武大科学家发现病毒进化规律（广谱新冠疫苗设计新策略）

新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引起的疫情仍在持续，迄今全球新冠病毒感染者已达6亿4千多万人次，死亡约660余万人（据世界卫生组织官网）。随着病毒传播与流行的时间越长，病毒不断积累变异，加上人体免疫以及疫苗免疫的选择压力，新冠病毒已由最初的原始毒株进化出多谱系的变异毒株。世界卫生组织根据病毒变异对传播力、毒力、疾病严重程度以及对现有药物与疫苗的影响，将一些变异病毒命名为重点关注的变异株（variant of concern, VOC）和一般关注变异株（variant of interested, VOI）。其中被列为VOC的有5种：阿尔法（Alpha）、贝塔（Beta）、伽马（Gamma）、德尔塔（Delta）和奥密克戎（Omicron）。不同的VOC自新冠病毒流行以来不断替换，目前全球主要流行的VOC株为Omicron毒株及其亚系（图1）。

图1.截至2022年12月SARS-CoV-2突变株出现的频率

然而，与病毒变异速度不匹配的是疫苗研发需要漫长的周期，目前上市的大部分疫苗（灭活疫苗、亚单位疫苗、核酸疫苗、病毒载体疫苗等）仍以新冠病毒原型株为抗原，其对Omicron及其亚系毒株的中和能力均有不同程度的下降。即便疫苗企业可以根据流行毒株变化更新疫苗，也往往会滞后于变异病毒的出现。因此，如何研发一种既能对抗当下流行毒株、又能对抗未来可能出现的变异流行株的相对广谱的疫苗，是一个重要的科学问题。

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通过追踪新冠病毒刺突蛋白（S蛋白）的进化和突变规律，提出了“基于病毒进化共识序列，优化设计疫苗免疫原”的广谱疫苗设计新策略，该成果早在2021年12月23日发表于预印本平台bioRxiv，并于2023年1月4日经同行评议，正式发表于著名学术期刊SCIENCE Translational Medicine（《科学.转化医学》）。研究以“Vaccination with Span, an antigen guided by SARS-CoV-2 S protein evolution, protects against challenge with viral variants in mice”为题，研发了一种覆盖“共性突变”的广谱疫苗免疫原Span（泛新冠病毒S抗原），可诱导产生针对阿尔法（Alpha）、贝塔（Beta）、伽马（Gamma）、伊塔（Eta）、卡帕（Kappa）、德尔塔（Delta）、拉姆达（Lambda）和奥密克戎（Omicron）及其亚系在内的广谱中和抗体，保护实验小鼠抵抗包括Omicron在内多种新冠病毒变异株的致死性攻击。

该研究首次报道了新冠病毒的进化路径，发现在人群中存活下来的病毒分离株中，新冠病毒刺突（Spike，S）蛋白的突变并不是完全随机的，而是沿着三条定向路径进化。其中一条路径是突变导致高细胞感染性的同时保持弱的免疫逃逸能力（如Delta株和Lambda株），第二条路径是突变导致低细胞感染性的同时获得强免疫逃逸能力（如Gamma株），第三条路径的变异株数量相对较少，它们的细胞感染性和免疫逃逸能力同时增强（如Beta株）（图2）。这说明在大多数情况下，S蛋白的突变对功能的调控是需要协调的，而不是简单的增强或减弱。现在广泛流行的Omicron株免疫逃逸的能力最强，对大部分现有抗体的综合逃逸能力达到原始毒株的3倍以上，但其对A549（人肺癌上皮细胞）、Caco-2（人结直肠癌细胞）等易感细胞的感染性并未提升，这说明Omicron株仍在平衡S蛋白的不同功能，需要持续观测和评估。

图2.新冠病毒S蛋白的进化规律（包含11,650,487条序列）

x轴表示SARS-CoV-2变种的免疫逃逸能力，y轴表示SARS-CoV-2变种的细胞感染性。扇面颜色标志着GISAID数据库中记录的所示变体的分离时间。每个扇区的面积大小表示截至到2022年7月(每个月)分离的单个变异株的数量。灰色阴影表示进化路径。

S蛋白突变的路径不同导致了抗原性的改变。因此，单一毒株的疫苗成分无法有效保护人群对抗不同进化路径上的其它变异株。为了获得一个能够覆盖绝大多数变异株的广谱免疫原，研究团队分析了NCBI数据库中的2675条新冠病毒S蛋白序列，通过进化聚类（图3A），计算所有突变位点的发生频率（图3B），最终设计了一种覆盖共性突变的拟合新抗原（Span）（图3C）。结果表明，Span序列位于S蛋白系统发育树的中心位置（图3D）。

图3.Span位于系统发育树中心位置

非常有意思的是，Span在Delta和Omicron流行暴发前就已设计完成，但其覆盖了进化计算得到的共性突变，反应了S蛋白突变的趋同规律，因此与后来出现的Omicron聚类到一起，说明Span具有覆盖未来变异株的潜力（图3E）。进一步分析证明，研究团队得到的上述6个共性突变位点在后来爆发的Omicron亚系毒株中均保留，显示出很强的共性规律和预见性（图4）。

