輝瑞-BNT:52歲、嬌生:52歲、Novavax:56歲),國藥受試者相當年輕,平均僅有36.1歲。通常而言,疫苗在年長者體內產生抗體的效果較弱,且COVID-19又對年長者的危害甚劇。因此疫苗三期試驗應盡量招募足夠多的年長者,才能更好體現試驗的價值。

2) 相較於其他疫苗三期受試者的女性佔比 (輝瑞-BNT:49.4%、嬌生:45%、莫德納:47.3),國藥女性受試者非常少,僅佔15.6%。通常而言,疫苗在女性會產生更多、更難受的不良反應,況且科學界不清楚性別對於新疫苗的影響,因此疫苗三期試驗應讓受試者性別比例相近,才能更好體現試驗的價值。

關於疫苗的常見Q&A

Q1: 有人混打不同廠牌的疫苗嗎?

目前有進行混打試驗的有「牛津」、「輝瑞-BNT」、「Novavax」等疫苗。

就今年(2021 年)五月,用牛津和輝瑞-BNT 混打的研究發現,受試者的不適感會變強烈、比例變多(相較於只打牛津,或只打輝瑞-BNT);但保護力效果,仍有待研究。

Q2: 疫苗的效力能直接比較嗎?牛津疫苗保護力 70% 就一定比莫德納 94% 差?

不一定。

由於各疫苗進行三期試驗時,所處的時空、面對的病毒株、受試者體質等皆不相同,因此不建議用數字比較。猶如兩名學生分別寫 2 張不同題目的地科會考考卷,其測驗的分數也不能代表他們的地科實力。

若要比較兩個疫苗的效力,需在同一環境下,將受試者隨機分組後,分別接種 A 疫苗和 B 疫苗後,比較保護力、不良反應等數據。

若要比較兩個疫苗的效力,需在同一環境下,將受試者隨機分組後,分別接種 A 疫苗和 B 疫苗後,比較保護力、不良反應等數據。圖/envato elements

Q3: 蛋白質疫苗的不良反應,一定比較少嗎?

不一定。

雖然如高端或 Novavax 等蛋白質疫苗,過去的操作經驗較豐富。但實際上「不良反應」的通報,受很多因素影響。各疫苗進行三期試驗時,所處的時空、受試者體質、心理因素等皆不相同,因此不建議直接推斷某類型的疫苗,不良反應必然較低。

比方說去年的民眾,對疫苗不良反應較為陌生,接種後即使稍有疲倦,可能也不會聯想到疫苗;而今年的民眾熟悉疫苗和不良反應,接種後若感到任何不適,就能快速地和疫苗聯想在一起。

Q4: 第三期試驗沒有做完,科學上會漏失哪些資訊?

首先,即使第二期試驗結果不錯,面對真實世界還是可能會翻車。
二期試驗數據 ≠ 三期試驗數據 ≠ 疫苗真實保護力

最近的例子是 HIV / 愛滋病疫苗。今年 3 月的《新英格蘭醫學期刊 / The New England Journal of Medicine》刊出,葛蘭素史克贊助的 ALVAC-HIV 疫苗三期臨床試驗失敗

儘管該疫苗在二期試驗裡表現優秀、多數受試者產生愛滋病毒蛋白的抗體,但在真實世界的考驗下,發現疫苗幾乎沒有保護力;兩年的追蹤下,疫苗組 138 人感染愛滋病毒、安慰劑組 133 人感染(疫苗 : 安慰劑人數約 1:1),達到提前終止的無效標準。

ALVAC-HIV疫苗三期試驗結果。圖/參考文獻10

此外,我們都知道,COVID-19 疫苗的核心思想是「預防重症、死亡」。

而觀察疫苗預防重症的能力,僅能仰賴三期試驗時,讓受試者們感染病毒後,觀察疫苗組和安慰劑組之間的重症人數差異、藉此判斷。此核心思想幾乎不可能單從二期試驗的數字進行推測。

Q5: 除了過敏反應,疫苗潛在還可能有哪些副作用?

