萬用流感疫苗的第一期臨床試驗

目前大家大概都知道的，流感疫苗每年都要施打，因為流感病毒突變的很快，每年都需要預測明年可能的突變，然後製作疫苗，但因為是預測，所以疫苗的效力不穩定，預測準的話就效力比較高，不準就效力較低。

流感病毒的表面有兩個醣蛋白(glycoprotein)：hemagglutinins (HA) 和 neuraminidase (NA)。流感病毒株的 H, N -- 例如西班牙流感 H1N1，便是指這兩個蛋白。流感病毒依其 H, N 分成三種：Influenza A, B, C。其中 Influenza A 又分為兩組：group 1 包括有 H1, H2, H5, H6, H8, H9, H11-13, H16，group 2 裡有 H3, H4, H7, H10, H14 和 H15。HA 蛋白是流感進入細胞的媒介，和細胞表面的 sialic acid 結合後得以進入細胞，因此目前的疫苗主要是針對 HA 做預測，目的是希望人體能夠產生對抗 HA 的抗體。


Figure / Influenza virus infection (US CDC)

HA 蛋白分為兩個部分，上面的 head domain 是基因突變較頻繁的部分，頂端是 receptor binding site，也就是 antigenic site，和細胞表面 sialic acid 結合的部位，是目前疫苗針對的標靶，但因為變化頻繁，針對 HA head 的疫苗便有 specificity，疫苗需要混合很多不同病毒株涵蓋率才會高。HA 下面的部分是 stalk domain，相較起來突變較不頻繁。也就是說，如果疫苗是針對下面的 stalk domain 的話，就可以一次針對多個病毒株，也許就不用每年都更新疫苗了。

相關文章：萬用流感疫苗的可能性


Figure / Influenza HA structure (KVR et al, JCI 2018)

不過，如果要針對 stalk domain 製作疫苗，有幾點需要考慮：

1. 因為它不是 antigenic site，不確定針對此部位的抗體是否能抑制流感病毒進入細胞？
2. 大多數人體內因為長期接受流感病毒或疫苗，體內已有針對 HA head domain 的免疫反應，所以就算打了針對 stalk domain 的疫苗，體內針對 head domain 的免疫反應會迅速作用，可能會因此讓針對 stalk domain 的疫苗無法發揮作用。
3. 那如果疫苗只有 stalk domain 而不包含 head domain 的話呢？目前為此，一些研究團隊實驗的結果是 head domain 本身很不穩定。

Mount Sinai 醫學院的 Krammer 和其同事想到的辦法是做成 HA chimeras (cHAs)，就是把 H1 strain 的 stalk domain 和禽流感 H5 及 H8 的 head domain 連在一起，變成一個人體沒接觸過、新的抗原，這樣就不會引起原本針對 HA head domain 的免疫反應，使人體可以產生對抗 stalk domain 的免疫反應。

他們之前的老鼠實驗顯示，當多次把不同的 cHAs (不同的 head，但都是 H1 的 stalk)打入老鼠體內，可以老鼠產生抗 stalk 的抗體。之後他們用 H1N1 去感染被施打 cHA 疫苗的老鼠，這些老鼠的存活率和體重都比控制組(只打 BSA)的老鼠好。cHA 疫苗用的是 H1 stalk，可以保護老鼠於 H1N1 在預期之內，重要的是產生的 anti-stalk 抗體是否能夠對抗其他流感病毒株的感染。於是，他們用 H5N1 和 H6N1 去感染之打了 cHA 疫苗的老鼠，同樣顯示老鼠體內的 anti-stalk 抗體具有 cross-reactivity，對老鼠有保護作用。不過，當他們用 group 2 的 H3N2 去試驗，卻沒有明顯的保護作用，顯示帶有 H1 stalk 的 cHA 產生的抗體侷限在同樣是 group 1 的流感病毒株。

chimeric HA (cHA) 疫苗的臨床試驗目前還在第一期臨床安全測試，試驗分為兩組，接受疫苗的為 66 位十八到 39 歲的健康個體，其中有十五人接受的是 placebo。在比較兩組在施打疫苗後的抗體後。結果顯示接受 HA chimeras 的那組產生了大量的 anti-stalk 抗體。他們用 ELISA 測試產生的抗體 cross-reactivity，結果顯示抗體對 group 1 裡的 H2, H8, H9 和 H18 皆有反應，但是對 group 2 裡的 H3 沒反應，跟之前老鼠實驗的結果一致。之後，研究人員把這些人的血清打到老鼠體內，再給老鼠感染流感病毒，觀察牠們的免疫反應，結果顯示接受施打疫苗後的血清對老鼠有保護作用，但抑制病毒的效果沒預期的好。

