肺结核：被遗忘了的流行病

编译 凌寒

1949年，奥尔巴尼医院结核病科主任鲁本•埃里克森（Reuben Erickson，左）为婴儿注射卡介苗

1921年7月18日，第一个婴儿接种了一种活牛的细菌（牛结核分枝杆菌）。几小时前，他出生于巴黎的一家医院，他的母亲因感染与牛结核分枝杆菌密切相关的人类病原体结核分枝杆菌而死亡。本将负责照顾孩子的祖母也患有肺结核（TB）。为了保护新生儿不要罹患这种疾病，医生给他口服了一剂后来被命名为卡介苗（Bacille Calmette-Guérin，BCG）的疫苗，该命名是为了纪念其发明者阿尔伯特•卡尔梅特（Albert Calmette）和卡米尔•介朗（Camille Guérin）。这二人培养牛结核分枝杆菌已逾10年，直到它不再在动物中引起疾病。

如今，每年有超过1亿的婴儿接种卡介苗，主要集中在发展中国家，而该举措挽救了成千上万的生命。但它并不能提供完全的保护，肺结核仍然是地球上的头号传染病杀手。据估计，在过去的200年里，肺结核已经造成了10亿人的死亡，仅2019年就有140万人死亡。医生们现在会使用抗生素来治疗这种疾病，这一事实使得这个巨大的负担变得更加悲惨。都柏林大学的感染生物学家斯蒂芬•戈登（Stephen Gordon）告诉他的学生，肺结核是“被遗忘的流行病”。

尽管卡介苗是目前唯一可用的肺结核疫苗，但研究人员几十年来一直致力于研发出一种更好的疫苗。在对几十种方法进行了试验，经历了一些临床失败后，那些在该领域工作的人员表示，第二种肺结核疫苗有望上市。“我们渠道很多——有着大量的候选品，”华盛顿大学传染病学家托马斯•豪恩（Thomas Hawn）说，“这让我很乐观。”

领跑者

有两种候选疫苗处于3期临床阶段，紧随其后另有8种疫苗处于2期临床阶段。再往前看，还有三种疫苗处于1期临床阶段（图表中未显示），另有一些临床前候选疫苗正在努力向人体试验阶段推进。

活疫苗

VPM1002：一种活的减毒卡介苗，它含有来自另一种细菌的成孔蛋白，可使抗原和分枝杆菌DNA从吞噬体中流出进入细胞质BCG再接种：卡介苗的加强注射

MTBVAC：一种包含毒力基因突变的活的、经过基因弱化的结核分枝杆菌（第一个也是唯一进入临床试验阶段的此类疫苗）

蛋白亚单位疫苗

M72 + ASO1：由两个结核分枝杆菌抗原和一个佐剂组成的重组融合蛋白

H56:IC31：由两种早期分泌蛋白和一种潜伏蛋白辅以佐剂组成的一种蛋白疫苗

ID93/GLA-SE：由四种结核分枝杆菌毒力抗原融合体与佐剂组成

GamTBVac：一种融合了两种结核分枝杆菌抗原与佐剂的亚单位疫苗

全细胞疫苗

DAR-901：相关物种奥布分枝杆菌的灭活制剂，它不会引起疾病

MIP：一种灭活疫苗，由一种生长迅速但不会引起疾病的indicus pranii分枝杆菌组成

基于载体的疫苗

TB/Flu04L：一种通过鼻腔给药的减毒活流感病毒，携带有结核分枝杆菌的两种抗原

卡介苗的缺点

虽然肺结核通常被认为是一种严重的肺部疾病，会造成胸痛和经常性咳血，但在儿童中，感染通常会转移到肺部以外。当这种疾病影响到多个器官时，可能会转化为粟粒性肺结核，如果得不到抗生素治疗通常几乎是致命的；当大脑和脊髓周围的膜被感染时，可能会转化为结核性脑膜炎。卡介苗最大的好处之一是它可以预防这些形式的感染。“出生时即注射卡介苗可以持续且可靠地预防儿童体内结核病的弥散性传播。”牛津大学的疫苗研究人员海伦•麦肯肖恩（Helen McShane）说道。