面對真實世界,才能看到更多東西

三期試驗是讓受試者接種疫苗後,實際遭遇病毒、讓科學家觀察擁有免疫力的人體,會發生什麼事?而有些罕見、危及性命的反應,只能在面對真實病毒後才能被發現。

若不透過三期試驗觀察,恐無法及早發現此類致命反應的風險。

疫苗潛藏的負面風險還包括:

  • 內奸抗體(ADE / antibody-dependent enhancement)

指抗體「意外增強病毒入侵」(antibody-dependent enhancement, ADE)的現象,原因是抗體無法有效地中和病毒(濃度過低,或無法辨認有效的抗原),反而使病毒侵入細胞的效率增加

有種貓冠狀病毒(feline infectious peritonitis virus, FIPV),科學家殺死該病毒後,再接種給貓,但貓咪卻發生 ADE 的情況。而台灣人更熟悉的例子是登革熱。

登革熱有四種血清型,罹患其中一種血清型登革熱痊癒後,其抗體非但不能免疫其它血清型登革熱,反而可能會引發重症。過往也曾經出現開發的疫苗,反而讓接種者在遭遇真正的病毒時,加重感染、最後死亡的實際案例。觀古鑑今,不可不慎。

  • TH2免疫反應

疫苗引發的免疫反應分為 TH1 和 TH2,其中 TH2 免疫反應會增加 IL-5 等發炎物質、活化嗜酸性白血球(eosinophil)。若疫苗誘發的免疫反應過於偏向 TH2 免疫反應,當真正的病毒侵入人體,過度的 TH2 免疫反應反而會讓肺部出現嚴重的發炎反應、大量的白血球浸潤於肺臟,導致急性的肺損傷

接種疫苗後,再遭遇病毒後,反而可能會導致的疾病。圖/Nature Reviews Microbiology

Q6: 如果真的來不及做三期,該怎麼評估有效性?

有沒有可能,在不做三期試驗的前提下,讓民眾進行大規模施打呢?

假設出現一特殊情況,即台灣疫情突然大暴發,每日新增數千、萬名病例,且醫療已經崩潰瓦解,那就可以考慮使用「牛津疫苗 pk 國產疫苗」的臨床對照試驗(Head to head)。

即招募自願者、隨機分配接種牛津疫苗或國產疫苗,藉此達到「救急」,同時也可評估、比較另一支疫苗的保護力。但此方法並非正式的三期臨床試驗,僅是在特殊危急的情況下,可以規劃的方式之一。

備註:試驗過程中,會有受試者失聯、因故無法參與實驗,因此「參加試驗」的人數會和「最終完成試驗」不同。本表之人數取「最終完成試驗」的人數,故可能和其他資訊的數值稍有不同。

這裡也有影片版可以看唷!

*勘誤,0:44 AZ疫苗是轉錄轉譯整條棘蛋白,並非修飾的棘蛋白


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蔣維倫。很喜歡貓貓。曾意外地收集到台、清、交三間學校的畢業證書。泛科學作家、科學月刊作家、故事作家、udn鳴人堂作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。 商業邀稿:miss9ch@gmail.com 文章作品:http://pansci.asia/archives/author/miss9


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為何新冠病毒突變之後傳染力更強?——關鍵在於變異株的棘蛋白結構

研之有物│中央研究院_96
・2022/01/25 ・5088字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/寒波
  • 美術設計/林洵安

為何新冠病毒突變之後傳染力更強?

COVID-19 至今仍深深影響全人類,新冠病毒持續演化,例如曾經造成臺灣大規模社區感染的 Alpha 變異株、傳染力更強的 Delta 變異株,近期出現的 Omicron 變異株等,它們逃避免疫系統的能力都不一樣,關鍵就在不同的棘蛋白(spike protein)結構。「研之有物」專訪中央研究院生物化學研究所徐尚德副研究員,他的團隊陸續解析各種新冠病毒變異株的棘蛋白結構,不但能釐清新的突變帶來的威脅,後續也可作為研發人造抗體的指引。

徐尚德手上拿著新冠病毒的棘蛋白模型,顯示棘蛋白與兩種不同抗體結合的情況。圖/研之有物

解析新型冠狀病毒棘蛋白

COVID-19 的病原體是一種冠狀病毒,和 SARS 病毒是近親,正式命名為 SARS-CoV-2,中文常稱作新型冠狀病毒。為了知道病毒如何感染人體細胞,以及如何逃避免疫系統的辨識,我們需要進一步瞭解冠狀病毒表面的棘蛋白結構。

