武大科学家发现病毒进化规律，设计新冠广谱疫苗对抗持续病毒突变
·“这款疫苗有别于传统的单序列疫苗，有着较大的概念性创新，从本质上提升了抗原的广谱性。我们还会持续追踪病毒在真实世界的变异，但采用这种方式做出的广谱疫苗，比过去我们追着病毒跑已经好了很多，走到了病毒的前面。未来或许五年或十年打一针广谱疫苗就够了。”
截至2022年12月，新冠病毒突变株出现的频率。受访者供图
通过追踪新冠病毒的进化轨迹，武汉大学病毒学国家重点实验室蓝柯教授和徐可教授团队设计出一种新型新冠广谱疫苗，或可抵御未来新冠变异株对人群的侵害。1月4日，该研究论文在知名学术期刊《科学-转化医学》（Science Translational Medicine）上发表。
“新冠病毒和流感病毒有类似的流行规律，一旦人传人后在全球范围内传开，一定会发生抗原漂移，也就是不断累积突变。我们当初就认定，一定需要一款广谱新冠疫苗来对抗持续的疫情。”徐可对澎湃科技记者介绍，团队从2020年4月开始这项课题攻关，提出了“基于病毒进化共识序列，优化设计疫苗免疫原”的新策略，花了十个月左右时间就完成了广谱疫苗免疫原S pan的序列设计。
后续的小鼠实验证明，它对其后出现的德尔塔（Delta）、奥密克戎（Omicron）及其亚系等毒株都能诱导产生广谱中和抗体，与原型株抗原疫苗相比更为高效，并且能保护实验小鼠抵抗包括奥密克戎在内多种新冠病毒变异株的致死性攻击。相关成果于2021年12月发表于预印本平台bioRxiv，并于2022年8月5日获中国发明专利授权。
近期，国外流行的优势株XBB.1.5和BQ.1.1在国内引发广泛关注。研究团队分析发现，S pan抗原所包含的6个共性突变位点，在这些最新的奥密克戎变异株中仍有很大程度保留。针对最新变异株的疫苗中和抗体试验正在进行中。
“这款疫苗有别于传统的单序列疫苗，有着较大的概念性创新，从本质上提升了抗原的广谱性。我们还会持续追踪病毒在真实世界的变异，但采用这种方式做出的广谱疫苗，比过去我们追着病毒跑已经好了很多，走到了病毒的前面。未来或许五年或十年打一针广谱疫苗就够了。”徐可说，经过团队两年的努力，这款原型疫苗产品的小试工艺已较为成熟，期待能够顺利与企业对接，尽快进入产业化轨道。
Span疫苗免疫在小鼠体内提供了广谱性免疫保护作用。受访者供图
首次报道新冠病毒进化路径
截至2022年7月，武大研究团队全面分析了超过110万条新冠病毒序列，以及54个新冠变异株假病毒的传染性和免疫逃逸能力，首次报道了三种新冠病毒刺突蛋白（S蛋白）的定向进化路径：强细胞感染性与弱免疫逃逸能力，如德尔塔（Delta）株和拉姆达（Lambda）株；弱细胞感染性与强免疫逃逸能力，如伽马（Gamma）株；还有细胞感染性和免疫逃逸能力同时增强的毒株，如贝塔（Beta）株，但这类变异株数量相对较少。
新冠病毒S蛋白的进化规律（包含11,650,487条序列）。受访者供图
“根据现有序列数据的分析，新冠病毒更倾向于向某一个方向进化，感染性更强，或是免疫逃逸能力更强。S蛋白突变位点的功能需要协调，单个位点只能实现单功能，很难两者兼备。”徐可认为，未来新冠病毒仍然更有可能朝特定方向进化。
而以上突变路径的不同导致了抗原性的改变，意味着单一毒株的疫苗无法有效保护人群对抗不同进化路径上的其他变异株。现有研究也不断指出，随着奥密克戎毒株加速变异，目前市面上大部分以新冠病毒原型株为抗原的疫苗，对于奥密克戎及其亚系毒株的中和能力有不同程度下降，难以起到较好的预防感染效果。
武大团队研发的这款广谱疫苗免疫原S pan采取了全新的设计策略，基于新冠病毒的进化史计算共识序列来优化设计。团队研究人员下载了截至2021年2月之前NCBI数据库中所有新冠病毒序列，去重后获得2675条序列，通过进化聚类算法，计算分析得出共性突变位点和进化规律。