青少年和成人患者在肺结核病例中占比90%以上，在这些患者中肺结核表现为更为常见的肺部感染，出于某种原因，卡介苗在预防这种形式的疾病方面效果较差。麦肯肖恩说：“它为肺部疾病提供的保护是个可变量，而肺部疾病正是目前肺结核的负担所在。”

奇怪的是，卡介苗对青少年和成人的保护力度因地域而异。该疫苗在斯堪的纳维亚和其他高纬度地区有良好的效果，但在靠近赤道地区的人群中保护作用较弱。一种接受度较高的解释是，在赤道地区发现的其他种类的分枝杆菌可以触发人体产生一种免疫记忆，这种免疫记忆可识别并减少卡介苗的生物体增殖。麦肯肖恩说：“在世界上卡介苗似乎不太起作用的地区，接触到非结核分枝杆菌的概率最大，所以这是这种关联性的流行病学证据。”

更复杂的是，结核分枝杆菌可以潜伏在人体内数十年。大约有20亿人受到了感染并处于潜伏期，当机会出现时——比如免疫系统抑制，这在艾滋病患者中很常见——细菌就会激活，使人发病，并更易于将这种空气传播型病原体传播给其他人。

专家表示，理解这些动态的关键点在于免疫应答。结核分枝杆菌与人类共存了数千年，已经从分子层面上进化出了一些小花招，可以躲避人类的免疫雷达，甚至在被检测到时也能使免疫应答变得迟钝。当人们吸入结核分枝杆菌时，这种微生物随即进入肺部，似乎会引诱免疫细胞。在肺部巡逻的肺泡巨噬细胞会吞噬结核分枝杆菌并试图杀死它，但“它们却在无意中提供了细菌想要进入的生态位”，戈登说道。在巨噬细胞内，结核分枝杆菌可免于抗体的追杀。

哥本哈根丹麦国立血清研究所肺结核疫苗研究负责人拉姆•莫特森（Rasmus Mortensen）在一封电子邮件中写道，结核分枝杆菌的“蜡状”胶囊有助于掩护细菌，使其不被免疫系统识别。如果分枝杆菌被巨噬细胞识别和摄取，它们一旦进入巨噬细胞，就能够“阻止吞噬溶酶体的成熟，使其自身能够留存在巨噬细胞内，甚至进行复制”。结核分枝杆菌还能够干扰抗原呈递（一线免疫细胞正是借由抗原呈递来向辅助型T细胞展示肺结核杆菌抗原的），从而“延缓保护性T细胞应答的启动，并限制T细胞启动后的作用”。

机体最终会在被称为肉芽肿的免疫细胞团内将结核分枝杆菌隔离开来，“在那里细菌就像一个定时炸弹，”戈登说道，“等待着你抵抗力下降这一合适时机。”

并不是所有的病例都很严重。大多数结核分枝杆菌感染者都没什么大碍；只有5%～15%的人会发展为肺结核。南非开普敦大学的肺结核免疫学家托马斯•斯克里巴（Thomas Scriba）评论道：“肺结核和人类已经针锋相对地厮杀了很长一段时间了，胜负之间已经达到了非常好的平衡。”

在研肺结核疫苗多管齐下

卡介苗（BCG）可引起多重免疫反应，为儿童有效地抵御肺结核病，而在发展中国家肺结核病仍然很常见。疫苗的保护作用会随着年龄的增长而减弱，而且病原体也会感染青少年和成年人，引发肺部疾病，其特征是持续的、有时带血的咳嗽。研究人员并不确定免疫反应的哪些部分对于保护的有效性最为关键，他们正在采取多管齐下的方式用下一代肺结核疫苗来改进卡介苗。这里展示的一种主要的候选疫苗包含与卡介苗相同的微生物，但在基因层面上做出了一些调整，研究人员希望该候选疫苗能提供更好的保护。另一种候选疫苗则采用了完全不同的方法，即从卡介苗细菌中提取经过加工改造的抗原。还有一些正在研发中的肺结核疫苗，包括多种分枝杆菌（包括可引发肺结核的结核分枝杆菌）的活疫苗和整菌灭活疫苗，以及分枝杆菌抗原基因图谱的病毒递送。

