〈研之有物〉未來流感疫苗不用年年打？可對抗異株病毒的單醣化疫苗
研之有物 2020-11-07 12:10
廣效性流感疫苗研發突破
2020 年新冠病毒肆虐全球，但與此同時，人類與流感病毒的戰爭也沒有停過，因為傳統疫苗無法對付年年變異的流感病毒。中央研究院基因體研究中心翁啟惠院士和馬徹研究員的研究團隊，成功利用雞蛋製造單醣化的流感疫苗，可對抗異株的流感病毒，保護效果比傳統疫苗高三到四倍，研究成果於 2019 年 2 月獲刊於《美國國家科學院院刊》 (PNAS)。
流感病毒知多少？
流感是由病毒引發的傳染病，幾乎每個人都得過流感，但你親眼看過這些磨人的小東西嗎？(喂！)
流感病毒直徑約 80～120 奈米，入侵細胞全靠外套膜上兩種醣蛋白：一種是血凝集素 (Hemagglutinin，簡稱 HA)，能幫助病毒黏附宿主細胞，一種是神經胺酸酶 (Neuraminidase，簡稱 NA)，幫助病毒在宿主細胞內繁殖後離開、持續在宿主體內擴散。
會感染人類的流感病毒又可分為 A、B、C 三型：
A 型病毒的 HA 共 18 種 (H1 ~ H18)，NA 共 9 種 (N1 ~ N9)，不同的 HA 和 NA 可組成不同亞型 (subtype)，如 H1N1 表示有 HA1 和 NA1 兩種蛋白質，常感染人類的有 H1N1、H3N2 兩種。
A 型流感病毒的變異很快，而且可能在人群中迅速傳播而造成嚴重疫情，像 1918 年西班牙 H1N1 流感曾大流行，導致全球至少兩千萬人死亡，宛如中世紀的黑死病！
B 型病毒沒有亞型，也不會快速變異，雖會導致大流行，不會導致嚴重疫情。C 型也沒有亞型，感染後只出現輕微症狀，不會導致大流行。
人類在 1944 年，發明了第一個 A 型流感疫苗，終於有了武器控制流感大流行，但這場人與病毒的戰爭並未真的完結！因為流感疫苗，可是唯一需要年年改換病毒株的人用疫苗。
WHO 年年選株，是在選什麼？
流感病毒在全球傳播後，在不同的地區可能變異成新的病毒株 (strain)，如 B 型流感有維多利亞株、山形株，A 型流感有 H1N1 加州株、H3N2 維多利亞株等，導致舊的疫苗失效。
為了對抗不斷變化的流感病毒，世界衛生組織 (WHO) 在各國設有偵測中心，從各處的病患和鳥類身上採樣、蒐集流感病毒資訊，然後每年召開北、南半球的季節性流感疫苗選株會議，預測明年可能流行的兩種 A 型病毒株、兩種 B 型病毒株，通常於來年二月公布北半球的選株結果，以利製作當年流感疫苗，台灣地區則通常於十月開打。
如果猜對了，打疫苗約有 70% 保護力。但預測常趕不上病毒的變化！一旦猜錯，只剩 20～30% 保護力，恐導致全球大流行。因此全球科學家一直希望找出廣效性流感疫苗，可以對抗流感所有的病毒株。
這件事異常困難，因為病毒的 HA 和 NA 太常發生突變，同一亞型、不同株的變異程度只要有 5% 到 20%，即可能讓疫苗保護力失效。如何解決病毒一直變異、疫苗無法有效保護的問題？翁啟惠與馬徹的研究團隊發現，可從破解 HA 的構造開始。
戴著醣面具的流感病毒
仔細觀察，HA 的外型像蘑菇，分為膨大的「頂部」和固定在外套膜上的較細「莖部」，通常免疫系統只能辨識 HA 頂部，目前的流感疫苗多半也是利用 HA 頂部作為抗原、誘發免疫系統生產抗體。但 HA 頂部非常容易發生突變，所以選株才會這麼困難。馬徹團隊則另闢蹊徑，從 HA 不容易變異的莖部下手！
原來流感病毒很狡猾，會奴役宿主細胞幫忙做出一顆顆醣，黏在自己的 HA 上，通常莖部的醣分子比頂部更多。病毒利用這些醣分子當成偽裝，好像在臉上戴上醣面具，讓免疫系統誤以為病毒是「自己人」。
「病毒在傳播時， HA 莖部有許多醣蓋住，形成一種保護，不易被宿主偵測，因此這些部位變異的壓力小，胺基酸序列的變異也比較小。」馬徹點出關鍵：「換句話說，不同病毒株的 HA 莖部變異應該不大。」
馬徹團隊進一步發現，如果將流感病毒 HA 莖部附近的醣拿掉、將這部分片段製成疫苗，如同揭去病毒的「面具」(醣)，讓宿主的免疫系統辨識病毒的「臉」(HA 的莖部 )。
