疫苗会让病毒进化?
2020-03-25 16:28

疫苗会让病毒进化?

本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),作者:田晓娜,原文标题:《疫苗是把双刃剑?除了打击病毒,还能让病毒进化?》,头图来源:IC photo



逐渐失效的疫苗


宾夕法尼亚州立大学研究助理马修·J·琼斯Matthew J. Jones)采集了一个养鸡场的灰尘样本,检测导致马立克氏病的病毒。马立克氏病是一种常见的家禽感染疾病。有证据表明,导致这种疾病的病毒正在对它的疫苗产生免疫。


安德鲁·里德(Andrew Read)主攻疾病生态学,是宾夕法尼亚州立大学传染病动力学中心的负责人。他之所以想成为科学家,是因为他想花更多的时间徜徉在大自然中,但他从没有想过所谓的大自然是一个养鸡场。


他和助手克里斯·凯恩斯(Chris Cairns)漫步在宾夕法尼亚州乡下的一个谷仓中,这里炎热、潮湿、臭气熏天,养着3万只肉鸡。两人从头到脚都穿着白色工作服,时不时蹲下来,将地上的灰尘装入小塑料管中,盖上盖子,装进塑料袋带回实验室。


里德和同事正在研究的课题是:引起马立克氏病的疱疹病毒为了应对疫苗是如何进化的。疱疹病毒是一种传染性、麻痹性强,最终会致命的病毒,每年使养鸡业损失多达20亿美元。


一个多世纪以来,马立克氏病始终是全球养鸡业的噩梦。病鸡羽毛上脱落的充满病毒颗粒的灰尘,被吸入到健康鸡体内,后者就会感染病毒。1970年,当马立克氏病肆虐时,首个针对该疾病的疫苗开始投入使用。最初疫苗效果十分显著,但不到十年,疫苗就在不知不觉间失效。在接种过疫苗的鸡群中,马立克氏病又一次开始爆发。1983年,第二代马立克氏病疫苗获批投入使用,众人都希冀它能解决这一问题,但它也难逃失效的命运。


如今,养鸡场正在使用的是第三代疫苗。该疫苗至今仍然有效,但是里德等人担心有一天它也会失败。更糟糕的是,目前还没有研制好第四代疫苗。加上近几十年来病毒变得更加致命,无疑是雪上加霜。


里德等人,包括美国农业部的研究人员,都认为引起马立克氏病的病毒随着时间的推移在不断进化,对以前的疫苗逐渐产生了抗性。最大的问题是,引发了这些变化的直接因素是疫苗还是其他巧合。但里德能肯定的是,疫苗肯定产生了一定影响。


2015年,在PLOSBiology上发表的一篇论文中,提到里德和同事做的相关实验。里德等人为100只鸡注射了疫苗,另外100只没有注射疫苗。然后,他们用马立克氏病毒的毒株感染了所有鸡,这些毒株的毒性和传染性各不相同。研究发现,在它们的一生中,未接种疫苗的鸡向周围环境传播毒株时,大多毒性相对较小,而接种了疫苗的鸡传播的毒株毒性则较强。


研究结果表明,马立克氏病疫苗导致更多更危险的病毒增殖。毒性加强可能会使病毒有办法克服接种疫苗后引起的免疫反应,使接种过疫苗的鸡患病。


疫苗使病毒发生了哪些改变


大多数人都听说过抗生素耐药性,但疫苗抗性就没有那么广为人知了。这是因为耐药性是一个严峻的全球性问题,仅美国和欧洲每年就有约2.5万人因此丧命,印度的死亡人数更是这个数字的两倍之多。另一方面,对疫苗有抗药性的微生物并不是主要的威胁。


也许它们永远也不会成为什么威胁:全球疫苗项目在预防感染和挽救生命方面已经取得了巨大成功,未来将会继续发力。然而,最近的研究却表明,一些病原体种群为了适应疫苗世界,正在进化,而这些进化是通过多种方式进行的。


就像恐龙灭绝后,哺乳动物数量激增一样,疫苗淘汰了一些病毒,但另外一些病毒也随之涌入,取代了被疫苗淘汰的竞争对手。


疫苗还使一些曾经比较罕见或不存在的病原体的遗传变异更加普遍,可能是因为接种疫苗后产生的抗体不容易识别和攻击与疫苗株不同的变形体。实验室中的进化模型和实验数据显示,针对世界上一些更狡猾的病原体,如疟疾、艾滋病和炭疽等疾病的疫苗研究策略,可能会促使病原体变得更加危险。


安德鲁·里德(右)和克里斯·盖恩斯(左)


