撰文 | 王淏清
责编 | 丁霄哲
编辑 | 陈欣泓 石悦琳
编者按
不久前,一则“世界第二例艾滋病患者被治愈”的新闻刷屏朋友圈。但是迄今为止,艾滋病在公共卫生领域依然被认为是最重要的未解决问题之一,也有成千上万的一线科学家仍然在努力研究艾滋病的致病机理和预防方法——这其中一大努力方向是开发疫苗。这次的“伦敦病人”真的已经被治愈了吗?艾滋病疫苗又为什么迟迟无法到来?来自艾滋病领域专家、美国科学院院士Pamela Bjorkman实验室的王淏清博士为我们带来了关于艾滋病治疗方法和预防疫苗研究现状的硬核科普。
自1981年人类发现首例艾滋病以来,已经过去将近40年了。虽然这40年里科学家对艾滋病以及HIV病毒的研究与临床试验成果已经极大地延长了病毒携带者的寿命,但是目前为止依然没有通用的艾滋病治愈方法。直到今天,无论是考虑到感染人数(全球有三千七百万HIV病毒携带者)还是死亡人数(全球每年有将近一百万人死于艾滋病并发症), 艾滋病都依然是全球公共卫生的重要议题,尤其是对于经济,教育,和医疗水平都相对落后的第三世界国家,其更是沉重的社会问题。
1抗HIV药物——科学的成功与社会学的困境
与公众的对于艾滋病是“绝症”的普遍认识不同,在发达国家,因艾滋病及其并发症而死亡的患者已经非常少了。尽管目前依然很难完全治愈,艾滋病在发达国家已经近似于一种可控的慢性病。这得益于成熟的鸡尾酒疗法(AIDS cocktail)。
在北美及欧洲,长期稳定接受鸡尾酒疗法的艾滋病患者的平均预期寿命已经超过70岁,并有继续上升的趋势。(Trickey et al, 2017)
鸡尾酒疗法,是目前常用的抗HIV/抗逆转录病毒疗法 (antiretroviral therapy, ART)的别称。在HIV从感染到成熟的整个过程当中,很多步骤都会用到在宿主细胞中没有的外源蛋白,这些蛋白一般都是由HIV自己携带或翻译而成,这些HIV自身特有的蛋白自然就成为科学家们最早设计的抗HIV药物的主要靶点。例如在病毒基因组逆转录这一步,因为宿主细胞没有把RNA逆转录成DNA的需要,因此宿主细胞中本身没有逆转录酶,人们就可以设计药物专门抑制逆转录酶,从而在极低副作用的条件下抑制HIV。同理,也可以设计药物来抑制HIV整合酶、蛋白酶等。不过,由于HIV在体内的突变率很高,针对单个靶点的药物常常很快就会因为病毒出现抗药性而失效。90年代中期,加州理工学院校友、任职于洛克菲勒大学的华人科学家何大一(David Ho)开创性地将多种具有抑制作用的药物组合使用,同时抑制HIV病毒周期的各个步骤,从而最大程度上降低出现抗药性病毒的概率。因为涉及多种药物的组合,这种逐渐成为通用疗法的抗逆转录病毒疗法也获得了“鸡尾酒疗法”的外号。在今天,鸡尾酒疗法已经能相当有效的延长被HIV感染的病人的生命, 降低病人血液内的病毒量到无法验出的水平, 极大程度的推迟艾滋病发病时间。长期稳定地接受鸡尾酒疗法的艾滋病患者实际上已经拥有接近于健康人群的平均寿命和生活质量。
艾滋病在各国的每十万人死亡率。可以看到在发达国家,艾滋病的死亡率很大程度的控制。而发展中国家、尤其是中南非洲的情况依然触目惊心。(OurWorldInData.org)
然而,由于教育,医疗,经济等各方面的不完善,发展中国家的HIV感染高危人群并不能总是获得成熟的逆转录病毒疗法。最重要的原因是价格,目前在美国逆转录病毒疗法的价格大约是一个月一千美元。考虑到患者一旦被感染后就需要一直服药以控制体内病毒量,这一过程可能持续几十年。尽管有很多国际援助以及慈善机构出资以相对减少这些国家中逆转录病毒药物的价格,但是绝大多数第三世界国家感染者——尤其是年轻人——依然完全无法负担得起长达几十年的抗逆转录病毒治疗过程。在HIV病毒肆虐最严重的南非,有大约七百万HIV病毒携带者,而只有60%的人能获得逆转录病毒药物。因此,目前针对艾滋病的研究的首要目标是预防HIV病毒在发展中国家的传播。2HIV疫苗,阻止发展中国家艾滋病传播的希望
