如何阻止下一次病毒傳染病大流行?

新冠肺炎疫情給全世界上了非常難忘的一課,至今仍威脅着許多人的生命。最近多地的小范圍爆發的疫情提醒我們,來自病毒的威脅始終存在。為了下一次類似的大流行開始之前就阻止它,科學家們展開了多項研究,其中最具創新性的三個構想分別是開發通用疫苗、繪制病毒譜系圖和在實驗室中培養類器官。希望這些想法最終都能實現,從而防止未來災難的發生。

來源:Wired

撰寫:大衛·考克斯(David Cox)

翻譯:任天

開發通用的冠狀病毒疫苗

2020年5月,美國國立衛生研究院(NIH)傳染病實驗室主任馬修·米莫里在《自然》(Nature)雜志上發表了一篇評論文章,敦促科學界不要重復以往的錯誤。

如何阻止下一次病毒傳染病大流行?

諾姆·羅斯是生態健康聯盟的病毒熱點模型專家

盡管全球疫苗開發商都在競相研發新冠病毒疫苗——截至2020年8月,有170多種此類疫苗在研發中——但馬修·米莫里認為,這還遠遠不夠。他提出了一個更雄心勃勃的目標。「我們必須走得更遠,」他在文章中寫道,「我們必須努力研製一種通用的冠狀病毒疫苗,能廣泛防禦多種冠狀病毒。」

馬修·米莫里的理由是,歷史總會不斷重演。從嚴重急性呼吸綜合征(SARS)到中東呼吸綜合征(MERS),再到新冠肺炎,世界目前已經遭遇過三次冠狀病毒疫情,並且越來越嚴重。在每一次疫情應對中,科學家和決策者都傾向於將注意力完全集中在眼前的問題上,而忽略了對未來的規劃。

我們需要牢記大局。盡管新冠病毒具有很強的破壞性,但未來的冠狀病毒可能會構成更大的威脅,我們需要考慮未來。即使人類研製出了一種有效預防新冠病毒的疫苗,也不一定意味着我們就能應對下一個病毒。

通用疫苗是指一種可以防禦多種冠狀病毒株的疫苗,這個概念似乎聽上去有些牽強,但並不是一個全新的想法。20世紀90年代初,諾登實驗室的科學家提出了一個雄心勃勃的計劃,希望開發一種可以保護貓免受多種冠狀病毒侵襲的疫苗。諾登實驗室是葛蘭素史克公司(當時屬於其前身之一的史克必成公司)的動物健康部門,當時,對冠狀病毒的商業興趣並非來自它們對人類的威脅,而是來自它們對動物的威脅,因為其多種病毒株可能會傷害家庭寵物。

諾登實驗室的研究小組自稱為「基因騎師」(gene jockeys),因為他們擅長從各種致病病毒中克隆基因。他們甚至為所提議的疫苗申請了專利。然而,該疫苗未能展現出任何預防能力,在臨床試驗中一敗塗地。不過,這個項目給我們留下了一個重要的教訓,那就是無論在動物還是在人類身上,實現對不止一種冠狀病毒株的有效預防將是異常復雜的任務,可能需要誘導比中和抗體更廣泛的免疫反應。

諾登實驗室當初的研究團隊成員伊萊恩·瓊斯說:「我們認為可以激活一種抗體對棘突蛋白(冠狀病毒疫苗的常見靶點)產生反應,從而防禦不同貓科冠狀病毒的感染,但僅靠這種方法還不足以獲得長久有效的免疫力。」

20年後,在2012年MERS冠狀病毒在中東大規模爆發後不久,研究該病毒的科學家首次發現,開發通用的冠狀病毒疫苗可能並非天方夜譚。英國利茲大學的分子生物學家基思·格雷漢當時是肯特大學的博士生,他很想知道,在2000年代初感染SARS冠狀病毒的倖存者的血樣是否也會對這種新病毒產生免疫反應。