进化生物学家对这种情况并不惊讶。对于病原体来说,疫苗就是施加在它们身上的一种新的选择压力,如果疫苗不能完全根除它的目标病毒,活下来的的病原体适应性会增强,也会变得更加普遍。


路易斯维尔大学的进化生物学家保罗·埃瓦尔德(Paul Ewald)说:“如果这些病原体没有在疫苗的影响下进化,那么我们真的不了解自然选择。”


然而,不要把这些发现等同于疫苗是危险的或疫苗注定会失效的证据——因为利用自然选择知识,我们也可以阻止出现的不良结果。进化也许是不可避免的,但可以将其引向我们希望的方向。


病毒如何进化


疫苗科学极其复杂,但其内在机制却很简单。疫苗使你的身体暴露于弱毒或灭活病原体中,甚至只是暴露于它们的某些部分。这种暴露会刺激你的免疫系统产生免疫细胞大军,等真正的病原体再次入侵时,其中一些免疫细胞会分泌抗体蛋白来识别和击退病原体。


由于种种原因,许多疫苗不能提供终身免疫。由于流感病毒的自然变异很快,每年都需要研制出新的流感疫苗。而随着时间推移,新疫苗引起的免疫力也会减弱。


例如,在注射了伤寒疫苗后,一个人的保护性抗体水平在几年后会下降,这就是为什么公共卫生机构推荐那些生活或访问伤寒流行地区的人定期注射疫苗的原因。研究表明,随着时间推移,腮腺炎疫苗的保护作用也会出现类似的下降。


然而这与疫苗引发病毒进化导致疫苗失效是不同的。疫苗效力下降是因为疫苗本身直接引起的病原体种群变化导致的。科学家们最近开始研究这一现象,部分原因是他们终于可以做到了:基因测序的进步使他们更容易观测微生物是如何随时间变化的。


许多发现已经证实,病原体会根据环境的变化迅速变异进化。疫苗刺激人体的免疫系统产生抗体,攻击具有某种特性的病原体。由于病原体会自然变异,病原体特性的随机变化会使疫苗随着时间的推移而失效。但科学家们现在看到的迹象表明,在某些情况下,疫苗本身可以促使病原体群体产生耐药性。


病毒和细菌变异速度很快,部分原因是它们会疯狂复制。如果一只鸡被携带西尼罗河病毒的蚊子叮了,仅仅三天之后,这只鸡每毫升血液中就能发现1000亿个病毒颗粒,接近银河系中星星的数量。病毒每一次复制都伴随着改变基因的机会。当RNA病毒复制时,复制过程中每10000个核苷酸会产生一个新的错误或突变,突变率比在人类DNA中发现的突变率高出10万倍。


病毒和细菌也会与相似的菌株重组或共享遗传物质,这就给了它们另一种快速改变基因组的方法。就像人类——除了同卵双胞胎——都有独特的基因组一样,病原体种群往往由无数基因变体组成,其中一些变体与疫苗抗体作战时适应性更强。胜利者为未来的病原体种群播下种子。


引起百日咳的细菌,可以说明这一切是如何发生的。


1992年,在美国疾病控制和预防中心的建议下,美国开始推广一种新型疫苗来预防百日咳。过去的百日咳疫苗是用灭活细菌制成的,能有效激发人体的免疫反应,但也会引起一些罕见的副作用,比如癫痫等。


这种新型疫苗被称为非细胞性疫苗,只含有从病原体中分离出来的2到5个外膜蛋白。副作用消失了,取而代之的是一些意想不到的新问题。


首先,由于不明原因,这种疫苗提供的保护逐渐减弱。百日咳又开始在世界各地爆发。2001年,荷兰科学家提出了病毒重新流行的另一个原因:可能是疫苗刺激了病毒进化,导致缺乏目标蛋白或有不同版本蛋白的细菌菌株优先生存。


此后的研究也证明了这一观点。2014年,在《新发传染病杂志》上的一篇论文中,新南威尔士大学医学微生物学家兰瑞廷领导的澳大利亚研究人员,在2008年至2012年期间收集了320名百日咳患者的样本,并对其进行了测序。


无百日咳杆菌粘附素(免疫系统通过识别该特征攻击病毒)的细菌比例从2008年的5%跃升至2012年的78%,这表明来自疫苗的选择压力使无百日咳杆菌粘附素的菌株变得更常见。美国疾病控制与预防中心2017年的发布的报告显示,几乎所有的病毒都没有百日咳杆菌粘附素。


“我想,几乎所有人都同意,百日咳菌株的变异是由疫苗接种造成的。” 兰瑞廷(RuitingLan)说。


乙肝病毒的进化也类似。目前的疫苗主要针对乙肝病毒的表面抗原,于1989年引入美国。一年后,在《柳叶刀》杂志上发表的一篇论文中,介绍了在意大利的疫苗试验中发现的奇怪结果。


