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不同廠牌疫苗可以混打,免疫力還可能更好?

miss9_96
・2021/06/21 ・3027字 ・閱讀時間約 6 分鐘

儘管 COVID-19 疫苗已被發明,但出貨嚴重不足的現實,讓「混打不同廠牌疫苗」是否可行,成了許多人的疑問。為了回應這個關鍵需求,歐洲已於去年底試驗混打疫苗,成果如何呢?

混打疫苗試試看!圖/envato elements

相較於兩劑疫苗都相同廠牌,混打 AZ 和輝瑞疫苗,似乎能引發更高的免疫力,對於變異株,也有更強的抵抗力。

混打 AZ 和輝瑞疫苗,誘發的免疫力似乎更好

AZ 混打 BNT疫苗

位於德國柏林的夏里特醫院(Charité – Universitätsmedizin)招募了 340 名醫護(約 20~40 歲之間),接受混打實驗。比較施打兩劑皆同品牌的「輝瑞-BNT疫苗」(間隔 21 天);以及施行混打,首劑 「AZ 疫苗(牛津疫苗)」、第二劑「輝瑞-BNT」(間隔 71 天)的人體試驗 [1]。

在不良反應方面,同品牌和混打之間,似乎沒有差異(如下圖所示);不過,接種首劑 AZ 疫苗時,頭痛、疲勞、發寒等不適都較為頻繁。

受試者之全身性不良反應嚴重程度比例。中文資訊為本文作者標註。from: 參考文獻1

而疫苗誘發的免疫力,混打組的數據,似乎更好一些些。

抗體層面,多數皆顯示混打組的能力,和兩劑輝瑞相同;抗體中和病毒效價實驗顯示,兩組的能力無差異(如下圖所示) [註1],「AZ+輝瑞」和「兩劑輝瑞」所誘發的抗體,阻止病毒侵入細胞的能力相似。

而細胞免疫的要角:T 細胞層面,團隊將棘蛋白的一部分(S1)摻入血中,觀察能辨認病毒蛋白質的 T 細胞,活化後分泌的 IFN-γ 量。結果如下圖2,「AZ+輝瑞」所活化的 T 細胞反應,居然比「兩劑輝瑞」更高;

顯示在細胞免疫層面,混打疫苗說不定能引起更高的免疫力。

兩劑輝瑞-BNT和混打組的抗體中和病毒實驗,和棘蛋白S1胜肽敏感之T細胞反應實驗。中文資訊為本文作者標註。from: 參考文獻1

混打對變異株病毒的效果

德國烏爾姆大學(Ulm University)團隊則是招募了 26 名醫護(平均 30 歲),接受混打疫苗首劑 AZ 疫苗、第二劑輝瑞疫苗(間隔8週),並且觀察其抗體中和變異株的能力 [2]。

對抗變異株的結果也令人驚奇:混打組的數據,似乎更好。

如下圖 3,在抗體中和病毒效價實驗中 [註2] ,以 α 變異株(B.1.1.7,俗稱英國變異株)和而言,「AZ+輝瑞」的抗體中和病毒效價,比「兩劑輝瑞」高出 3.9 倍!

而 β 變異株(B.1.351,俗稱南非變異株)也出現類似情況。此外,近期熱議的 δ 變異株(B.1.617,俗稱印度變異株)也被加入了此次的研究,「AZ+輝瑞」的抗體效價,並未因突變而降低。

整體而言,在對抗變異株的能力上,混打策略展現了令人驚奇、效果似乎更好的數據

兩劑輝瑞-BNT和混打組的抗體中和病毒實驗,特別針對α變異株(B.1.1.7, 英)、β變異株(B.1.351, 南非)和δ變異株(B.1.617, 印度)。中文資訊為本文作者標註。from: 參考文獻2

注意!不可忽略的不良反應

德國研究似乎展示了混打疫苗的優越性。在抗體中和病毒的能力上,混打「AZ+輝瑞」應不弱於「兩劑輝瑞」,且在活化 T 細胞上,可能稍強;而對抗變異株病毒上,混打「AZ+輝瑞」甚至展現了更高的中和效價。

綜上所述,混打不同廠牌的 COVID-19 疫苗,仍似乎可能是項可選擇的策略。

但是,我們仍必須注意不良反應的影響。英國一項約九百人的臨床試驗發現,混打(「AZ+輝瑞」或「輝瑞+AZ」),相較於兩次皆施打同廠牌(「AZ+AZ」或 「輝瑞+輝瑞」),出現不適感的比例更多、更強 [3]。

