脊髓灰质炎疫苗的研究进展

刘悦越，赵荣荣 综述，李长贵 审校

中国食品药品检定研究院呼吸道病毒疫苗室，北京102629

脊髓灰质炎（以下简称脊灰）是由3 种血清型脊髓灰质炎病毒（poliovirus，PV）引起的急性传染病，严重危害儿童健康。在疫苗问世之前，脊灰是儿童终身残疾的主要原因，疫苗是预防脊灰最经济有效的手段。世界卫生大会于1988 年提出全球彻底消灭脊灰的目标，通过全球范围持续有效地接种疫苗，每年的脊灰病例数已从1988 年的350 000 例降至2020 年的140 例，疾病流行的国家也从125 个减少至 2020 年的 2 个（阿富汗和巴基斯坦）［1］。世界卫生组织（World Health Organization，WHO）分别于2015 和2019 年宣布确认全球已消灭Ⅱ型和Ⅲ型脊灰野病毒，目前报告的野病毒病例均由Ⅰ型病毒引起［2-3］。随着全球根除脊灰进入关键的最后阶段，疫苗接种是实现目标的关键措施，针对传统疫苗的局限性，国内外研究者进行了深入和广泛的新型疫苗研发。本文就脊灰疫苗的应用现状和研究进展作一综述。

1 传统疫苗

由乔纳斯·索尔克研发的三价脊灰灭活疫苗（inactivated poliomyelitis vaccine，IPV）于 1955 年在美国上市。随后，由阿尔伯特·萨宾研发的3 种单价口服脊灰减毒活疫苗（oral poliomyelitis vaccine，OPV）分别于1961 和1962 年在美国获得许可使用，三价OPV（trivalent OPV，tOPV）于 1963 年问世［4］。IPV和tOPV 是全球免疫接种的主要疫苗，尤其是tOPV，因其具有优越的免疫原性，口服接种方便，可诱导黏膜免疫等优点，成为全球根除脊灰行动（Global Polio Eradication Initiative，GEPI）的首选疫苗。随后，由于Ⅱ型野病毒被消灭，tOPV 引起的Ⅱ型疫苗相关性麻痹性脊灰（vaccine associated paralytic poliomyelitis，VAPP）病例和传染性循环疫苗衍生脊灰病毒（circulating vaccine-derived poliovirus，cVDPV）凸显出来，因此，自2016 年4 月起，全球停止使用含Sabin Ⅱ型病毒株的tOPV，转换为二价OPV（bivalent OPV，bOPV，Ⅰ型和Ⅲ型）。

1.1 OPV OPV 是由脊灰野病毒株经细胞传代使病毒毒力减弱，通过筛选得到疫苗株，制成的脊灰减毒活疫苗。OPV 含有减毒的活病毒，能够激活接种者体内免疫反应产生保护性抗体，但不致病，从而起到有效预防脊灰的作用。与IPV 相比，OPV 具有生产成本低，口服给药更容易等优点。OPV 能够在肠道内复制，诱导黏膜免疫，不仅限制脊灰病毒感染和疾病，还能阻断病毒的传播。因此，接种OPV是终止脊灰病毒传播的主要策略，已成为全球根除脊灰的主要手段。虽然OPV 的使用使世界上大多数国家和地区已中断了脊灰病毒的传播，但疫苗病毒株基因组中的减毒位点有可能会发生回复突变，从而引起VAPP 或导致cVDPV 传播。监测数据表明，90%以上的cVDPV 病例由Ⅱ型脊灰病毒疫苗株突变引起［5］。对于cVDPV2，唯一有效的控制方法是使用储存的单价Ⅱ型OPV（monovalent OPV type 2，mOPV2）。但接种 mOPV2 又有可能引起新的cVDPV，尤其是在常规免疫中OPVⅡ型成分被停止使用后人群黏膜免疫力下降的情况下，引发进一步的疫情。由疫苗本身衍生的突变病毒株引起的疾病暴发，已成为全球消灭脊灰面临的一个主要问题。