總之，這個疫苗在第一階段的臨床安全試驗裡顯示可以使免疫系統產生大量抗體，並且可以辨識主要幾個 group 1 裡的病毒株，不過效果如何還需之後二三期的臨床試驗才知道。


Articles:

US CDC / Understanding Influenza (Flu) Infection: An Influenza Virus Binds to a Respiratory Tract Cell

Science / Innovative universal flu vaccine shows promise in first clinical test (Dec 2020)


Papers:
R Nachbagauer et al, A chimeric hemagglutinin-based universal influenza virus vaccine approach induces broad and long-lasting immunity in a randomized, placebo-controlled phase I trial. Nature Medicine (2020)

KV Reeth, The post-2009 influenza pandemic era: time to revisit antibody immunodominance. JCI (2018)

R Nachbagauer et al, A chimeric haemagglutinin-based influenza split virion vaccine adjuvanted with AS03 induces protective stalk-reactive antibodies in mice. Nature Vaccines (2016)

F Krammer et al, Chimeric Hemagglutinin Influenza Virus Vaccine Constructs Elicit Broadly Protective Stalk-Specific Antibodies. JVI (2013)

萬用流感疫苗的可能性

相信大家都得過流感，可能覺得流感沒什麼，不過全球每年因流感重症的人口高達三百五十萬人，超過四十萬人死亡。雖說目前有疫苗，但流感病毒是 RNA 病毒，突變率高，所以每年都需要新疫苗，而且因為不知道來年病毒會突變成什麼，只能用預測的，只能做到 best match，無法做到 perfect match。

目前流感疫苗用的大多是去活性的病毒蛋白來引起免疫反應，產生大量對抗病毒的抗體。疫苗主要用的蛋白是 HA (hemagglutinin) 和 NA (neuraminidase)，位於流感病毒的表面，這兩個蛋白的基因常常突變，如果預測的不夠準的話，疫苗的效用可能就大為降低。與其每年都需要預測和更新疫苗，科學家們希望能夠研發一個萬用的 universal vaccines，一支可以對抗所有流感病毒的疫苗，近年來的策略是讓免疫系統產生各種針對流感的抗體，於是標靶蛋白須為所有流感病毒株都有、變化較少的蛋白或其片段，例如 HA 的 stalk region。

註：流感病毒的 HA 分成兩個 domains (下圖)，上面的 head domain 是基因突變較頻繁的部分，頂端是 receptor binding site，下面是 stalk domain，相較起來突變較不頻繁。


Figure / Structure and classification of influenza virus hemagglutinins (E Kirkpatrick et al, Scientific Reports 2018)

人類的免疫系統，除了抗體之外，還有免疫細胞，引發免疫細胞反應，也是另一種方法。這篇研究是是想利用 cGAMP (2’,3’-cyclic guanosine monophosphate-adenosine monophosphate) 啟動肺部內的免疫細胞 CD8+ resident memory T cells (T RM cells) 對抗流感病毒。Type I interferons (IFN-Is) 是啟動免疫系統對抗病毒感染主要媒介，STING (stimulator of interferon genes)是啟動肺泡表皮細胞和免疫細胞裡 IFN 表現的訊息因子，cGAMP 則是 STING agonist。在這篇研究裡，他們用 PS (pulmonary surfactant) 作為載體把 cGAMP 和去活性的 H1N1 疫苗一起送進肺部的巨噬細胞(macrophages)，再由巨噬細胞把 cGAMP 送進肺泡的表皮細胞 AECs (alveolar epithelial cells)和 APC (antigen-presenting cells)，進而啟動免疫系統。


Figure / Strengthening influenza virus vaccination (Herold & Sander, Science 2020)

他們把 PS-cGAMP 和去活性的流感病毒(PS-GAMP adjuvant H1N1)一起打進老鼠，兩天後便觀察到其效用，除了早期大量增加的 NK cells 和之後強烈的 CD8+ T cells 反應，施打後兩週也觀察到大量的抗體產生，比疫苗本身引起的抗體量多十倍以上，而產生的抗體針對的不只是 H1N1 而已，還包括其他三種 -- H3N2, H5N1, H7N9。最後，PS-GAMP adjuvant H1N1 疫苗在施打兩天就可產生保護作用，引起的免疫反應還可維持至少六個月，施打疫苗一個月後還可測到 CD8+ T RM cells，保護老鼠不再受到 H1N1 和其他流感病毒株的感染。

嗯，如果在人體上也有同樣效用的話，應該也可以應用在新冠病毒的疫苗上。



Papers:

S Herold & L Sander, Toward a universal flu vaccine. Science (2020)

J Wang et al, Pulmonary surfactant-biomimetic nanoparticles potentiate heterosubtypic influenza immunity. Science (2020)

E Kirkpatrick et al, The influenza virus hemagglutinin head evolves faster than the stalk domain. Scientific Reports (2018)