結構為什麼重要?因為結構會影響蛋白質功能。蛋白質是由不同的氨基酸所組成的長鏈,實際作用時會摺疊形成特別立體結構,而冠狀病毒的蛋白質中,又以棘蛋白最為關鍵。

徐尚德強調,棘蛋白是冠狀病毒暴露在表面的蛋白質之一,絕大多數被感染者的免疫系統所產生的抗體都是辨識棘蛋白。因此現今臨床使用的蛋白質次單元疫苗、腺病毒疫苗以及 mRNA 疫苗,都是以棘蛋白為基礎來研發。

Cryo-EM 讓蛋白質結構無所遁形

工欲善其事,必先利其器。解析蛋白質結構的方法很多,早期的 X 光晶體繞射(X-ray diffraction),就像將影片定格截圖,但不一定為蛋白質實際作用的狀態。

再來是核磁共振(Nuclear Magnetic Resonanc,簡稱 NMR),這是徐尚德留學深造時的專業,可以重現蛋白質在水溶液中的結構及動態,更接近實際作用的形態,可惜不適合分子量較大的分子。

目前結構生物學最具潛力的新技術是:冷凍電子顯微鏡(Cryogenic Electron Microscopy,簡稱 Cryo-EM),Cryo-EM 可以拍出原子尺度下高解析度的三維結構,此技術於 2017 年獲得諾貝爾化學獎。中研院則於 2018 年開始添購 Cryo-EM 設備,而 Cryo-EM 正是徐尚德用來解析棘蛋白結構的主要利器!

在 COVID-19 疫情爆發初期(2020 年 1 月),徐尚德就率先啟動新冠病毒的結構分析,當時他的研究團隊剛好已分析過感染貓科動物的冠狀病毒,對於解析棘蛋白結構有一定經驗,可說是贏得先機。

具體來說,如何用 Cryo-EM 解析新冠病毒的棘蛋白結構?

首先要大量培養新冠病毒、再分離、純化得到棘蛋白。接下來,將大量蛋白質樣本鋪成薄薄一層液體,之後以 -190℃ 急速冷凍,讓蛋白質分子保持凍結前的形態,最後用程式重建棘蛋白的三維影像。徐尚德譬喻,就像一匹馬在高速移動時,連續拍攝許多照片,再將照片疊加起來,重建馬的形狀。

棘蛋白的體積已經算大,假如又與其他蛋白質結合,體積將會更大。能解析如此龐大結構為 Cryo-EM 一大優點,但是也會創造很大的資料量。徐尚德強調,用 Cryo-EM 分析蛋白質結構不只做實驗,也要協調資料處理等疑難雜症。

冷凍電子顯微鏡可以紀錄同一時間下、不同狀態的蛋白質三維立體結構。圖/研之有物

關鍵 D614G 突變,讓新冠病毒棘蛋白穩定性大增

儘管已有貓冠狀病毒的經驗,徐尚德研究團隊初期仍經歷一陣摸索,一大困難在於,做實驗時發現不少棘蛋白壞掉,不再保持原本的結構。

這是因為一般取得蛋白質樣本後會置於 4°C 冷藏,但 4°C 其實不適合保存棘蛋白。接著徐尚德細心觀察到,具備 D614G 突變的棘蛋白,保存期限竟然比沒突變的棘蛋白要長,可以從 1 天增加到至少 1 週。

什麼是 D614G 突變呢?武漢爆發 COVID-19 疫情的初版新冠病毒,其棘蛋白全長超過 1200 個胺基酸,D614G 突變的意思就是:第 614 號氨基酸由天門冬胺酸(aspartic acid,縮寫為 D)變成甘胺酸(glycine,縮寫為 G)。

D614G 突變誕生後,存在感持續上升,2020 年 6 月時已經成為全世界的主流,隨後新冠病毒 Alpha、Delta 等變異株,皆建立於 D614G 的基礎上。

儘管序列僅有微小差異,許多證據指出 D614G 突變會增加新冠病毒的傳染力。有趣的是,它也能大幅增加棘蛋白在體外的穩定性。因此在研究用途上,變種病毒的棘蛋白反而容易保存,徐尚德更指出,對抗變種病毒的蛋白質次單元疫苗(subunit vaccine)穩定性也會增加。

圖片為徐尚德實驗室提供的新冠病毒模型與三種不同的棘蛋白模型,棘蛋白的主體為白色,棘蛋白的受器結合區域(receptor binding domain,RBD)為藍綠色。圖/研之有物