1.2 IPV IPV 是由筛选出的野病毒株经细胞培养后灭活制成的三价疫苗。其可作为单苗独立使用，也可与一种或多种其他抗原如百白破或b 型流感嗜血杆菌联合配制。IPV 具有较好的安全性，不会引起VDPV 和VAPP，能够激活机体产生体液免疫反应。但IPV 在诱导肠道黏膜免疫方面不如OPV 有效。在瑞典进行的一项研究表明，接种者在接种4剂IPV 后，体内未检测出肠道中和抗体及IgA，采用口服mOPV1 的方式模拟攻击后，检测出11 ～17 d排毒［6］，表明IPV 无法有效阻止病毒传播。另外，IPV 的生产成本高，需要的生产设备生物安全等级更高。在全球消灭脊灰后，世界范围的常规免疫用疫苗将全部转向IPV，但在全球范围内提供IPV 所需的生产规模扩大是亟待解决的问题。而且，IPV的生产用毒株为野毒株，在生产过程中有很大的生物安全隐患。这些问题均提示，迫切需要研发新的疫苗以推进脊灰根除的行动。

2 新型疫苗研究策略

2.1 Ⅱ型新型脊灰减毒活疫苗（novel OPV2，nOPV2）nOPV2 是在脊灰疫苗Sabin 株Ⅱ型病毒的基础上，利用基因工程技术对其进行改造制成的［7］。研发者在Sabin 2 基因组5′非翻译区的减毒决定簇V 结构域（V domain，domV）引入修饰，以使其更加稳定，防止回复突变；将cre 从正常的2C 位置移至5′非翻译区，以防止nOPV2 domV 与共同传播的肠道病毒发生基因重组；改造病毒聚合酶编码区，以促进病毒复制的保真性，防止回复突变和重组。通过以上改造，nOPV2 保留了Sabin 2 的抗原和免疫原性，同时提高了其安全性，具有遗传稳定性。而且，在产量方面，nOPV2 与常规的 Sabin OPV2 相似，因此，具有与常规OPV 相似的节约成本的优点［8］。

研究者利用转基因小鼠模型评估该疫苗诱导中和抗体反应的能力，接种1 剂nOPV2 或常规Sabin OPV2 后的血清转换率均为75% ～100%，差异无统计学意义（P ＞ 0.05）［8］。在比利时进行的关于nOPV2的临床研究中，曾接种过IPV 的成年人再接种1 剂nOPV2，83%的接种者免疫后1 个月抗体水平升高4倍，人群平均中和抗体水平较免疫前升高8 倍。采用深度测序技术对接种者排出的病毒进行序列分析，未发现domV 发生突变，表明该疫苗在预防小儿麻痹症方面安全有效，同时降低了在免疫不足人群中转化成 VDPV 的风险［9］。

WHO 资格预审（Pre-Qualification，PQ）计划已于2020 年11 月13 日针对nOPV2 发布了紧急使用清单（Emergency Use Listing，EUL）建议［10］，意味着nOPV2 已成为GPEI 在cVDPV2 控制策略中的备选工具。这也是WHO 首次将未经许可的疫苗通过其EUL 程序。

2.2 Sabin IPV（sIPV） 与常规IPV 的毒种是野毒株不同，Sabin IPV 是由稳定的 ／ 减毒的脊灰病毒疫苗株制成的。首个Sabin IPV 于2012 年在日本上市［11］。我国自主研发的Sabin IPV 也于2015 年获批上市，目前已成为我国计划免疫用疫苗的主力军。Sabin IPV 以减毒的疫苗株作为病毒种子，降低了生产时的生物安全风险，从而降低了对生产设施的生物安全要求，提高了其在不同国家和地区的生产可及性。