从流行病学的角度考虑,对于很多由病毒引起的疾病,疫苗都是比药物治疗更有效的办法。一组很好的例子是丙型肝炎和天花,丙型肝炎(Hepatitis C)目前已经可以通过药物治愈, 但是没有疫苗,因此每年因患丙肝而死的人数依然高达几十万;人类历史上从来没有发明出过可以治愈天花的药物,但是因为牛痘疫苗的普及,这种疾病目前已经在世界范围内绝迹。因此,考虑到推广药物治疗面临的种种困难,目前在HIV领域的主要努力方向是设计出HIV病毒的疫苗。
设计HIV疫苗的概念并不复杂,只需要能激发人体内的免疫系统产生抗体结合HIV病毒,阻止HIV病毒感染靶细胞就可以。 然而概念虽然简单,实施起来却有很多细节上的阻碍,使得专门设计的疫苗无法激发理想的免疫反应,产生有效的抗体。目前笔者所在的加州理工Pamela Bjorkman教授实验室的一大研究方向就是用结构生物学的手段研究HIV病毒疫苗及其引出的抗体,并在结构的基础上改进疫苗和抗体,使疫苗能更多,更快,更准确的引出想要的抗体,也使得抗体能更准确更有效的中和HIV病毒 。
Pamela Bjorkman,加州理工学院生物系David Baltimore Chair Professor。她最著名的早期工作包括通过解出了免疫系统中最重要的分子之一——主要组织相容性复合体(MHC)的分子结构。Bjorkman教授曾获选为HHMI研究员(1989-2015)、美国艺术及科学学院院士(1997)、美国科学院院士(2001),并获得过有诺奖风向标之称的盖尔德纳国际奖(1994)。3知己知彼——HIV病毒感染靶细胞的机理
HIV病毒抗体需要能够直接阻止HIV进入体内,这就要求我们对HIV如何感染靶细胞的分子机制有深入理解。
HIV通过表面的糖蛋白接触靶细胞(通常是CD4+ T细胞)表面的受体蛋白后,病毒外膜和靶细胞细胞膜融合(fusion),病毒衣壳(capsid)从而进入细胞。随后,病毒会经历一个称为脱壳(uncoating)的过程,脱去保护着病毒RNA基因组的衣壳。与此同时, 衣壳内的逆转录酶根据衣壳内的HIV RNA 逆转录生成反义互补DNA。不像大多数真核生物中的核酸聚合酶,HIV的逆转录酶没有自我查错这个功能, 因此逆转录过程的错误率非常高,导致HIV很容易带有突变。这些突变生成难以计数的毒株(strain),是HIV抗药性的重要成因之一。
逆转录之后的病毒cDNA会进一步合成与之互补的双链DNA,这些病毒DNA随后被转运到细胞核中,并由病毒的整合酶(integrase)将其整合到靶细胞的genome上。这样,病毒完成感染, 进入潜伏期。潜伏期过后,HIV DNA会在靶细胞内转录生成病毒rna,翻译生成必要的病毒蛋白。病毒rna和病毒蛋白在靶细胞膜上组合后释放未成熟的病毒(immature virion)。最后病毒经过蛋白酶作用成熟(maturation), 成为具有感染能力的HIV病毒,从而感染更多的靶细胞。
HIV病毒的生活史图示。
(Barre-Sinoussi et al., 2013)
HIV感染靶细胞的第一步,也就是病毒膜和靶细胞细胞膜融合这一步,是由HIV病毒外膜表面糖蛋白Env负责的,Env糖蛋白是一个三聚体,而其中的每个单体又可以被分成膜外蛋白gp120和跨膜蛋白gp41两部分。gp120能够识别靶细胞表面的CD4受体从而开启膜融合过程。CD4受体本身在免疫系统中有重要的功能(协同T细胞受体共同识别抗原呈递细胞表面呈递抗原的MHC-II分子),但是被HIV病毒“利用”来感染靶细胞。gp120与CD4结合后gp120与gp41都会发生构象变化,使整个Env糖蛋白呈打开状态,并且使在gp120上本来被包裹起来的协同受体结合位点暴露。 之后协同受体会与gp120结合,并导致gp41进一步的构象变化,最终实现膜融合。
gp120结合受体 (CD4) 和协同受体(co-receptor)最终实现膜融合的过程示意图。注意到在膜融合后只有gp41依然留在膜上,而gp120蛋白会脱落。
(Chan and Kim, 1998; Moore et al。, 1990)
HIV的协同受体有两种,包括前一阵子闹得沸沸扬扬的CCR5蛋白与另一个名为CXCR4的膜蛋白。 绝大多数HIV病毒毒株都能与CCR5结合从而感染靶细胞,一部分能通过与CXCR4结合从而感染细胞, 也有一部分既能通过CCR5、 也能通过 CXCR4感染靶细胞。也有研究显示在HIV感染的早期前期病毒主要利用CCR5(Bleul et al., 1997)。 值得一提的是,有少部分欧洲人具有ccr5基因的突变, 突变的ccr5基因产物无法与Env糖蛋白结合,使得他们天生能免疫那些只使用CCR5作为协同受体的HIV病毒毒株(Dean et al., 1996; Liu et al., 1996; Samson et al., 1996)。