BCG

这种拥有100年历史的疫苗是一种与结核分枝杆菌（Mtb）相关的牛细菌的减毒活疫苗。接种该疫苗可将一线免疫细胞吸引到注射部位。树突状细胞和其他抗原呈递细胞会在其表面呈现卡介苗微生物的某些部分，以驱动T细胞做出应答，而T细胞应答正可对抗未来病原体的感染，并训练B细胞产生抗体。卡介苗和结核分枝杆菌都会进入被称为吞噬体的囊泡中，在那里它们互相干扰并阻止自己进行破坏。然而卡介苗最终会降解，而结核分枝杆菌却能在细胞内存活很长时间

肺结核病免疫保护的徒劳探索

研究人员并不知道卡介苗在保护儿童时究竟起到了什么样的免疫学作用，他们对成人究竟需要什么样的免疫应答才能保证疫苗有效仍有些许困惑。像大多数疫苗一样，卡介苗在刺激抗体产生方面的表现要比招募强烈的T细胞反应方面好得多，而抗体正是机体用来对付细胞外微生物的。戈登说：“我们拥有的几乎每一种疫苗都是通过产生中和抗体来发挥作用的，但对于肺结核病，我们认为只靠中和抗体还不够。”

疫苗有关的保护相关性（COPs）是一种可度量的免疫反应，用于指代预防感染的效果，只有从数千名进行了成功的安慰剂对照试验的志愿者中获得样本时，才能测算出COPs。“我们无法从血液中明确检测出这位患者接种了疫苗并已获得保护。” 默多克儿童研究所和墨尔本大学的肺结核疫苗研究人员奈杰尔•柯蒂斯（Nigel Curtis）说道。

多年来，科学家一直认为，T细胞消灭被感染细胞时产生的强烈反应是抵御肺结核病的关键。“大量研究表明需要CD4+T（也叫作TH1）细胞，”莫特森说道，这似乎是“控制感染和预防传播性疾病的必要条件。”然而，他指出，更多的CD4+T细胞并不一定意味着会对肺结核病有着更好的预防作用，因此它们的丰度并不能作为完美的COP。近年来，人们认为可产生促炎细胞因子的辅助型T细胞17（Th17）具有保护作用，莫特森补充道。

为了制造一种能够很好地募集和激活T细胞的疫苗，牛津大学的麦肯肖恩团队使用了一种改良过的安卡拉牛痘（MVA）病毒作为载体，用以递送肺结核抗原85A。在早期的临床试验中，生成的MVA85A疫苗“激发了我们认为正确的免疫反应类型”，麦肯肖恩回忆道——具体来说就是，疫苗注射诱导了CD4+T细胞分泌干扰素γ、肿瘤坏死因子和白细胞介素-2。然而，在南非对已经接种过卡介苗的婴儿进行的一项试验中，接种MVA85A与单纯接种卡介苗相比并没有显示出优势。“让所有人都感到惊讶的是，试验发现这种疫苗并不能预防肺结核。”柯蒂斯说道。他没有参与这项试验。对他来说，这表明“我们用来度量的东西和我们认为具有保护作用的东西都是错误的”。研究人员得出的结论是，试验中诱导出的T细胞应答水平并不足以增强注射了卡介苗后的保护作用。

“肺结核是一种呼吸道感染病，现在的问题是，我们几乎总是聚焦于研究血液中发生了什么，”伦敦卫生与热带医学院免疫学家黑兹尔•道克里尔（Hazel Dockrell）说，“但这并不能让你了解肺部发生了什么，而肺部的特殊细胞在抗击肺结核中可能是至关重要的。”