近期在中国进行的一项随机对照研究表明，接种3 剂sIPV 后，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型血清阳转率分别为99.5%、98.6%和99.6%，对照组常规IPV 免疫后的血清阳转率分别为99.3%，97.0%和99.6%，两组间差异无统计学意义（P ＞0.05），且sIPV 组的抗体水平均显著高于常规IPV 组［12］。一项国外研究对比了接种3 剂sIPV 或常规IPV 后，血清中针对Sabin 疫苗株和野毒株的中和抗体，sIPV 组的血清阳转率达95.8%～99.2%，与常规IPV 组的94.8%～100%相比，差异无统计学意义（P ＞0.05）。类似的很多研究表明，sIPV 的免疫原性不亚于常规IPV，且具有良好的安全性［13］。在全球根除脊灰的最后阶段，WHO 鼓励发展sIPV，使其成为在中低收入国家生产和使用的候选苗之一，以减少从设施获得的脊灰病毒传播的风险。

2.3 病毒样颗粒（virus-like particles，VLP） VLP 是通过表达系统重组表达病毒的结构蛋白，并自行组装形成的不含病毒核酸、不能自主复制的病毒样蛋白颗粒。VLP 具有与天然病毒颗粒相似的空间构象，但缺乏基因组，不能复制、突变或重组，因此，其作为安全且廉价的潜在候选疫苗十分具有吸引力。目前已有上百种VLP 被成功表达，成为病毒性疫苗研发的热点，如已上市的乙型肝炎病毒疫苗、戊型肝炎疫苗和重组人乳头瘤病毒疫苗［14-16］。PV VLP已在许多不同的表达系统中被成功表达，包括哺乳动物细胞、植物、昆虫和酵母等［17-20］。

重组产生的PV VLP 存在的固有问题是自然产生的病毒颗粒不如天然病毒稳定，空颗粒具有从D抗原转变为C 抗原形式的趋势［17］，但只有D 抗原才能激活机体产生保护性免疫反应。研究证实，位于PV VP1 的疏水性裂隙中的口袋因子有助于维持衣壳的稳定性，但在很多表达系统中产生的VLP 缺乏该口袋因子［21］。但最近的研究表明，通过表达突变体添加口袋因子可使VLP 的D 抗原稳定，维持天然构象［22］。

成功表达的稳定PV VLP 具有与天然病毒相同的D 抗原构象，与IPV 一样具有免疫原性和有效性。MARSIAN 等［18］在植物系统中合成稳定的PV VLP，对携带人PV 受体基因的小鼠进行免疫，产生的中和抗体水平与常规IPV 相当，且可保护小鼠免受野生型PV 的攻击。研究者们在其他表达系统如毕赤酵母、BHK-21 哺乳细胞和昆虫细胞中通过基因突变均能表达出稳定的PV VLP，使其在结构上与野病毒几乎无区别，在免疫原性上与常规 IPV 相当［17，19-20］。VLP 成为脊灰根除后时代更安全的非感染性疫苗候选物。

2.4 佐剂 佐剂是新型疫苗研究的热点。通过添加佐剂增强疫苗的免疫原性可减少诱导保护性抗体达到保护水平所需的疫苗抗原剂量，从而降低生产成本。氢氧化铝佐剂是使用广泛的疫苗佐剂。在巴拿马和菲律宾进行的临床试验中，研究者将接种人群分为两组，一组接种常规IPV，一组接种含有氢氧化铝佐剂的IPV，后者的D 抗原含量仅为前者的1 ／ 10，结果显示，接种后两组的血清转换率无显著差异，安全性也相当［23-24］。表明氢氧化铝佐剂能够加强机体对疫苗的免疫应答，是生产新型低成本IPV 的方法之一。