令格雷漢驚訝的是,他發現大約四分之一的SARS患者的血液中含有對抗MERS冠狀病毒的中和抗體。當他比較這兩種病毒的蛋白質序列時,發現了一些重疊部分。在棘突蛋白的一個特定區域,SARS病毒和MERS病毒之間有40%的氨基酸是一致的。令格雷漢更感驚喜的是,他發現SARS、MERS、OC43和HKU1這4種冠狀病毒之間存在進一步的重疊部分,而這些冠狀病毒與普通感冒有關。

基思·格雷漢認為,這表明有可能開發出一種能在多種冠狀病毒株之間誘導免疫應答的疫苗。但到了2016年,對MERS的擔憂已經消退,該項目也沒有進行下去的資金。正如格雷漢所言:「你去對一家制藥公司說,『我們有一種疫苗,可以預防某些感冒,而且如果人們碰巧在駱駝旁邊,感染了MERS,那他們也會受到保護』,這在當時可算不上什麼太好的商業提議。」

四年後,這類疫苗的前景已經截然不同。

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美國國立衛生研究院傳染病實驗室臨床研究部門主任馬修·米莫里

第二輪冠狀病毒疫苗研發

2020年7月,法國生物技術公司Osivax從歐洲創新理事會和投資銀行Bpifance獲得了超過3200萬歐元的資金,用於開發一種通用的冠狀病毒疫苗。這只是關於冠狀病毒疫苗的一系列最新進展之一,許多人對這類疫苗有着更廣闊的願景。

冠狀病毒疫苗(不僅僅針對新冠病毒)的第二輪研發正在進行中,參與者包括比利時初創公司myNEO和加拿大制藥公司VBI,中國疾病預防控制中心和美國國立衛生研究院也各自牽頭和資助了相關項目。

這些疫苗仍在臨床前開發階段,還需要一段時間才可能推向市場。相關的人體試驗計劃在2021年初進行,此時一些新冠病毒疫苗已經處於試驗的最後階段,只待臨床批准。從長遠來看,如果通用冠狀病毒疫苗最終成功,它們的廣泛適用性可能具有更重要的意義。

在一定程度上,所有這些疫苗研發項目都基於格雷漢在SARS和MERS上的發現,即當我們檢測已知會感染人類的冠狀病毒的蛋白質時,會發現它們的序列有許多相似之處。主要問題在於如何最大限度地利用這種相似性。

在馬修·米莫里的論文發表時,他已經有了一個想法。十多年來,他一直希望找到一種通用的流感疫苗。正如諾登實驗室的科學家們在20世紀90年代初發現的那樣,他了解到,要想製造出一種成功的廣譜疫苗,可能需要誘導多種免疫反應,比如訓練T細胞識別這些病毒株的指示因子。

T細胞在人體免疫中具有特別重要的作用,一旦學會識別病毒,它們復制產生的新細胞會保留對病原體的「記憶」,並保持休眠狀態,直到將來遇到病原體時才被激活。如果疫苗能夠刺激這部分免疫系統並嘗試誘導抗體反應,就更有可能應對不同的冠狀病毒株,並為世界各地不同年齡組的人群提供保護。這就是T細胞反應的重要性,一些正在開發的新冠病毒特異性疫苗會刺激T細胞反應。

「T細胞反應的美妙之處在於,它往往有利於老年人,因為他們的抗體反應和抗體免疫記憶不那麼強,」馬修·米莫里解釋道,「我們希望盡可能多地利用免疫系統的各個方面,這樣就有很多方法來攻擊這種病毒,從而減少疾病。」

T細胞可以被訓練來識別冠狀病毒的內部成分,這些成分較少突變,因此不同毒株之間的相似性可能更高。然而,這些病毒內部的蛋白質很難作為靶點。近年來,研究流感疫苗的科學家想了很多辦法,比如通過注射病毒的RNA或DNA到身體細胞,使病毒將內部的蛋白質暴露在表面,從而被免疫系統識別。

