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Novavax 疫苗的優缺點?蛋白質疫苗的關鍵技術!

miss9_96
・2021/06/10 ・3071字 ・閱讀時間約 6 分鐘

美國諾瓦瓦克斯(Novavax)疫苗三期試驗結果,顯示出約 89% 的超高保護力,針對 α 突變株,保護力也高達 86%。Novavax 有加入 COVAX 計畫中,因此同樣有參與 COVAX 的台灣可能也有機會引進 Novavax 疫苗。

Novavax 的 COVID-19 疫苗,和台灣國產疫苗同屬「蛋白質類型」,其保護力、不良反應等數據,可做為未來如有國產疫苗之參考。

Novavax 疫苗(NVX-CoV2373)三期試驗,結果已於 5 月中以預印本公布 [1]。整體保護力89.7%,針對 α 變異株(B.1.1.7,俗稱英國變異株)的保護力達 86.3%,展現了極高的潛力。

蛋白質疫苗的優缺點,和關鍵技術

蛋白質疫苗的目的,是讓「白血球看到『關鍵的』蛋白質」。在三十多年前,用純粹的病毒蛋白質做為抗原的首款疫苗-B 型肝炎疫苗上市,台灣囡仔也因此受惠 [2]。

相較於常聽到的 mRNA(如:莫德納)、腺病毒載體(如:牛津 AZ)、去活性(如:科興)疫苗等,使用純粹的蛋白質做為疫苗,有下述優點 [3]:

  • 使用歷史悠久:
    蛋白質疫苗開發至今,已累積了三十多年以上的接種經驗,如我們熟悉的「B 肝疫苗」、「子宮頸癌疫苗」等。相較於 mRNA、腺病毒載體疫苗,蛋白質疫苗在臨床熟悉或民眾信任度上,更讓人放心。
  • 友善保存環境:
    蛋白質疫苗僅需 4℃ 保存,相較於需要低溫冷鏈的 mRNA 疫苗,保存與運輸條件更便利。
  • 沒有血栓副作用風險:
    已知腺病毒載體疫苗(如牛津 AZ)有一罕見但致命的副作用:「血栓併血小板低下症候群(Thrombosis with Thrombocytopenia Syndrome, TTS)」。
    目前推測可能是由疫苗外洩之負電的核酸所引起,而蛋白質疫苗不含類似物質(帶負電之高分子),較無此疑慮。
  • 沒有整顆病毒的風險:
    歷史上曾發生幾件慘烈的疫苗事故,都與直接使用病毒的去活性有關。1955 年的美國,藥廠用整顆病毒製作小兒麻痺疫苗時,因為未能完全殺死病毒,也就是疫苗內仍有活病毒,結果導致 4 萬人染病、近兩百人癱瘓、10 名孩童死亡。蛋白質疫苗不使用整顆病毒,無此疑慮 [註1]。
與其他種類疫苗相比,蛋白質疫苗有歷史悠久、容易保存、無血栓副作用、無整顆病毒的優點。圖/envato elements

然而,蛋白質疫苗也有天生的缺點:因為「不夠像病毒感染細胞」的過程,而產生的免疫力不足。所以此類疫苗中,有兩個關鍵成分:「抗原」及「佐劑(adjuvant)」[3]。抗原讓白血球認識敵人,而佐劑模仿微生物入侵的信號,激發更強烈的抗體反應。

Novavax 疫苗的抗原和佐劑

Novavax 疫苗抗原的特色,在於使用「修飾後穩定態的棘蛋白(spike protein)」。

從 2002 年的 SARS 後,科學家針對冠狀病毒累積了各類研究。他們發現,想對該病毒家族開發疫苗,「表面棘蛋白」是最好的抗原。

科學家發現,對付冠狀病毒最好的方式就是使用表面棘蛋白做抗原。圖/envato elements

但單獨存在的棘蛋白容易自然分解,因此可透過修改部分胺基酸,使它們成為更穩定的棘蛋白(S-2P)。Novavax 的科學家測試了二十多種胺基酸組合,終於找到結構最穩定的胺基酸序列,進入生產工序 [4]。

科學家可透過基因工程,讓細胞生產大量的目標蛋白質;而 Novavax 用的細胞很獨特,他們使用台灣人很熟悉的害蟲:秋行軍蟲(Spodoptera frugiperda)的「卵巢細胞」。

大量的棘蛋白被生產,並黏著在奈米顆粒上,形成表面佈滿抗原的奈米粒子(30~40 nm)。而這種大小、仿似真實病毒的奈米粒子(virus-like nanoparticles, VLPs)設計,能誘使淋巴系統捕捉、進一步提升抗原被白血球吞噬、辨認的效果 [4]。