CCR5蛋白在最近两次引发公众的关注。第一次是在前不久的基因编辑婴儿事件中,涉事科学家正是违反相关监管规定、对两名婴儿的CCR5基因进行了编辑,声称是为了让两名婴儿获得对艾滋病的天生免疫。然而,即使是仅从防治艾滋病的技术角度出发,人为地通过基因编辑手段在人类胚胎中引入这种突变依然是高风险而低收益的行为。首先,有关CCR5以及CXCR4在免疫系统中的的具体详细功能的研究还不是很完善,贸然导入这些基因的突变风险很大程度上是未知的。其次,带有这些ccr5突变(尤其是杂合子突变)可以带来的好处也十分有限。拥有ccr5杂合子突变的人群的基因组依然会表达一半的正常CCR5蛋白,因此只能相对地降低被使用ccr5作为协同受体的HIV病毒感染的风险(Huang et al., 1996; Michael et al., 1997)。同时,ccr5突变并不能影响使用cxcr4作为协同受体的HIV病毒的感染能力——即使是拥有ccr5纯合子突变的人群也依然可以被这些亚型的HIV病毒感染(O’brien et al., 1997)。
最近ccr5基因再次引起关注,是一周多前出现了世界上第二例宣称被治愈的HIV感染者(当然,由于HIV病毒的潜伏期非常长,是否真的被治愈还需要更长时间的时间观察),而这先后两例被治愈的“柏林病人”和“伦敦病人”是通过干细胞骨髓移植的方法获得带有ccr5基因突变的骨髓干细胞,这样使得他们免疫系统新产生的辅助型t细胞都带有ccr5基因突变。与此同时,本身潜伏在患者免疫细胞里的HIV病毒,也大概率会在骨髓移植前的放疗和免疫细胞一起被消灭。但是我们需要注意的是,对于艾滋病这种主要在发展中国家及低收入人群中肆虐的疾病,骨髓干细胞移植这种成本高昂条件要求苛刻的治疗手段依然没有太大的实用价值。4HIV病毒与广谱中和抗体:坚壁清野——把HIV堵在细胞外
综上所述,既然HIV需要通过Env糖蛋白来实现膜融合从而感染靶细胞有这些机制,那么要实现用抗体来中和Env糖蛋白的思路也就比较清晰了,大致有两种方案:1. 使得糖蛋白无法与受体或协同受体结合 2. 使得糖蛋白无法进行膜融合所必需的构象变化。然而,这两种方案虽然听上去简单,实现起来却有不少困难:
1. 靶点的选择有限。HIV有很多病毒蛋白,相应的,在感染者体内会产生很多识别这些病毒的抗体,但是绝大部分这些抗体对于HIV病毒没有中和作用。只有识别Env糖蛋白,并在其完成膜融合的功能前与之结合,阻止膜融合的抗体才能有效中和病毒 (Wei et al., 2003b)。
2. HIV的高突变率。之前提到, HIV在复制过程中会携带多种突变,而当这些突变发生在Env糖蛋白时,可能会改变原来的抗原表位,这样突变生成的新病毒毒株就无法被原来的抗体识别。Hiv通过这样的办法逃脱人体免疫系统的“追捕” (Preston et al., 1988; Roberts et al., 1988)。
3. Env糖蛋白的糖基保护。Env糖蛋白 在靶细胞内翻译产生,因此Env糖基化与本源糖蛋白的糖基化没有区别. Env 的序列中有大量的糖基化位点,修饰这些位点的,与本源糖蛋白相同的多糖分子在Env表面形成了一道保护屏障,保护了很多抗原表位使其无法被抗体识别 (Wei et al., 2003a)。
4. Env糖蛋白的构象掩蔽(conformational masking)。Env糖蛋白在与cd4受体结合后发生构象变化,暴露出一些抗原表位。而在Env糖蛋白处于与受体结合前的状态时,这些抗原表位通常被包裹保护起来,使得抗体无法通过这些抗原表位中和病毒。这种用构象变化来保护抗原表位的方法被称作构象掩蔽(conformational masking) (Kwong et al., 2002)。