研究人员在44名接种过乙肝疫苗的受试者中检测到乙肝病毒的传播,但其中一些人的乙肝病毒缺失了部分目标抗原。在台湾进行的一系列研究中,检测了儿童感染者身上的病毒。报告显示,这些病毒大多数是“免疫逃避突变体”,缺乏乙肝表面抗原的病毒从1984年的7.8%增至1999年的23.1%。


然而,一些研究表明,这些突变株并不稳定,可能不会造成太大风险。事实上,全世界每年感染乙肝的人数越来越少。正如2016年纽约西奈山伊坎医学院的医生在一篇论文中说的那样,“乙型肝炎表面抗原免疫逃逸突变的临床意义仍存在争议”。


被改变的病原体种群


通常来说,科学家必须要自己设计实验。但在2000年左右,比尔·哈纳奇(Bill Hanage)开始意识到,现实正在为他设计实验。那时哈纳奇刚刚获得病理学博士学位,一直对细菌和进化生物学很感兴趣。他发现,美国的细菌即将迎来一场深刻的进化革命。


肺炎链球菌会使许多老年人和儿童患上肺炎、耳部感染、脑膜炎等疾病。为了预防肺炎链球菌引起的感染, 7价肺炎疫苗很快被推荐给所有美国儿童。迄今为止,科学家们发现了90多种不同的肺炎链球菌血清型——它们的细胞表面具有独特的免疫特征——而7价疫苗针对的是导致严重感染的7种血清型。


但是哈纳奇和研究人员想知道,另外80多种血清型身上会发生什么变化。他说:“我几乎完全没有受过进化生物学的正规教育,这让我突然意识到,这是一个非同寻常的进化实验。”


养鸡场灰尘样本中的病毒含量。样品通过实时定量聚合酶链反应进行检测。每条曲线代表一个样本:红色水平线以上的曲线越长,表明样本中包含的病毒越多


哈纳奇与最近离开埃默里大学去哈佛的流行病学家和微生物学家马克·利普西奇(MarcLipsitch)进行了合作,这两位科学家现在都在哈佛,一直在观察肺炎球菌种群如何适应7价疫苗这种新的选择压力。


研究发现,7价肺炎疫苗几乎完全消除了它针对的7种血清型感染,而另一种较少见的血清型迅速占据了它们的位置,其中包括一种名为19A的血清型,这种血清型开始导致大量严重的肺炎球菌感染。为此,2010年,美国推出了13价肺炎疫苗,针对目标正是19A和另外五种血清型。以前未见过的血清型再次活跃起来。


2017年,一篇发表在《儿科学》(Pediatrics)杂志上的论文,将这种情况比作一场高风险的打地鼠游戏。从本质上来说,接种疫苗会彻底改变病原体的种群结构,而且是两次。


总体而言,由于13价疫苗的推广,美国侵入性肺炎球菌感染在儿童和成人中的发病率大幅下降。它拯救了许多美国人的生命,大概是因为它针对的是最有可能导致感染的血清型子集。


但来自英格兰和威尔士的数据就不那么乐观了。尽管那里的儿童感染病例有所减少,但侵入性肺炎球菌感染在老年人中一直稳步增加,而且现在的感染率比7价疫苗引入前要高得多。


至于为什么会发生这种情况,“我们还不知道原因,”哈纳奇说,“但我确实认为,现在儿童身上携带的血清型在无意中更容易在成人中引起疾病,这是我们以前不知道的,因为它们相对罕见。”


加拿大安大略省皇后大学的数学进化生物学家特洛伊·戴(Troy Day)认为,人们可以把接种疫苗看成筛子。这个筛子可以防止许多病原体通过,但如果有一些病原体通过了这个筛子,这些非随机样本中的病原体将优先存活、复制并最终改变病原体种群的组成。


从筛子眼里挤过去的免疫逃避突变体的遗传差异,可以让它们摆脱或逃开疫苗抗体的打击,或者可能使它们成功“离开”疫苗优先攻击的血清型名单。它们就像晚上警察突袭时被忽视的罪犯窝点一样幸运。


不管怎样,疫苗悄悄地改变了病原体种群的基因图谱。


新疫苗可能会带来更大的问题


正如病原体有不同方法来感染和影响我们一样,科学家也采用了不同的免疫策略来研制疫苗。


我们小时候接种的大多数疫苗都能防止病原体在我们体内复制,因此也能防止我们把病毒传染给别人。但是,科学家迄今为止还无法制造出针对HIV、炭疽和疟疾等复杂病原体的杀菌疫苗。