Osivax公司的疫苗希望通過這種方式,使T細胞能以核衣殼(nucleocapsid)蛋白為目標。核衣殼蛋白即N蛋白,是冠狀病毒的主要結構蛋白,其基因序列在所有已知的人類冠狀病毒中高度保守。馬修·米莫里的團隊和myNEO公司有一個更雄心勃勃的計劃。他們希望通過算法篩選出所有可用的冠狀病毒序列,在對冠狀病毒生存至關重要的所有蛋白質中確定多個目標。

研究者正在通用流感疫苗上試驗類似的方法,但對冠狀病毒來說,該方法可能更加直接,因為它們的基因多樣性較低。研究人員可以提取這些病毒的序列,確定它們之間的關系,通過這種方法,可以將所有感染人類的冠狀病毒分為4個家族。從遺傳學的角度,流感病毒的劃分要困難得多,因為它們有更廣泛的亞型和毒株。

不過,雖然這些項目令人樂觀地認為,世界將為未來的冠狀病毒疫情做好更多准備,但冠狀病毒並不是唯一潛伏在野生動物中、可能對人類構成威脅的致命病毒。

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英國利茲大學的分子生物學家基思·格雷漢

培養迷你器官的實驗室

在上海復旦大學,研究人員正計劃設計一個高等級的生物安全實驗室,以幫助預測下一場流行病。目前全世界數十家生物安全水平達到四級(BSL-4)的實驗室,用於對危險病原體的研究。

BSL-4實驗室的環境更像是探索外太空的空間站,而不是進行一般科學實驗的地方。工作人員必須穿着獨立供氧的正壓防護服,而整個區域的所有出入口都是氣密性的,並且以電腦控制上鎖,防止同一時間打開兩個門。

在63歲的荷蘭分子生物學家漢斯·克拉弗斯(Hans Clevers)看來,這樣的實驗室是研究潛在致命病毒的必要條件,他是這些計劃背後的推手之一。如果我們想在未來的疾病大流行開始之前就阻止它,這樣的設施是必要的投資。

漢斯·克拉弗斯是開發類器官(organoid,由干細胞培養而成的微型簡化器官)的先驅,在這一領域已經進行了20多年的研究。作為復旦大學類器官中心的名譽主任和教授,他對該實驗室的願景是創建一個專門的研究中心,使科學家可以利用中國和東亞的蝙蝠、穿山甲、果子狸和其他本土物種的細胞培育類器官。一個想法是利用這些動物的腸道細胞培育腸道類器官,因為很多病毒就生活在腸道中。利用這些類器官,科學家就能評估潛伏其中的未知病原體的危險程度。

這個研究中心將成為克拉弗斯等研究者在過去十年中開創的病毒學新領域的頂點。自2012年以來,他們培養了大量的類器官,用於收集各種病毒的數據,從諾如病毒(引起病毒性胃腸炎的病毒)到埃博拉病毒。

大多數類器官在肉眼下平平無奇。乍一看,它們就像一串漂浮在培養皿中的蒼白斑點。但在顯微鏡下,類器官的全貌得以展現:這些奇怪的結構比我們體內的器官大約小一百萬倍,但也足夠復雜,為理解病毒如何入侵細胞提供了相當真實的模型。

類器官第一次真正引起關注是在2016年的寨卡疫情期間。2013年,德國分子生物學家於爾根·克諾布利希利用多能幹細胞培育出了人腦類器官,媒體稱之為「迷你大腦」。這一突破引起了轟動,並被《科學》(Science)雜志評為2013年的十大發現之一。隨着寨卡病毒在巴西的傳播,克諾布利希的類器官提供了一些初步線索,解釋了寨卡病毒為何會導致兒童出生時大腦較小。這是第一次有人證明了寨卡病毒會導致這種神經發育疾病,這使得類器官成為研究病毒的最佳途徑之一。