VPM1002全细胞疫苗

注射经过基因修饰的卡介苗。巨噬细胞将细菌纳入体内的吞噬体中，吞噬体中会产生一种酶，该酶作用下吞噬体膜上形成孔隙。这使得抗原泄出到细胞溶质中并触发炎症小体的活化，该过程类似于细胞对结核分枝杆菌做出的反应，而卡介苗没有这种效果

正在研发中的肺结核疫苗

目前正在进行临床试验的肺结核疫苗有超过12种。虽然新的肺结核疫苗可能无法阻止一个人被感染，但一些疫苗已经显示出它们可以阻止被感染者发展为疾病的迹象。“能够阻止感染的疫苗犹如和璧隋珠，但它真的是很高的门槛，”戈登承认，“阻止潜伏期的感染者发展为疾病才是游戏规则的变革者。”在几乎所有的肺结核疫苗试验中，志愿者都有潜伏的肺结核感染并且既往对卡介苗免疫。

有两种疫苗——临床2a期的MTBVAC和临床3期的VPM1002——正在成人以及婴儿和新生儿中进行试验，这可能对免疫功能缺陷的艾滋病毒儿童特别有用。这是很值得注意的，因为大多数肺结核候选疫苗都正在青少年和成人中进行试验。“如果我们能阻止青少年和成年人感染肺结核，那么我们就不用担心需要肺结核疫苗的儿童了。”斯克里巴说道。

讨论度最高的候选疫苗当属M72，这是葛兰素史克（GSK）正在开发的一种蛋白质亚单位疫苗。该疫苗融合了结核分枝杆菌的两种蛋白质及一种佐剂AS01，该佐剂也被GSK用在其热销的带状疱疹疫苗和领先的疟疾候选疫苗中。尽管M72疫苗在非人类灵长动物身上看起来并不那么有希望，但在最近的一项涉及肯尼亚、南非和赞比亚3 000多名成年人的试验中，它将三年内肺结核的发病率降低了54%。

因为这种疫苗不过是几组蛋白质而已，“我曾经怀疑过这种疫苗能否奏效。” 临床研究员罗伯特•威尔金森（Robert Wilkinson）说道。他是伦敦弗朗西斯•克里克研究所的一名肺结核研究人员。威尔金森解释说，卡介苗是一种活的、可复制的载体，模拟了自然感染结核分枝杆菌时较慢的转化状态。虽然在青春期保护作用减弱，但卡介苗在整个儿童时期都能预防肺结核。“在我的直觉中，对肺结核病最有效的疫苗应该是这样的：能够提供足够长的免疫刺激期，以避免自然感染……从这个方面来讲，我是错的，因为M72提供的保护可持续三年时间。”

豪恩并未参与M72的开发，他把功劳归功于疫苗的佐剂，该佐剂可以触发一种被称为toll样受体4 （TLR4）的先天免疫受体，从而产生强烈的免疫反应，这种免疫反应除了能够募集可产生抗体的B细胞外，还能募集T细胞。“纵观历史，我们从未有过能发挥如此强效力的佐剂，”他解释道，“现在我们有了新的佐剂，我们以更微妙的方式触发不同免疫反应的能力也有了很大提高。”

M72蛋白亚单位疫苗

构成卡介苗的两个来源于分枝杆菌的重组蛋白融合在一起并进行注射。免疫细胞将融合蛋白吸收，然后将它们呈现在细胞表面，从而引发针对抗原的免疫反应。葛兰素史克的一种专利佐剂（AS01）可以增强免疫反应

威尔金森指出，在安慰剂组中只有26例肺结核病例，在疫苗组中只有13例。他说，在寻求监管机构的紧急使用授权之前，下一步显然需要进行涉及数万人的更大规模的试验。

与此同时，哥本哈根丹麦国立血清研究所正在开发两种亚单位疫苗，其主要候选疫苗H56包含三种抗原和一种新型佐剂，正在坦桑尼亚和南非进行2b期临床试验。该研究所还在开发一种名为H107的亚单位疫苗，该疫苗含有八种结核分枝杆菌特有的抗原。由于这些抗原跟卡介苗包含的抗原不同，H107疫苗“不会与卡介苗发生交叉反应，这就意味着这两种疫苗可以共同使用”，领导H107开发的莫特森说。