混打COVID-19疫苗的學理推論

為什麼接種不同廠牌疫苗,免疫反應好像更好?科學家目前有些推論 [4],混打「不同技術」的疫苗,或許可以綜合各技術類型疫苗的優勢。

混打兩種疫苗,或許可以綜合雙方優勢。圖/envato elements

舉例而言,滅活/去活化病毒疫苗(如:科興、國藥)和蛋白質疫苗(如:高端、Novavax),主要誘發體液免疫(humoral immunity),但活化的細胞免疫力(​cellular immunity)較弱。而腺病毒載體(如:AZ、嬌生)和 mRNA 疫苗(如:輝瑞、Moderna),能同時誘發體液和細胞免疫 [5]。

因此使用「蛋白質疫苗」加上「腺病毒載體/mRNA 疫苗」,或許能成為一種截長補短的有效策略。

此外,AZ、嬌生等疫苗,因外殼是腺病毒,可能會誘發人體的抗體攻擊。當人體接種第 1 劑的腺病毒載體疫苗,可能也會同步活化攻擊載體的抗體;注射第 2 劑時,這些抗體可能會直接消滅腺病毒載體、降低疫苗效力。因此「腺病毒載體疫苗」+「mRNA/蛋白質疫苗」,或許可作為一種迴避自我攻擊、降低疫苗效力的有效戰術。

混打疫苗是需要面對的議題

混打不同廠牌的疫苗是否可行,已是各國搶著研究的議題;我個人認為,在疫苗稀缺的台灣,這更是無法迴避的討論。

混打不同廠牌疫苗效果如何,是各國正加緊研究的議題。圖/envato elements

英美已在5月提出「Cov-Boost」、第3劑混打計畫,參與疫苗包含了尚未上市的Novavax,和台灣較陌生的中國科興、國藥疫苗。台灣能取得的疫苗,並不若英美多樣化,但國內高危險族群亦可能需追加第3針,以確保她們的安全。台灣的研究不可保守自封,應急起直追,越早建立本土研究越好。

保持冷靜,繼續前進。Keep Calm and Carry On.

補充:目前尚無 AZ+Moderna 的混打研究結果。

英國牛津大學已在今年(2021)2月展開多項混打實驗:

輝瑞+輝瑞,間隔12週
輝瑞+Moderna,間隔12週
輝瑞+Novavax,間隔12週
AZ+AZ,間隔12週 ‧AZ+Moderna,間隔12週
AZ+Novavax,間隔12週

若有最新資訊,將隨時轉譯。參考文獻:Elisabeth Mahase (2021) Covid-19: Moderna and Novavax vaccines to be tested in mixing vaccines trial. BMJ. DOI: https://doi.org/10.1136/bmj.n971

備註

註1:此處的抗體中和病毒實驗,並非採用活病毒(活病毒危險性高),而是使用人造的 ACE2 受體、人造棘蛋白的 RBD 部件進行實驗。抗體辨認、結合棘蛋白的 RBD 部件能力越高,越能阻止兩者結合,理論上就能抵抗病毒入侵 [6]。

抗體中和實驗之替代法說明。中文資訊為本文作者標註。from: 參考文獻6

註2:此處的抗體中和病毒實驗,並非採用真的 COVID-19 病原(危險性高),而是透過基因工程,讓無害病毒表面長出其關鍵的棘蛋白,以進行實驗。

參考文獻

  1. David Hillus, Tatjana Schwarz. et. al. (2021) Safety, reactogenicity, and immunogenicity of homologous and heterologous prime-boost immunisation with ChAdOx1-nCoV19 and BNT162b2: a prospective cohort study. medRxiv. DOI: https://doi.org/10.1101/2021.05.19.21257334
  2. Rüdiger Groß, Michelle Zanoni. et. al. (2021) Heterologous ChAdOx1 nCoV-19 and BNT162b2 prime-boost vaccination elicits potent neutralizing antibody responses and T cell reactivity. medRxiv. DOI: https://doi.org/10.1101/2021.05.30.21257971
  3. Robert H Shaw, Arabella Stuart. et.al. (2021) Heterologous prime-boost COVID-19 vaccination: initial reactogenicity data. The Lancet. DOI: https://doi.org/10.1016/S0140-6736(21)01115-6
  4. Heidi Ledford (2021) Could mixing COVID vaccines boost immune response? Nature. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00315-5
  5. 張金堅,許辰陽等 (2020) 新冠肺炎 (COVID-19) 的免疫學探討。臺灣醫界
  6. Chee Wah Tan, Wan Ni Chia. et. al. (2020) A SARS-CoV-2 surrogate virus neutralization test based on antibody-mediated blockage of ACE2–spike protein–protein interaction. Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/s41587-020-0631-z

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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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