在當前新冠肺炎大流行期間,類器官在了解患者可能經歷的各種症狀方面發揮了關鍵作用。通過用新冠病毒(SARS-CoV-2)感染腸道類器官,克拉弗斯證明了該病毒很容易感染腸道,導致惡心和腹瀉。還有研究者培育了血管系統的類器官,展示了該病毒如何利用人類的ACE2蛋白進入血液並在體內循環。

現在,越來越多的資金投入到利用類器官評估潛在致命病毒的研究中。其中特別受到關注的一個領域,是來自豬流感病毒和禽流感病毒的混合病毒株所構成的威脅,以及這些病毒與人類病毒株之間的基因交換。2020年早些時候,美國愛達荷州發現了一例混合型流感病毒株,它同時含有季節性流感和導致2009年甲型H1N1流感病毒的遺傳物質。

漢斯·克拉弗斯與香港大學的科學家合作,通過確定這些新病毒感染肺部類器官時對呼吸系統造成的損害程度,建立了一套預測其致命程度的系統。一種新的危險流感遲早會出現,這是一種持續的擔憂。但這也讓科學家們能接受任何新的病毒株,並迅速評估其傳染性,以及它可能對人體造成的影響。

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漢斯·克拉弗斯率先利用干細胞培育的類器官來研究病毒

培養未知病毒

有許多病毒存在於蝙蝠和其他物種體內,目前還無法感染人類細胞,但只需要微小的突變,它們就可能成為致命的殺手。我們需要考慮它們在不久的將來發展出致病能力的可能性。

漢斯·克拉弗斯熱衷於在實驗室培育這些病毒,並測試潛在的藥物和疫苗,這樣如果它們感染人類,我們就有辦法對付它們。而想要培育病毒,唯一的方法就是利用動物細胞來培育類器官。

科學家在很長一段時間內都無法做到這一點,但克拉弗斯的團隊找到了一種辦法。「我們發現,我們可以從任何器官中提取干細胞,並將它們放入含有干細胞生長因子的混合物中,它們會製造它們所來自的器官,」他解釋道,「這使我們能夠為任何哺乳動物培育類器官。我們甚至還培育出了能夠產生蛇毒的類器官。」

當然,這樣的工作也有一定的風險。蝙蝠等動物具有強大的免疫系統,能阻止病毒在體內傳播,但當它們的類器官在培養皿中生長時,這種保護就不復存在了。除非採取極端的預防措施,否則這種研究可能會使潛在的危險病原體逃逸,這也正是為什麼需要最高級別的生物安全措施的原因。

進行這些實驗需要非常特殊的訓練和設備,蝙蝠攜帶着許多休眠病毒,這些病毒被它們自身的免疫系統控制着,而一旦你把它們的細胞放入培養液中,病毒就可以增殖。這必須非常小心,才能確保不會有病毒逃逸。

在漢斯·克拉弗斯篩選有可能在未來感染人類的病毒之時,另一位類器官科學家正在監測已知的危險病原體。由於氣候變化等因素,這些病原體正在向世界上人口更多的地區傳播。

奧地利分子生物學家約瑟夫·彭寧格領導着一項名為「MAD-CoV 2」的研究項目。這是歐盟「創新藥物計劃」——共有7200萬歐元的資金——選定的8個項目之一,已於2020年8月啟動。

MAD-CoV 2項目背後的理念是利用類器官來識別多種不同病毒的潛在藥物靶點,通過將覆蓋着成千上萬個細胞的人類肺類器官暴露在病毒中,然後研究存活下來的細胞,他們就可以識別出能夠對付特定病毒株的突變。

研究項目希望將這種方法應用於新型冠狀病毒和漢坦病毒——這類對人類可能致命的病毒通常在偏遠的熱帶地區發現,但如今在歐洲部分地區越來越普遍。微氣候區在世界各地的發展,導致一些病毒在這些地理區域內移動,這是幾個世紀以來從未見過的情況。

