這一波武漢肺炎疫情的迅速蔓延擴散國際,讓抗病毒疫苗的研究從人們模糊的記憶中,再度成為世人關注的焦點。

從事科學研究工作,我想提醒大家,照顧庶民平日生活所必需的不只是「柴米油鹽醬醋茶」,把人生的時間軸拉長,照顧人「生老病死」的「醫藥」也是維持生命,造就幸福所必需。人生的危機與挑戰不時的會出現,我們只有準備更多、更優異的解方,不時的演練應變,才能高枕無憂。

十七年前的SARS疫情迅雷不及掩耳的重創台灣,「和平醫院封院」事故憾動台灣各界對新興感染症的漠視,學界紛紛投入病毒、公衛、抗病毒的新藥與疫苗研發,我就是在這場危機中投入針對SARS病毒的疫苗研究,我的想法單純,要做冠狀病毒疫苗最直接的方式就是用「無害的病毒分身」來刺激免疫細胞產生抗體,甚至激發細胞免疫效應,來更籠統的排斥同類的冠狀病毒,然而又必須做到杜絕被病毒感染的風險。於是,我想到利用培養SARS病毒的細胞株,轉殖SARS病毒的部分基因,令細胞生產類似SARS病毒的外觀的顆粒,把「通緝犯的立體雕像」提供給人體免疫細胞,好發動全身查緝。我們花了三年的時間完成生產這種SARS類病毒顆粒(VLP)的細胞株和大量生產的方法,製備了SARS-VLP,並且對小鼠以肌肉注射方式證明這樣的SARS-VLP會誘導辨識SARS病毒的抗體。我們除了申請專利 [1],也試著投稿研究論文,可惜當年投稿失敗,審查員要求至少必須證明,這樣誘導的血清抗體要能中和SARS病毒對宿主細胞的感染,但是,因為SARS病毒絕跡江湖,當年的疾管署不肯支援這個病毒實驗,因此而中斷了這一個研究計畫。雖然不免「有拔劍四顧心茫然」的遺憾,在上一場「抗煞防疫大戰」中,我們從一無所知開始,學會了要能快速轉殖多個基因到細胞株才能快速反應疫情的需求,領略到要做出好的疫苗,就必須能證明新疫苗的安全性、有效防治感染、更要準備好感染性研究的防護設施。

常言道:山不轉路轉,路不轉人轉。縱然SARS已經從人群消失,防疫研究也從來不缺敵人,後來我們就把槍口瞄準流感病毒。每年入冬到隔年春天,季節性流感就會肆虐人群,縱然流感疫情的致死率不像SARS那麼高,也有疫苗和抗流感病毒的藥物可解,但是每年流感仍然會奪多走全球29萬到65萬條人命,更令人擔憂的是來自候鳥傳播的禽流感病毒,不但會傳染家禽、家畜、也可能會傳染人,自然界流傳的禽流感病毒有很多亞型,例如2015年初全台禽流感疫情拉警報,同時襲擊台灣各地的就有H5N2、H5N3、H5N6、H5N8⋯等高病原性禽流感病毒。長距離遷徙的候鳥,包括水禽,海鳥,會帶著病毒造成跨國傳播,不能境管,防疫控制相當困難。因為水鳥是禽流感病毒的天然宿主,對此病毒的抵抗力一向很好,感染後的症狀輕微,最可能成為帶原者四處散播。若是野生水鳥與開放養殖的鴨、鵝及其他水禽棲息在同一池塘,交叉傳染的風險就會增加。台灣地狹人稠,鳥與鳥之間很容易經由排泄物、水源、空氣灰塵、以及養禽場之間的物流運輸,產生交叉傳染,一旦感染到陸禽如雞、火雞、鵪鶉、 鴕鳥⋯等則症狀嚴重,造成大規模死亡。2015年,禽流感造成台灣的損失慘重,不只是雞隻的撲殺,病毒自然突變與重組的結果,就連一向是呈現低致病的,也產生致命性感染,全台灣超過半數的水禽中鏢,蛋鴨、肉鵝、種鵝都檢出新型H5N2或H5N8病毒,影響所及不只是重大農業損失,肉類、蛋類的糧食供應短缺,也造成物價波動和搶購囤積的經濟恐慌效應。若是禽流感病毒與感染人群的流感病毒感染了同一宿主而發生病毒基因片段重組,將會是新病毒造成人群傳染大流行的更可怕局面。