新冠病毒棘蛋白的「三隻爪子」:受器結合區域

徐尚德參與的一系列新冠病毒結構研究,除了棘蛋白本身,還包含棘蛋白與細胞受器 ACE2 的結合、棘蛋白和人造抗體的結合。

既然要解析結構,儀器「解析度」能看清楚多小的尺度就很重要!蛋白質結構學的常見單位是 Å(10-10 公尺),原子與原子間的距離約為 2 Å,Cryo-EM 的極限將近 1 Å,不過棘蛋白大約到 3 Å 便足以重建立體結構。

冠狀病毒如何感染宿主細胞,和結構又有什麼關係?棘蛋白位於冠狀病毒的表面,直接接觸宿主細胞受器 ACE2 的部分,稱為受器結合區域(receptor binding domain,簡稱 RBD),結構可能展現「向上」(RBD-up)或是「向下」(RBD-down)的狀態。向下,RBD 便不會接觸宿主細胞的受器,缺乏感染能力,;向上,RBD 方能結合受器,引發後續入侵。

徐尚德團隊透過冷凍電子顯微鏡,拍攝新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白結構,其中有三類棘蛋白的 RBD 為 1 個向上(佔 73%),有一類(類別3)的棘蛋白 RBD 則是 2 個向上(佔 27%)。圖/Nature Structural & Molecular Biology

新冠病毒表面的棘蛋白有「三隻爪子」(3 RBD),RBD 有可能同時向上(3 RBD-up),也可能只有 1~2 個向上,結構會影響病毒的感染能力。更詳細地說,棘蛋白某些胺基酸位置的差異,會影響結構的開放與封閉程度。

棘蛋白向上或向下是動態的,假如能保持穩定性,延長向上的時間,也有助於新冠病毒的感染。這正是徐尚德一系列研究下來,實際觀察到不同品系的變化。

截至 2022 年 01 月 18 日的新冠病毒品系發展歷史,其中 Delta 變異株擁有最多品系,而 Omicron 變異株則開始興起。雖然 Omicron 的品系並不多,但已逐漸成為主流。圖/Nextstrain; GISAID

一網打盡所有高關注變異株的結構變化

和武漢最初的新冠病毒相比,D614G 突變帶來什麼改變呢?簡單說:棘蛋白向上的比例增加了,導致整個結構變得更加開放,增加新冠病毒對宿主受器的親合力(affinity)。

以 D614G 為基礎,接下來又獨立衍生出數款品系,皆具備多個突變,傳染力、抵抗力更強 。影響最大的是首先於英國現身的 Alpha(B.1.1.7)、南非的 Beta(B.1.351)、巴西的 Gamma(P.1),以及更晚幾個月後,於印度誕生的 Kappa(B.167.1)與 Delta(B.167.2)。Alpha 一度於世界廣傳,導致包括臺灣在內的嚴重疫情,不過隨後不敵優勢更大的 Delta。

對於上述品系,徐尚德率隊一網打盡。 Alpha 的棘蛋白結構解析已經發表於 《自然-結構與分子生物學》(Nature Structural & Molecular Biology)期刊,其餘新冠病毒變異株的論文仍在等待審查,目前能在預印網站 bioRxiv 看到,該研究一次報告 38 個 Cryo-EM 結構,刷新紀錄。

圖 a 顯示新冠病毒 Alpha 變異株棘蛋白的突變氨基酸序列,一共有 9 處突變, D614G 突變以紫色表示。
圖 b 顯示突變的氨基酸在立體結構中的位置。
圖/Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的 RBD 向上結構穩定

一度入侵台灣造成社區大規模感染的 Alpha 株有何優勢?其棘蛋白除了 D614G,還多出 8 處胺基酸突變,徐尚德發現 N501Y(天門冬酰胺變成酪胺酸)、A570D(丙胺酸變成天門冬胺酸)的影響相當關鍵。

直覺地想,棘蛋白的外層結構才會與受器接觸影響傳染力,立體結構中第 570 號胺基酸的位置比較裡面,乍看並不要緊。但是徐尚德敏銳地捕捉到,A570D 突變會改變局部的空間關係,令「RBD 向上」的結構更加穩定。徐尚德形容為「腳踏板」(pedal-bin)── A570D 突變的效果就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋(也就是 RBD)穩定保持開啟。