5. Env糖蛋白在HIV表面的稀疏分布。大多数病毒表面结构高度重复,这是病毒的一个独特的特征,而人体免疫系统也常常利用这一点来识别病毒——很多抗病毒抗体会同时结合病毒表面的多个抗原表位,实现高亲和力(avidity)。然而,相对于大部分其他病毒来说,Env糖蛋白在HIV病毒膜表面的分布却非常稀疏。这导致针对Env糖蛋白的抗体分子很少能够同时结合多个Env分子。因此HIV病毒中和抗体的效果受到亲合力的限制 (Klein and Bjorkman, 2010)。
即便有以上多种限制原因,很少一部分受HIV病毒感染的病人依然能产生能中和多种HIV病毒毒株的抗体,这些抗体被称为广谱中和抗体(broadly neutralizing antibodies, bNAbs) (Burton et al., 1994). 不难想象,不管HIV病毒如何突变进化,但是Env糖蛋白始终要能够通过识别受体与协同受体最终实现膜融合,因此不同病毒毒株的Env糖蛋白无论如何都拥有一些共同点。广谱中和抗体就是通过识别这些共同的抗原表位来达到中和多种病毒毒株的功能。5HIV疫苗的可能性:如何诱导人体产生广谱中和抗体
目前基于老鼠及猕猴的动物实验都已证明广谱中和抗体可以阻止HIV病毒感染 (Klein et al., 2013b)。但是,由于基于抗体的治疗方法比抗逆转录病毒疗法更昂贵,因此比较实际的方法是设计出疫苗. 能够引导人体免疫系统产生广谱中和抗体的疫苗就可以成为有效的HIV病毒疫苗。 这条思路看起来简单,却迄今为止却十分坎坷——大量的动物实验以及临床试验都未能成功用疫苗引导出广谱中和抗体。原因同样非常复杂,具体有以下几点:
1. 广谱中和抗体容易被人体清除。抗体上有一部分区域被称为互补性决定区( Complementarity determining regions,CDRs), 负责抗体与抗原的接触。抗体的轻链与重链各有三个CDR (CDRL1,2,3; CDRH1,2,3). 为捕捉不同的抗原,CDR是全身变异性最大的地方。 很多HIV广谱中和抗体都有非常长的CDRH3。比如说,广谱中和抗体PGT145的CDRH3有33个氨基酸(Walker et al., 2011),是人体中其他抗体的平均长度的两倍。而这些具有非常长CDRH3的抗体容易被通过一种名为B细胞耐受检查点(B-cell tolerance checkpoint)的机制被从人体中清除。
抗体的结构示意图。重链与轻链各自拥有三个互补性决定区。抗体通过这些互补性决定区来捕捉抗原
2. 体细胞高频抗体悖论。另外一个HIV广谱中和抗体的特点是带有很多的体细胞高频突变 (somatic hypermutation) (Scheid et al., 2009)。
体细胞高频突变示意图
体细胞高频突变发生在B细胞被辅助型T细胞(正是HIV病毒的靶细胞)激活的过程中。在被激活后,这些B细胞快速增殖,与此同时抗体的基因会携带大量的随机突变,产生很多B细胞克隆。那些突变过后对抗原亲和力提高的B细胞克隆会被选择成为记忆B细胞和效应B细胞,负责产生针对抗原的抗体,而那些突变过后对抗原亲和力没有提高的B细胞则通过细胞凋亡被从体内清除。实验证明,这些人体自身免疫系统才能产生的体细胞高频突变对于广谱中和抗体的功能是必要的(Klein et al., 2013a)。由于广谱中和抗体携带有大量的体细胞高频突变,而HIV病毒疫苗通常是根据Env糖蛋与广谱中和抗体之间相互作用的机理而设计的,那么可以想象这样的疫苗与没有携带体细胞高频突变的胚系抗体之间的亲和力就比较低,因此目前的HIV疫苗无法有效的引导免疫系统产生广谱中和抗体。6展望
虽然目前还没有成熟的HIV疫苗能在患者体内产生广谱中和抗体,但是不可否认的是整个领域在过去几年的发展极其迅速。在世界各地都有有关HIV疫苗的临床试验在进行着。得益于基础研究的进步,现在疫苗的设计越来越精巧,对疫苗产生的免疫反应的分析也越来越透彻。对于HIV疫苗的研究,也在反过来促进免疫学以及病毒学基础研究的进步。尽管任何新疫苗的开发以及临床试验都会是一个漫长的过程,但是我们相信HIV疫苗的到来和艾滋病在全球范围内获得全面控制已经是一个可以期待的目标了。
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