其他一些带有佐剂的蛋白质亚单位疫苗在早期和中期试验中看起来很有前景，但最终都失败了，这让澳大利亚昆士兰州詹姆斯库克大学的疫苗学家安德烈亚斯•库普兹（Andreas Kupz）对这种方法失去了兴趣。“总的来说，人们对这些疫苗感到失望。”库普兹说，他认为采用原始版本卡介苗的方法开发活疫苗更有希望。例如，比尔和梅林达•盖茨医学研究所正在进行一项试验，给南非10至18岁的人群注射卡介苗增强剂。莫特森说，这种方法“以前被认为是无效的”，但是盖茨研究所的试验表明，在南非青少年中，注射增强剂可以预防45%的持续性肺结核感染，抑或预防持续6个月以上的感染。道克里尔解释说：“这并不能预防他们（对肺结核）的血液检测呈阳性，我们认为这意味着他们还是被感染了，但是他们中的更多人又转阴了，这表明他们将感染清除了。”

几种新的活疫苗正在研发中，其中最先进的是VPM1002，这是一种经过基因修饰的卡介苗，目前正处于第三期试验阶段。VPM1002的研发是柏林马克斯•普朗克感染生物学研究所斯蒂芬•考夫曼（Stefan Kaufmann）牵头的一个项目的一部分。“我们觉得卡介苗一点也不差，”考夫曼说，“但我们希望改善它对新生儿的作用，当然最好也能应用于成人和青少年。”在他们对疫苗所做的其他改进中，考夫曼及其同事们加入了一种来自李斯特菌的致孔蛋白（李斯特菌溶血素O）基因。一旦细菌被一线免疫细胞（如巨噬细胞）吞噬，它就会被隔离在被称为吞噬体的小室中；李斯特菌溶血素O可在吞噬体膜上穿孔，使得VPM1002来源的分子泄出，这些分子被呈现在细胞表面，诱导CD8+T细胞攻击被感染的细胞，还能诱导DNA的逃逸，启动促炎通路。

另一种候选活疫苗与卡介苗的区别更大，因为它使用的就是结核分枝杆菌本身。威尔金森说：“人们相信，如果你能模拟的更接近自然感染，那可能就是一条成功之路。”西班牙萨拉戈萨大学的研究人员开发了号称MTBVAC的疫苗，该疫苗删除了两种毒性基因，使结核分枝杆菌更加安全，目前正在进行临床2a期试验测试这种经过修饰的细菌。荷兰内梅亨大学的免疫学家米哈伊•乃提雅（Mihai Netea）在一封电子邮件中写道：“与卡介苗相比，MTBVAC能更好地模拟肺结核病的感染过程，并诱发更相似的免疫反应记忆，以达到更好的保护性。” 他在过去的几年中参与了MTBVAC免疫学特性的研究。

斯克里巴敲响了警钟：既然赤道附近数量较多的分枝杆菌似乎会降低卡介苗对成年人的有效性，那么同样的现象可能也会在这些新的分枝杆菌活疫苗上重演。“有相当好的证据表明，对环境分枝杆菌的免疫应答会干扰卡介苗的效力。那么问题来了，对于MTBVAC和VPM1002来说，这种干扰的严重程度有多大？”斯克里巴说道。给那些一生都暴露在分枝杆菌中的老年人注射疫苗的话，不知道又会有什么吸引人的结果。如果分枝杆菌之间的交叉反应确实存在问题，那么蛋白质亚单位疫苗或基于载体的疫苗（例如麦肯肖恩的研究小组正在研究的疫苗）可能会是更好的选择。“你肯定不会想把所有的鸡蛋都放在一个篮子里的。”斯克里巴说道。