为了战胜这些疾病,一些研究人员一直在开发新型疫苗,即虽然并不能预防感染,但可以对病毒免疫的疫苗。但这些新型疫苗可能会引发一种不同的、可能更可怕的微生物进化。


病毒的毒性,作为一种特性,与病毒复制息息相关:一个人体内的病原体越多,他的病情通常就越严重。高复制率在进化方面是种优势——体内的病毒越多,鼻涕、血液、粪便中的病毒也会越多,病毒传染给他人的机会越大。但同时也存在一个成本问题,因为在病毒多到有机会感染他人前,可能就会杀死宿主,病毒也会随之消亡。


里德表示,不预防感染的疫苗存在一个问题:它们不抑制病毒的复制,只保护宿主不受疾病和死亡侵害,因此病毒复制的成本问题也就消失了。随着时间推移,如果大家都接种这种疫苗,病原体可能会发生进化,对未接种疫苗的宿主来说更加致命,因为它可以在不付出代价的情况下获得增强毒性的好处——就像马立克氏病对未接种疫苗的鸡慢慢变得更致命一样。这种毒性也会导致疫苗在接种过疫苗的宿主中逐渐失效。


除了马立克氏病外,里德还一直在研究疟疾,这是目前正在开发的几种不预防感染的疫苗之一。2012年发表,在《公共科学图书馆·生物学》上一篇论文中,里德和他当时带的博士后维姬·巴克利(Vicki Barclay)给小白鼠接种了几种正处在临床试验阶段的不预防疟疾感染的疫苗。然后,他们用这些感染了但没有患病的小白鼠来感染其他接种了疫苗的小白鼠。


在接种过疫苗的小白鼠中,病原体经过21轮传播后,巴克利和里德对它们进行了研究,并将它们与在未接种过疫苗的小鼠中传播了21轮的病原体进行比较。他们发现,接种过疫苗的小白鼠体内的病毒株毒性更强,因为它们复制速度更快,杀死的红细胞更多。在21轮感染结束时,这些生长更快、致命的寄生虫是唯一剩下的病原体。


还有很长的路要走


如果你觉得这听起来非常可怕,请记住以下几点。


第一,包括麻疹在内的许多病原体似乎并没有作为一个群体对疫苗做出反应而进化。


第二,来自实验室的实验数据,如上面描述的疟疾研究,不一定能预测现实世界中更复杂的情况。


第三,关注疫苗驱动的病毒进化的研究人员强调,这种现象绝不是反对疫苗或其价值的论据;这只是一个需要考虑的后果,一个可以避免的后果。通过思考病原体群体对疫苗的反应,科学家可以在疫苗出现之前做出调整。他们甚至可以设计出降低病原体危险性的疫苗。


2017年3月,里德和他在宾夕法尼亚州立大学的同事大卫·肯尼迪(David Kennedy)在《英国皇家学会学报B》上发表了一篇论文,概述了疫苗开发人员可以使用的几种策略,以确保未来的疫苗不会受到进化力量的冲击。


其中最重要的建议是,疫苗应该引起针对多个目标的免疫反应。许多成功的、似乎可以抵抗进化的疫苗已经这样工作了:例如,人们接种破伤风疫苗后,他们的血液中会含有100种独特的抗体,它们以不同方式对抗细菌。在这种情况下,病原体积累生存所需的所有变异将变得更加困难。如果疫苗针对某一特定病原体的所有已知亚群,而不仅仅是最常见或最危险的亚群,也会有所帮助。


例如,波士顿儿童医院的理查德·马利(Richard Malley)和其他研究人员正在尝试开发一种非血清型特异性的通用肺炎球菌疫苗。


疫苗还应抑制病原体在接种过的宿主体内复制传播。其中一个原因就是疫苗抗性不如抗生素耐药性问题严重。里德和肯尼迪认为,抗生素往往是感染后注射的——此时人体内病原体数量庞大,种类繁多,可能已经包括突变体,可以抵御抗生素的影响。但大多数疫苗是在病毒感染前接种的,它可以抑制病毒复制,从而扼杀病毒的进化。


但目前最关键的还是要让疫苗科学家们认识到进化生物学与他们的研究领域的相关性。里德认为,他们不敢谈论和关注疫苗引发的病毒进化,是因为他们担心这样做可能引起更大的恐惧,使公众对疫苗失去信任——尽管我们的目标是确保疫苗长期有效。


不过,他和肯尼迪认为,研究人员已经开始认识到,有必要在谈话中提到病毒进化。肯尼迪说:“我认为科学界正日益认识到,疫苗耐药性是一个真正的风险。”


“我也这么认为,”里德表示同意,“但还有很长的路要走。”


本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),作者:田晓娜

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