彭寧格已經為這個項目等待了數年,但在此之前並沒有人願意提供資金。新冠肺炎疫情的影響如此之大,使政府和企業界都改變了主意。「這項技術已經有了,但沒有人真正在意,」彭寧格說,「一年前,我會告訴投資者,『我們有一種很酷的新方法來研究病毒,可能會發現新的藥物靶點』,然後基本上我都會被帶出辦公室。反過來,他們卻投資了第120家癌症公司。我們都知道可能會再發生一場大流行,但沒有人相信。」

現在最重要的是,這場危機在經濟上的影響已經迫使政策制定者重新考慮。一場大流行會導致多大的代價,而建立一個這樣的設施又需要多少成本,這計算起來並不難。二者根本不能相提並論,大流行並不是什麼奇異的事件——我們已經經歷了SARS、MERS,現在又經歷着新冠肺炎。要麼等待下一個病毒出現,要麼嘗試採取一些措施。

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諾姆·羅斯建立了關於生物多樣性和土地利用如何影響病毒由動物傳播給人類的模型

繪制病毒圖譜

在地球上所有的生物實體中,病毒是數量最多的。更直觀地說,地球上與我們共存的單個病毒——估計有10^30個——比宇宙中的恆星數量還要多。一茶匙海水中就含有大約1000萬個這樣的個體。

考慮到如此龐大的數字,追蹤每一種具有人畜共患可能性的病毒似乎是一項不可能的任務。但是,一個由科學家組成的全球聯盟已經展開了這樣的計劃。

野生動物流行病學家、加州大學戴維斯分校健康研究所主任喬娜·瑪澤特解釋道:「大約有50萬種病毒會感染我們。只需花上10億多美元,我們就能找到其中的大部分;而如果花上差不多40億美元,我們就能找到幾乎所有這些病毒。」

瑪澤特有過這方面的研究經歷。在過去的十年中,她一直擔任PREDICT項目的主管。這是一個由美國政府資助的項目,旨在檢測能夠引起新型流行病的病毒。藉助最新的下一代測序技術,該項目在2009年至2019年間發現並測序了1000多種病毒。這些病毒採集自不同的地區,從尼泊爾的稻田到塞拉利昂的城市貧民窟,幾乎無處不在。盡管取得了令人印象深刻的成果,但就整個項目的宏偉目標而言,這些還遠遠不夠。

另一方面,研究團隊雖然付出了巨大的努力,但並沒有發現新型冠狀病毒。不過,瑪澤特事先就警告過這種可能性。2018年,她與其他參與PREDICT項目的科學家共同撰寫了一份世界衛生組織簡報,文中寫道:「世界並沒有為下一場病毒爆發做好充分的准備。」

如今,在新冠肺炎大流行的背景下,她再次強調了這一點。在不久的將來,PREDICT項目將被美國領導的一項新計劃「STOP Spillover」取代。這項5年計劃主要專注於識別更多的冠狀病毒、埃博拉病毒和尼帕病毒。盡管如此,瑪澤特還是不斷呼籲政治領導人支持一項更加宏大的預防計劃。

全球病毒組項目(Global Virome Project,簡稱GVP)是一項全球性的合作計劃,也是一個流行病預防專家聯盟,該項目希望在更大規模上實現PREDICT的目標。他們打算在十年之內,從被認為能夠攜帶病毒並可能傳播給人類的每一種哺乳動物和鳥類中,對1000到2000個個體進行樣本採集,建立一個包含所有潛在人畜共患病毒的圖譜。

這份圖譜將會帶來一系列的好處。在具有傳染病風險的國家,醫生們可以提前做好准備,密切關注這些疾病的症狀,並根據病毒在不久的將來傳染給人類的可能性,對疫苗開發進行優先排序。

GVP項目的范圍之廣,可能會令人生畏,但在這項計劃的背後,是一個復雜的戰略。對於每個大陸,他們希望根據數學模型找出可能出現病毒的熱點地區,預測病毒如何隨時間演變,然後對相關區域進行取樣調查。