其他新型佐剂也是近年来研究的重点。近期的一项研究表明，CP971P 与MF59 混合形成的佐剂化合物KML05，可在大鼠模型中提高sIPV 的免疫原性，在诱导相当水平的保护性抗体的前提下，KML05佐剂可将sIPV D 抗原用量降至不用佐剂时的1 ／ 8，且刺激的中和抗体效价能够保持更长时间［25］。DIETRICH 等［26］用 CAF01 配制的 IPV 接种小鼠，发现CAF01 可影响针对IPV 的细胞和体液反应的动力学，从而产生更快、更强的反应；另外，通过肌内和皮内同时注射含CAF01 的IPV，能够诱导产生粪便IgA，表明这种免疫方式激活机体产生了针对脊灰病毒的肠道免疫应答。

新型佐剂可能增强IPV 诱导黏膜免疫的能力是研究者的关注点之一，以减少脊灰病毒的传播，突破现有 IPV 的局限性。DE COSTA 等［27］利用小鼠模型评估了含有QB-90 佐剂的IPV 疫苗经皮下免疫后引起黏膜免疫反应的能力，研究者在胆汁、粪便和阴道冲洗液样品中均检测到QB-90 疫苗组的抗脊灰病毒IgA 抗体，应答水平明显高于无QB-90 的疫苗免疫对照组。dmLT 是大肠埃希菌热不稳定肠毒素的解毒形式，是一种有效的黏膜佐剂。在小鼠体内接种含有dmLT 的IPV 疫苗，能够产生比不含dmLT 的对照组高5 倍的血清中和抗体，dmLT 还促进生发中心的形成，延长了血清抗PV 中和效价维持的时间，且能增强黏膜免疫，分泌粪便和肠道抗PV IgA［28］。

2.5 疫苗传递系统 近年来，除了常规肌肉注射途径以外的其他递送方法和技术也引起了研究者的关注，以作为节省剂量、降低成本的替代策略。据报道，皮肤中的树突状细胞参与对传染病的免疫，通过皮肤划痕成功接种牛痘病毒即采用这种原理。适应性免疫应答的诱导取决于皮肤APC 对抗原的最初识别和捕获及其向淋巴器官的转运［29］，因此，皮内递送途径被认为具有发展潜力。已有报道通过常规针头对婴儿进行皮内接种IPV 能够节约抗原用量［30］，且动物实验表明，这种途径能够诱导黏膜免疫［28］，但用常规针头进行皮内注射很难执行且较痛苦。微针介导的疫苗输送是一种相对较新的策略，可实现微创和潜在的无痛。研究者在大鼠、恒河猴模型中考查了微针介导的皮内IPV 的免疫效果［31-33］，结果表明，中和抗体效价在微针免疫与肌内注射免疫中是等效的；在人群的临床试验中，通过微针方式皮内给药可在维持保护性抗体滴度的前提下将标准IPV剂量降低 60%［34］。

通过黏膜表面进行疫苗接种也具有潜在的优势，其通过无针递送，能够同时诱导血清和黏膜免疫反应，以阻断病毒的传播。初步研究表明，通过舌下或鼻内途径接种sIPV 能够诱导系统性脊灰特异性中和抗体免疫应答［35-36］，鼻内施予sIPV 和黏膜佐剂霍乱毒素诱导的系统性脊灰病毒中和抗体滴度明显高于通过肌肉内途径递送的sIPV。鼻内接种还可将抗原特异性免疫细胞募集至肠道，激活局部的肠道免疫反应，诱导产生肠道特异性IgA［35］。但这种黏膜接种途径尚需进一步研究，包括寻找安全有效的佐剂，开发新型口服剂型以改善口腔黏膜对抗原的吸收等。

3 小 结

尽管当前的脊灰病毒免疫计划在减少世界范围麻痹性脊灰病例方面非常成功，但目前疫苗衍生的脊灰病毒引起的病例比野生脊灰病毒病例更多，成为根除脊灰的最大障碍之一。改用IPV 可以避免这种情况，但常规IPV 的生产需要培养大量病毒，生产设施的要求和疫苗的成本均面临挑战。因此，在接近无脊灰时代的现阶段，需要考虑其他的疫苗研发策略，以确保维持对PV 的控制。