2006年起,我們就開始研究流感病毒的VLP疫苗系統,我們將流感病毒的兩個主要抗原HA和NA,加上兩個必需的結構蛋白M1與M2,透過誘導式啟動子調控,在同一個細胞中一起表現,發現能高效率產生流感病毒的VLP。由於流感病毒的高突變率,台灣與WHO一樣,每年都要檢測季節性流感流行病毒株的基因序列,更新疫苗所針對的病毒抗原,加上考量禽流感流行病毒的抗原組合多變,我們把四個VLP基因中可以不變的M1和M2先轉入生產流感疫苗用的Vero E6細胞株,作為源基細胞株,然後我們可以一步到位的任意變化HA和NA的序列與亞型組合,產生各種可能的禽流感與人流感的VLP [2]。進而,我們嘗試利用基因嵌合方式讓HA攜帶其他的抗原表位,雖然結果不如預期,原來目的失敗,卻讓我們發現只有把免疫能力最強勢的HA含量減少,才能讓NA的免疫力突顯出來,其優點是NA在人流感的突變率比HA低很多,因此同一株病毒的疫苗可以繼續使用比較多年,也不會受限於病毒因為突變而產生對NA唾液酸酶活性抑制藥物,如克流感的抗藥性 [3]。

HA抗原是人體免疫對流感病毒反應最強的抗原,我們在上述的失敗經驗中也意外發現HA抗原的另一個很難被切中的弱點,這個位置的變異非常低,但是很難得產生免疫抗體,HA 的蛋白構形可分為兩部分:一是頂端部位(head region)的球型區作為病毒結合宿主受體的要塞,也是被人體免疫抗體防守的主要重點,因此病毒會演化產生高度變異;其二是高度保守的主幹部位(stem region),為病毒在感染細胞過程中,控制其核酸上膛的位置,HA主幹部位必須在進入下一個細胞之前被宿主的蛋白酶切一刀,構形轉變後,透過HA頂端結合下一個細胞表面的受體而叩關入門,當病毒被內吞送到胞內體時核心會酸化,轉變構形後的主幹才能與胞內膜產生融合,彈出病毒內的核酸與聚合酶,啟動病毒複製基因的程序。瞄準此一弱點,我們就採取定點突變方式,用VLP系統生產出HA主幹不能被切的VLP,用來當作疫苗,我們證明了,這種帶HA原構型的VLP疫苗能誘導出辨識HA主幹與HA頂端的中和抗體,其抗血清不但能中和上一次HA抗原漂移前的流感病毒株,也能中和那些逃過族群免疫篩選的流感病毒株,雖然病毒的HA經過抗原漂移,病毒要上膛的板機仍然免不了被我們的疫苗抗體給命中。這樣優越的免疫原性在第一株會感染人的H6N1禽流感病毒與2007-2016年間流行的H3N2人流感的追蹤研究上,獲得驗證 [4,5]。由於HA主幹不能被切的流感病毒株無法擊發,形同啞彈,難以在宿主細胞有效感染複製,因此無法用傳統的病毒培養方式大量複製,又因為重組HA蛋白的免疫原性比較低,所以我們提倡這樣的禽流感VLP疫苗比較能有效對付變化多端的禽流感疫情,值得進一步研究開發,如果有一天能克服此疫苗對人體的毒副作用疑慮,也值得開發為廣效型的人流感疫苗。