計算機科學家諾姆·羅斯就職於紐約的非營利組織「生態健康聯盟」(EcoHealth Alliance),他是GVP項目的主要參與者,也是全球領先的熱點模型建立者之一。他指出,驅動特定地區成為人畜共患病毒中心的因素主要有3個:哺乳動物種群的高度多樣性;氣候變化模式;以及土地用途的活躍變化。

「首先,動物的多樣性導致了病毒的多樣性,」羅斯解釋道,「如果很多不同的物種有重疊的棲息地,它們就會共享病毒;而當病毒在物種之間大量傳播時,它們就更容易傳播到人類身上。氣候變化導致動物種群轉向更適合它們的棲息地,而在工業和農業導致土地用途大量改變的地區,人類更容易接近這些生物多樣的區域。」

人類和動物的移動,導致病毒也會隨時間推移而不斷演化。於是,諾姆·羅斯等建模者就可以利用衛星和氣候數據來預測可能成為病毒熱點的地區。然後再結合科學家的血清學實地調查,在人群中採集血液樣本,尋找表明人類與新病毒反復接觸的抗體。生態健康聯盟剛剛開始一項新的調查,旨在尋找馬來西亞農村社區的病毒抗體,並計劃將這項調查擴展到東南亞多個國家。

尋求政策支持

盡管PREDICT項目得到了美國國際開發署(USAID)的資助,但啟動GVP項目所需的資金還未得到保證。盡管喬娜·瑪澤特表示,多個國家的政治領導人已經表達了口頭上的興趣。完成GVP項目主要目標所需的巨額資金——估計為17億美元和37億美元之間——是讓各國政治家猶豫的重要原因。喬娜·瑪澤特等人希望新冠肺炎疫情的影響能促使政策制定者更關注那些能夠節約潛在成本的項目。據估計,在全球范圍內,新冠肺炎疫情的經濟成本已經超過7萬億英鎊。

「與新冠肺炎疫情給世界造成的損失相比,全球病毒組項目的總費用微不足道,」喬娜·瑪澤特說,「我認為這次大流行是一個強有力的號召,告訴人們『好吧,我們都經歷了可怕的疫情,但我們不希望這種事情再次發生,所以,讓我們做好准備吧。』我們有找出這些病毒的所有技術和科學動力,現在需要的只是政治意願。」

與此同時,各個國家的相關計劃也已經在進行中,包括一些類似的病毒圖譜項目,盡管規模要小得多,並主要針對特定種類。其中一個項目在北京,中國農業大學的科學家們一直在尋找新的豬流感或禽流感毒株,他們對來自全國各地屠宰場的數以萬計的拭子進行檢測,監控可能出現的新毒株。

其他一些項目也是對GVP宏大目標的補充,研究者試圖在野生動物中識別出潛在新病毒的「預警信號」,並尋找降低人類感染風險的方法。通過研究孟加拉國和加納的蝙蝠種群,傳染病生態學家了解到,在特定時間,蝙蝠物種往往會大量或「脈沖式」地釋放病毒。這通常是因為蝙蝠處於壓力之下,它們的免疫系統比正常情況下更脆弱。研究項目希望能夠監測蝙蝠行為的變化,有些行為,比如進食或繁殖成功,預示着它們可能會釋放更多的病毒。

這些行為變化可以用作初期預警系統,例如,在孟加拉國等地,相關數據可以警告人們,在這幾個月里不要食用通常會被蝙蝠污染的椰棗汁,因為其中可能有更高的病毒載量。

這些項目的重要性不可低估,因為盡管新冠肺炎具有很強的破壞性,但未來的大流行可能會嚴重得多。這一領域的研究人員很慶幸情況沒有更糟,因為它本來可能會更致命,新冠病毒的主要問題是,我們把魔鬼從瓶子里放了出來。而GVP這樣的項目所能做的,就是讓人們有能力在更早的階段減輕這些事件的風險。

來源:cnBeta