這麼一來，即使病毒換幾頂新款式的帽子 (HA 的頂部變異) 也無妨，免疫系統依然能認出病毒的臉 (HA 的莖部)。
全醣、微醣，還是半醣？
他與研究團隊隨即展開新型流感疫苗的研發，選擇一般流感疫苗的製程——以雞蛋培養病毒，只在其中修改了兩個步驟：在雞蛋裡加入抑制劑，打斷病毒製醣過程、做到一半就停止，再加入像剪刀的酵素，剪去多餘的醣，使 HA 只剩一顆單醣。經過不斷嘗試，終於成功研發出單醣化的流感疫苗。
細心的讀者可能會發現：既然要除去病毒的偽裝，為何不乾脆把全部的醣分子去掉，仍然留下一顆「單醣」呢？翁啟惠院士在醣分子研究曾發現，細胞不是做完蛋白質才開始裝醣分子，而是一邊做、一邊裝，第一顆醣分子對醣蛋白的摺疊過程很重要，能決定醣蛋白結構。馬徹也發現如果把醣全部切掉，HA 穩定度不好，所以決定讓病毒先製作醣、HA 摺疊正確，再加入抑制劑和酵素，剪去多餘的醣、只留下一顆。
他們將單醣流感疫苗打到小鼠、雪貂身上，證實誘發的免疫反應變好，不但抗莖部抗體 (anti-stem antibodies) 變多，抗體媒介細胞毒殺作用 （Antibody-dependent cellular cytotoxicity，簡稱 ADCC，指抗體能和巨噬細胞、殺手細胞結合，把被病毒感染的細胞清除）的效果也提高。
馬徹表示，「雖然只把現有疫苗做小修改，卻能獲得更大保護力。同一亞型但不同病毒株的莖部變異較小，單醣流感疫苗對於同一亞型可以通用，未來如果把流感疫苗的四價 (四種病毒株) 都開發單醣化，就不用每年改成分，只要等病毒變化很大再更新即可。 」研究成果於 2019 年 2 月獲刊於《美國國家科學院院刊》。
2020 年 7 月，團隊再傳捷報！博士後研究員廖心瑜將來自兩種不同病毒株 (H5 和 H1) 的蛋白質，結合成一個頭部含有共通 H5 序列、莖部含有共通 H1 序列的嵌合蛋白，再輔以上述的單醣化技術，研發出「單醣化嵌合血凝集素蛋白疫苗」，可預防各種異株和亞型的 A 型流感病毒感染人體，同樣獲登《美國國家科學院院刊》。 相信未來翁啟惠和馬徹團隊還有更多的好消息，逐步實現廣效性流感疫苗的夢想！
意外的發現 + 科學家的洞見
回首這些突破性研究的靈感來源，馬徹微笑「老實說」：「其實一開始，我壓根沒想到這個可以開發出流感疫苗。」
馬徹在博士班的研究領域為蛋白質結構學，對於流感病毒並不熟悉。2004 年他進入中研院，那時基因體研究中心剛成立，時任主任的翁啟惠召集各實驗室研究流感、抗藥性細菌感染和癌症，馬徹才開始接觸流感病毒，並負責研究蛋白質結構。
在一次偶然的發現中，他注意到 HA 這種醣蛋白很怪異：「 HA 會跟宿主的醣分子結合，但自己的表面又有一堆醣，這些醣是要做什麼用？對 HA 的功能有什麼影響嗎？」出自好奇心的驅使，他把 HA 上的醣從外面依序越切越短，有的切到只剩下一顆醣，觀察帶有不同數量醣分子的 HA 跟細胞結合的狀況。
結果發現，當 HA 的醣越少，跟細胞結合力越好。這個結果引起他更大疑惑：「既然如此，HA 幹嘛要裝上那麼多醣呢？」繼續研究後發現：HA 的醣分子能形成偽裝、躲避免疫系統攻擊。於是他嘗試在實驗室製造兩種 HA，一個帶有醣，一個不帶醣，送去生產抗體試劑，再進行簡單的測試，果然發現不帶醣的 HA 抗體反應性很高。
當馬徹在會議上報告完這項「有趣的」實驗發現，翁啟惠立刻說：「這會是一個好疫苗！」
「那次翁老師說完後，現場二、三十個人包括我，根本不知道他在講什麼，全場都傻眼。」但馬徹想了一下，終於恍然大悟：病毒利用醣分子偽裝自己，如果去掉這些醣分子，應該能誘發更好的免疫反應。馬徹回憶：
那次經歷讓我真正感受到科學家見微知著的能力 ，翁啟惠老師只看到一點點線索，就能跳躍好幾步思考。
「中研院最重要的角色就是做基礎研究，但所有的應用起初都從基礎研究來的。有時並不是計劃或預期的發現，卻可能有很棒的應用。」馬徹總結：「我覺得當科學家很幸運、好玩，即使研究流感已十幾年，仍有許多未知等待被發現。」
正是馬徹永無止盡的好奇心、翁啟惠專業知識累積來的深刻洞見，共同催生這一場流感疫苗的大革命。
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