奈米大小的棘蛋白抗原,能引誘白血球吞噬。圖/envato elements

而 Novavax 的佐劑(Matrix-MTM)則使用了樹皮裡的東西。皂樹(Quillaja saponaria)的樹皮萃取物:皂苷(Saponin),它能讓局部組織發炎、受損,模仿病原體入侵人體的反應,呼喚更多的免疫細胞到達現場、吞噬更多抗原 [4]。

Novavax 科學家藉著獨有的技術,在澳洲,展開了疫苗(NVX-CoV2373)的 1-2期臨床試驗、踏上剿滅魔王的征途。

臨床試驗的優秀結果

Novavax的 1-2 期臨床試驗,希望能求出合理的抗原、佐劑劑量。結果發現 [5]:

  • 使用佐劑,能降低抗原的濃度,並達到更高的抗體強度(A, C 組比較)
  • 追加第 2 劑,能大幅提高抗體強度(C, D 組比較)
  • 在佐劑協助下,即使抗原用量減少至五分之一,仍可產生可觀的抗體,且抗體中和病毒的強度,介於有症狀感染者到重症患者之間(B, C, E 組比較)

Novavax 的 1-2 期臨床試驗顯示,在恰當的佐劑和抗原組合下,健康人體可安全地產生抗體,且強度介於有症狀感染者到重症患者之間。

帶著令人振奮的 1-2 期結果,Novavax 展開了 3 期試驗。

不同濃度抗原、佐劑的Novavax疫苗,誘發出的抗體,和康復者體內抗體強度比較。From: 參考文獻5

三期試驗在英國展開 [1]。Novavax 招募了約一萬五千人,65 歲以上長者佔27.2%、罹患慢性病等高風險族群占比 44.7%。

疫苗組將注射 2 劑疫苗,相隔 21 天。最終完成試驗的疫苗組(7,020 人)和安慰劑組(7,019 人),人數約 1:1。

Novavax 疫苗的不良反應數據發現,第 2 劑的不適感會比第 1 劑強烈、年輕人的不適感會比年長者明顯。比例最高的全身性不良反應是頭痛、肌肉痛和疲勞(和牛津、莫德納疫苗相似)。整體而言,不良反應溫和且短暫(2 天以內)。

Novavax 疫苗之不良反應。From: 參考文獻1

此外,Novavax 疫苗的保護力數據非常驚人。

Novavax 疫苗整體保護力高達 89.7%,若僅針對 α 變異株,保護力幾乎沒有降低(86.3%)。而對於 COVID-19 重症高風險族群,也就是年長者的保護力,有將近九成(88.9%),針對慢性病等族群,則有九成的保護力(90.9%)。

疫苗效果在各組之間幾乎沒有降低,展現了極強大的潛力。

Novavax 疫苗的超高保護力,值得台灣關注。不僅是因為它參與了 COVAX,未來可望配送至我國,也因為它的保存非常友善,僅需 4℃ 即可,對偏鄉、離島、長程運輸具備高度便利性。

而且,美國已商討放鬆法規,將會允許 Novavax 等藥廠自行決定向他國提供疫苗之順序(過去為美國優先)。建議台灣可積極向 Novavax 採購疫苗,以補足本國之疫苗缺口。

保持冷靜,繼續前進。Keep Calm and Carry On.


註1:儘管歷史上發生過此悲劇,但去活性疫苗仍有其重要性,同時,也並不代表現代的去活性疫苗(如:國藥、科興)裡,帶有活病毒,會造成染疫風險。

參考文獻

  1. Paul T. Heath, Eva P. Galiza. et. al. (2021) Efficacy of the NVX-CoV2373 Covid-19 Vaccine Against the B.1.1.7 Variant. medRxiv. DOI: https://doi.org/10.1101/2021.05.13.21256639
  2. 蔣維倫 (2021) B 肝疫苗及台灣的肝炎聖戰——疫苗科學的里程碑(三)。泛科學
  3. 蔣維倫 (2021) 台灣的希望?蛋白質類型疫苗——高端疫苗簡介。泛科學
  4. 蔣維倫 (20201) 蛋白質加上昆蟲和樹皮:諾瓦瓦克斯疫苗原理與臨床試驗成果。科技報導
  5. Cheryl Keech, Gary Albert. et. al. (2020) Phase 1–2 Trial of a SARS-CoV-2 Recombinant Spike Protein Nanoparticle Vaccine. New England Journal of Medicine. DOI: 10.1056/NEJMoa2026920

除了 Novavax 疫苗,高端疫苗也是蛋白質疫苗的一員,一起來看看它們的原理吧!


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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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