消灭肺结核

为了重振肺结核疫苗的风采，研究人员必须考虑到卡介苗不仅有助于预防肺结核病，它还能使免疫系统时刻准备好抵御更广泛的呼吸系统疾病，甚至是败血症。在卡介苗被广泛使用后不久，研究人员就观察到了这种非特异性保护，当时接种疫苗不仅降低了儿童中的肺结核死亡率，而且还减少了其他原因造成的死亡。卡介苗现在也被用作治疗早期膀胱癌的免疫疗法，将卡介苗直接注射入膀胱，激发患者的免疫系统攻击肿瘤。相关的VPM1002疫苗在临床试验中的表现，也给膀胱癌的治疗带来了希望。

在过去的十年里，研究人员稳步揭示了这些非特异性效应的机制，发现它涉及先天免疫细胞的基因重组，这种现象被称为训练免疫。库普兹解释说：“从本质上讲，人们现在相信通过注射卡介苗，你可以在表观遗传学层面上留下一种记忆，使这些细胞对随后的其他感染做出反应。”一些科学家甚至推测，这种免疫防御的常规机制可以解释卡介苗对肺结核提供的大部分或全部保护。虽然大多数正在开发中的肺结核疫苗正在进行专门针对肺结核病的试验，但柯蒂斯目前正在领导一项对接受过卡介苗的医务工作者进行的多国试验，以研究卡介苗是否对SARS-CoV-2感染有影响。

目前，COVID-19疫情使得肺结核疫苗的开发变得复杂化。接受《科学家》（The Scientist）杂志采访的专家指出，有些肺结核疫苗试验已被推迟或减缓进度。威尔金森说：“这肯定对我们造成了阻碍，因为我们本可以完成这项（关于M72的）试验。”此外，麦肯肖恩补充说，肺结核病例很有可能未再报告，而且在疫情期间其治疗也有所滞后，“针对另一种病原体的全球封锁，打乱了肺结核防控项目的步伐。”

的确，非政府组织遏制肺结核联盟的数据显示，2020年，在肺结核病例最多的9个国家中，肺结核感染的诊断和治疗人数大幅下降，降幅范围在16%～41%。该组织估计，COVID-19疫情肆虐的12个月即抹杀了全球抗击肺结核病12年来取得的进展。考夫曼说，由于疫情的干扰，2020年官方统计的肺结核的病例数和死亡人数可能会降低，“但2020年中肺结核夺走的生命数量可能会超过COVID-19，因为未经确诊的肺结核患者将无法得到救治”。

95%以上的肺结核死亡发生在中低收入国家。伦敦卫生和热带医学院的一项研究估计，基本的社会支持可以减少85%的肺结核病负担。“我们很好地适应了它，”斯克里巴说道，“但是恶劣的生活条件、贫困、过度拥挤、由于艾滋病毒而引发的免疫缺陷——这些都会导致更多的疾病。”世界卫生组织说，在实施现有的肺结核病干预措施方面仍有33亿美元的资源缺口。

疫苗可以成为应对肺结核感染和死亡灾害的全球性战略的重要组成部分。“如果我们有一种可以阻断（疫苗接种者）因潜伏感染而发展成肺结核疾病的疫苗，或者更好的是可以根除这种潜伏感染，那将会是了不起的成就。”麦肯肖恩说道。

尽管疫情暂时阻碍了疫苗的开发，但人们希望能从COVID-19疫苗研发的紧张工作中取取经，即使肺结核病更难搞定。“对于疫苗开发来说，COVID是更容易解决的对象。而肺结核要复杂得多，”麦肯肖恩承认，“尽管如此，我们仍需要尝试，看看可以从中吸取什么教训，以便更快地推动肺结核疫苗的发展。”例如，一些研究人员提出，号称对免疫系统具有强烈刺激作用的mRNA疫苗策略，也可以针对肺结核进行应用。斯克里巴说：“我对信使mRNA疫苗技术感到非常兴奋，希望这些技术不久就能应用于肺结核，因为mRNA显然非常灵活，而且具有极强的免疫原性。”

无论答案在哪里，该领域的研究人员都决心要找到它，临床研究也在不断推进。“这是所有传染性疾病中最大的杀手，”库普兹说，“我们需要更好的肺结核疫苗。”

资料来源The Scientist