事實上,棘蛋白總體向上的比例,Alpha 還比單純的 D614G 突變株更少,不過 A570D 增進的穩定性似乎優勢更大。研究團隊製作缺乏 A570D 突變的人造模擬病毒,嘗試體外感染人類細胞,發現感染力明顯減少,證實 A570D 突變頗有貢獻。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「A570D 突變」,會改變棘蛋白內部的空間,讓「RBD 向上」的結構更加穩定,就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋保持開啟。圖/研之有物(資料來源/徐尚德、Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的棘蛋白親近宿主細胞,干擾抗體作用

另一個重要突變是 N501Y,不只 Alpha 有,Beta 等許多品系也有,Delta 則無。N501Y 在眾多品系獨立誕生,似乎為趨同演化所致。N501Y 能為病毒帶來哪些優勢?

第 501 號胺基酸位於棘蛋白表面,會直接與宿主受器 ACE2 結合。此一位置變成酪胺酸(tyrosine,縮寫為 Y)後,和受器的 Y41 兩個酪胺酸之間,容易形成苯環和苯環的「π–π stacking」鍵結,從而大幅提升棘蛋白對細胞的親合力。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「N501Y 突變」,讓 RBD 的胺基酸與宿主細胞受器 ACE2 形成「π–π stacking」鍵結,大幅提升棘蛋白對宿主細胞的親合力。圖/Nature Structural & Molecular Biology

另一方面,N501Y 突變也會干擾抗體的作用。中研院細胞與個體生物學研究所的吳漢忠特聘研究員,率隊研發一批針對棘蛋白的人造抗體,測試發現有一款抗體 chAb25 對 D614G 突變株相當有效,但是對 Alpha 株無能為力。徐尚德由結構分析發現:N501Y 改變了棘蛋白表面的形狀,讓抗體 chAb25 無法附著。

好消息是,另外有兩款抗體 chAb15、chAb45,依然能有效對抗 Alpha 病毒,不受 N501Y 影響。這兩款抗體會附著在棘蛋白 RBD 的邊緣,避免棘蛋白和宿主細胞接觸。而且抗體 chAb15、chAb45 會各占一方,可以同時使用,多面協同打擊病毒。

雖然新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白表面讓某些抗體難以附著,還好仍有兩款抗體 chAb15(綠色)、chAb45(黃色)能有效「卡住」棘蛋白,干擾棘蛋白與宿主細胞結合。抗體 chAb15、chAb45 附著的位置,正好就是棘蛋白與宿主細胞結合的地方。圖/Nature Structural & Molecular Biology

棘蛋白結構不只胺基酸,還要注意表面的醣

有了 Alpha 的經驗,接下來分析 Beta、Gamma、Kappa、Delta 便順手很多。這批新冠病毒的棘蛋白變化多端,但是「RBD 向上」的整體比例皆超過 Alpha 和 D614G 突變株,可見適應上各有巧妙。徐尚德也發現,要釐清棘蛋白的結構,不能只關心蛋白質,還要考慮棘蛋白表面的醣基化(glycosylation)修飾。

蛋白質在完工後,某些胺基酸還能加上各種醣基。病毒蛋白質表面的醣基可以作為防護罩,干擾抗體和免疫系統的辨識。醣基化修飾就像替病毒訂作一套迷彩外衣,不同變異株的情況都不一樣,假如醣基化的位置和數量,由於突變而改變,便有可能影響立體結構,有助於它們閃躲抗體。例如和武漢原版新冠病毒相比,Delta 株棘蛋白少了一個醣化修飾,Gamma 株棘蛋白則多了兩處醣化。

還好從結構看來,並沒有任何突變組合能完美逃避抗體。例如由美國的雷傑納榮製藥公司(Regeneron)製作並通過緊急使用授權的抗體;以及中研院吳漢忠率隊研發,有望投入實用的多款人造抗體,對變異品系依然有效。這場人類與病毒的長期抗戰中,同時使用多款抗體的「雞尾酒」療法,仍然是可行的醫療方案。

回顧將近兩年來的研究之路,徐尚德表示:時間壓力真的非常大!COVID-19 疫情爆發後,全世界投入相關研究的專家眾多,只要稍有遲疑,便會落在競爭者後頭。但是即使跑在最前端的研究者,也只能苦苦追趕病毒演化的速度,一篇論文還在審查時,現實世界的疫情已經邁向全新局面。

人類要贏得勝利,必需全方面認識病毒,而結構無疑是相當重要的一環。


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研之有物│中央研究院_96
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