最终设计出的S pan抗原覆盖了5个发生频率最高的突变点位，分别是：D614G、del69-70、del144、N501Y和P681H。研究显示，D614G是新冠病毒B.1谱系的共性突变，也是第一个流行的优势株所获得的突变，它增强了S蛋白与受体ACE2的结合能力，使得病毒传染性大增；N501Y对于Beta株和Gamma株所具备的更强的免疫逃逸能力做出贡献；del69-70降低了病毒感染性，但显示出中度免疫逃逸能力，P681H也显示出中度免疫逃逸能力。研究人员还筛选出所有突变位点中免疫逃逸能力最强的E484K，加入到S pan的序列设计中。
武大团队发现的6个共性突变位点（横向标记）在后来爆发的Omicron流行株（纵向标记）中均有很大程度的保留（红色表示该位点保留）。受访者供图
“有些突变位点之间的作用是相互抵消的，功能不同的位点放在一起，可能效果就没有了。我们分析筛选的几个位点的组合，它们出现的频率最高，也说明它们之间协同性比较好，在功能上互相不冲突，是最能代表多种变异株的位点组合。”徐可介绍。
广谱疫苗仍可覆盖XBB变异株
2022年8月30日，上海泽润生物科技有限公司（云南沃森生物技术股份有限公司子公司）宣布，其自主研发的重组新冠变异株疫苗获得国家药品监督管理局签发的临床试验批件。这是一款以S蛋白三聚体作为抗原，采用CpG+氢氧化铝双佐剂设计开发的广谱新冠疫苗。
根据研究者2022年11月12日发表在《Npj Vaccines》上的论文，这款疫苗的抗原设计是从阿尔法（Alpha）、贝塔（Beta）、伽马（Gamma）株中选择了四个共有突变位点：K417N、E484K、N501Y和D614G。后三个突变位点与武大团队的S pan抗原相同。文章称，该变异株疫苗对包括奥密克戎在内的主要重点关注变异株（VOCs）都能产生良好的交叉中和作用。
“在我们的预印本论文发表后，有很多团队模仿。抗原设计是一门科学，哪些位点是高频共性突变，是由进化计算的真实数据决定的。K417N突变频率相对较低，对免疫逃逸没有多少作用。”徐可介绍，其团队曾尝试构建过有9个共性突变的抗原序列，但它在小鼠实验中并没有显示出针对不同变异株更好的中和活性，“这也说明，疫苗抗原设计不是突变位点的简单加和，而是需要严格的生物信息学计算和实验证据的联合分析。突变位点不是越多越好，重点还是科学数据指引，共性越凸显，贯序免疫效果就越显著。”
徐可告诉澎湃科技记者，S pan抗原的研究设计早于德尔塔（Delta）毒株流行，“当时E484K的出现频率还没有那么高，奥密克戎毒株出现后，它的频率越来越高，说明病毒在向加强免疫逃逸的方向进化。这也证明我们把它加进来是一个完全正确的选择。”
值得一提的是，S pan抗原的6个共性突变位点在奥密克戎流行株中均有很大程度的保留，最近备受关注的新毒株BQ.1、BQ.1.1和XBB、XBB.1，包括在美国强势崛起的XBB.1.5，也都和S pan抗原共享5个共性突变位点。
研究显示，S pan抗原序列恰好位于新冠病毒S蛋白系统发育树的中心位置，而且和奥密克戎聚类到一起。“可以说，它是新冠病毒毒株中最有代表性、最普适的一条序列。就像一个家庭里有数个兄弟姐妹，我们找出他们的共同特征并集中到了一起。”徐可说。
Span位于系统发育树中心位置。受访者供图。
研究人员还关注到一个增加病毒感染性的突变位点S982A，“在我们后期对奥密克戎毒株的观察中，这个位点的出现频率没那么高，分离株也比较少，但这个位点位于S蛋白茎部（HR1结构域，在病毒膜融合过程中发挥重要作用），在它附近出现的一些变异，我们还会继续关注。”徐可说，从目前研究看来，较为明确的是S蛋白头部的RBD结构域上的突变，会影响中和抗体的免疫逃逸，其他区域以影响感染性居多，这些突变位点的功能仍需逐个研究才能深入理解。
近年来，许多科学家也在研发流感广谱疫苗，徐可团队也是其中之一。“WHO有一套专门收集和预测流感病毒流行信息的系统，筛选判断出今年会流行的毒株，疫苗企业则可以根据这套流程针对当季流行株开发灭活疫苗，这套模式总体上比较有效，问题是每年都要重新接种。”在徐可看来，要将传统灭活疫苗生产工艺更换为广谱疫苗，流感疫苗厂商积极性可能不足，但新冠疫苗是全新的产品，加上新冠疫情的大爆发以及新冠病毒迅速突变，使得市场对于新冠广谱疫苗的需求十分迫切，理应快速推动广谱疫苗的普及。