上述共性突变位点和广谱疫苗抗原设计方案已于2022年8月5日获中国发明专利授权（专利名称：新型冠状病毒突变株S蛋白及其亚单位疫苗；专利号：ZL 2021 1 1181856.X）。

图4.研究团队发现的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）。

与设计预期相符，研究团队发现Span免疫原相比于原型株免疫原（Swt）展现出明显的广谱中和优势：在免疫2针原型株S蛋白再加强免疫1针Span蛋白后，与免疫3针原型株S蛋白相比，Span诱导出针对WT、Beta、Delta、Omicron毒株及其亚系更高效的、广泛的中和抗体（图5A，图5B），并能100%保护小鼠免受Omicron毒株的致死性攻击（图5C）。这说明，Span作为加强针能提供广谱保护。即便是单纯的2针Span免疫，也可以提供跨谱系的交叉免疫保护，同时抵抗WT、Beta和Delta毒株的致死攻击。研究人员也观察到，原型株免疫原（Swt）是无法提供跨Beta毒株的有效交叉保护的。

有趣的是，Span是在Delta出现之前（2021年2月）完成设计的，却能高效诱导针对Delta和Omicron及其变异株的广谱中和抗体，表明该研究提出的免疫原设计策略具有前瞻性。因此，基于新冠的共性进化突变设计的泛新冠病毒S蛋白免疫原（Span）有望成为预防新冠病毒现有及未来潜在流行株的广谱候选疫苗（图6）。该研究工作对这一创新的广谱疫苗设计构想进行了概念性验证（Proof of Concept），获得了优异的效果。

图5.Span疫苗免疫在小鼠体内提供了广谱性免疫保护作用。

图6.Span疫苗效果科普图

广谱疫苗免疫原(Span)如坚固的城堡抵御多种新冠病毒变异株

武汉大学病毒学国家重点实验室博士后赵永亮，博士生倪文佳、梁斯萌、董良辉、向敏、牛丹萍，实验师蔡曾博士等为论文共同作者，蓝柯教授和徐可教授为共同通讯作者。武汉生物制品所在抗原纯化过程中提供了技术支持。该工作依托武汉大学病毒学国家重点实验室、动物三级生物安全实验室/疫苗研究院、泰康生命医学中心完成，研究得到了国家自然科学基金、湖北省创新团队、武汉大学新冠肺炎专项研究基金、北京泰康溢彩公益基金会的资金资助。

通讯作者介绍：

蓝柯教授，国家杰青、现任病毒学国家重点实验室主任，武汉大学动物三级生物安全实验室主任、武汉大学生命科学学院教授、武汉大学泰康生命医学中心PI；主要从事病毒感染及致病机理研究，在卡波氏肉瘤病毒（KSHV）、新冠病毒（SARS-CoV-2）等方面做出了系统性、原创性的研究工作，在Nature、New England Journal of Medicine、Molecular Cell、Nature Ecology Evolution、Science Translational Medicine、Science Advances、PLoS Pathogens、Journal of Virology、Cell Host Microbe、PNAS、Cell Research、Cancer Research等学术期刊发表论文120余篇；入选科睿唯安全球高被引学者；学术兼职包括：Journal of Virology、Viruses编委，Journal of Medical Virology、Virologica Sinica、Science Bulletin副主编、Cell Insight执行主编、中国微生物学会病毒专委会副主委、湖北省生物工程学会理事长等。

徐可教授，国家优青，从事新冠、流感等呼吸道RNA病毒致病机制和药物疫苗研究。曾获中国科协强国青年科学奖提名奖（2021年）、ESWI(European Scientific Working Group on Influenza)青年科学家奖、英国牛顿基金青年人才奖、法国赛诺菲-安万特青年科技人才等奖项。在Science Translational Medicine, Cell Research, Nature Communications, PLoS Pathogens等学术期刊发表SCI论文40余篇，多项通讯作者成果入选ESI高被引论文，获评《中国科学》、《Protein&Cell》、《Journal of Virology》杂志封面论文及亮点文章，获得国家发明专利授权9项，以第一发明人实现抗病毒候选新药专利的成果转让。2019年1月加入武汉大学病毒学国家重点实验室/生命科学学院以来，在呼吸道RNA病毒研究中取得系列进展，发现了一种全新的宿主因子靶点广谱抗病毒、抗炎双效抑制剂（Protein&Cell 2020，封面论文），推进1个老药品种进入多国新冠治疗的临床试验并获得英国“生命爱科”LifeArc基金会全额资助（Virol Sin. 2020，特别推荐论文）；报道了流感病毒促进新冠感染的分子机制，提示流感病毒是疫情叠加的防控重点（Cell Research 2021，获期刊专评)；发现了新冠病毒特异性敏感多肽并研发了量子点材料的“光检测”抗体快检技术（Viruses 2022,中国发明专利授权）；设计了基于病毒进化谱系规律的广谱新冠疫苗抗原以应对病毒变异，完成了疫苗原型产品的工艺开发（Sci Transl Med 2022），为新冠疫情防控和临床治疗提供了理论基础和候选策略。