這一次的武漢肺炎疫情,蔓延的速度非常快,台灣的政府採取明快而有效的防疫政策,進行防範未然的領先部署,全體防疫及醫護人員專業投入與無私奉獻,獲得全民對防疫政策的高度配合與肯定,我們已經打贏了上半場,不但控制在低感染、低死亡人數,更保全了境內醫療體系的元氣,能繼續長期對抗疫情發展。病毒透過義大利、伊朗向歐洲、北美擴散傳染,下一局將是從世界各國回頭來叩關的帶原旅客。由於全球感染人數迄今已突破十二萬五千,病毒更已經傳播到南半球,縱然氣候回暖之後,疫情可能稍獲緩解,但是我們相信今年冬季,這一新型冠狀病毒很可能會捲土重來,即時的開發出對抗病毒的特效藥和疫苗是控制疫情,讓全人類免於恐慌的必要利器。

做疫苗也要跟時間賽跑,在過去三年,我們磨練好一個全新的基因轉殖細胞株系統,我們在一個可以懸浮培養的人類細胞株中,預先轉殖一個能大量表現綠色螢光蛋白的基因,且在兩側預埋了重組酶可辨認的不對稱DNA序列,隨時可以送進重組酶和需要表現的一組基因卡匣,利用重組酶來剪接交換基因卡匣,取代原先的綠色螢光基因,快速產生生產新型VLP疫苗的種馬,進行大量生產。我們不但練兵交換個紅色螢光蛋白基因,更已經試驗過這一細胞系統能生產出禽流感的VLP疫苗,經本院、家畜衛生試驗所與台大的合作研究團隊驗證,這一個疫苗能保護雞隻被高病原H5N2禽流感感染後會發生的重症死亡。雖然,研究這篇論文尚未完成,但是現在武漢肺炎的疫情緊急,號角再次響起,我們也只得拔劍再戰,儘快做出SARS 2.0病毒的VLP,和我們的國家隊一起盡一個科學家的所能。

 

參考資料:

  1. Hsiao Pei-Wen*, Huang Chang-Jen, Yang Ning-Sun, Lin En-Hau. 產生類病毒微粒之高產率轉殖基因哺乳動物表現系統; High-yield transgenic mammalian expression system for generating virus-like particles. TIPO TWI340166 (2011/04/11-2026/12/13).
  2. Chia-Ying Wu, Yi-Chun Yeh, Yu-Chih Yang, Ching Chou, Ming-Tsan Liu, Ho-Sheng Wu, Jia-Tsrong Chan, and Pei-Wen Hsiao*. (2010) Mammalian expression of virus-like particles for advanced mimicry of authentic influenza virus. PLoS ONE, 5(3): e9784.
  3. Chia-Ying Wu, Yi-Chun Yeh, Jia-Tsrong Chan, Yu-Chih Yang, Ji-Rong Yang, Ming-Tsan Liu, Ho-Sheng Wu, and Pei-Wen Hsiao* (2012) A VLP vaccine induces broad-spectrum cross-protective antibody immunity against H5N1 and H1N1 subtypes of influenza A virus. PLoS ONE 7: e42363.
  4. Ji-Rong Yang, Chih-Yuan Chen, Chuan-Yi Kuo, Chieh-Yu Cheng, Min-Shiuh Lee, Ming-Chu Cheng, Yu-Chih Yang, Chia-Ying Wu, Ho-Sheng Wu, Ming-Tsan Liu*, Pei-Wen Hsiao*. (2016) A novel H6N1 virus-like particle vaccine induces long-lasting cross-clade antibody immunity against human and avian H6N1 viruses. Antiviral Research, 126:8-17.
  5. Ji-Rong Yang, Chieh-Yu Cheng, Chih-Yuan Chen, Chao-Hua Lin, Chuan-Yi Kuo, Hsiang-Yi Huang, Fu-Ting Wu, Yu-Chih Yang, Chia-Ying Wu, Ming-Tsan Liu *, and Pei-Wen Hsiao*. (2017) A virus-like particle vaccination strategy expands its tolerance to H3N2 antigenic drift by enhancing neutralizing antibodies against hemagglutinin stalk. Antiviral Research, 140: 62-75.