可對抗異株病毒的單醣化疫苗:翁啟惠團隊如何催生這一場流感疫苗的大革命?

可對抗異株病毒的單醣化疫苗:翁啟惠團隊如何催生這一場流感疫苗的大革命?
Photo Credit: 中央社

我們想讓你知道的是

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2、30個人包括我,根本不知道他在講什麼,全場都傻眼。」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。」

採訪撰文:歐宇甜、黃曉君
美術設計:林洵安

廣效性流感疫苗研發突破

2020年開始COVID-19(嚴重特殊傳染性肺炎、新冠肺炎、武漢肺炎)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。

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圖片來源:維基百科
流感病毒直徑約80~120奈米,因為是RNA病毒,非常容易變異。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。圖為電子顯微鏡下的流感病毒。

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2000萬人死亡,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。

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圖片來源:研之有物(資料來源:馬徹)
WHO每年會從B型流感病毒、A型流感病毒第一群、第二群的病毒株中,分別選出可能流行的病毒株,將它們放進雞蛋中培養,再經過純化、去活性、提煉等等步驟,製作成流感疫苗。如果猜對了,人們只要打過疫苗,就能不致染病或減輕病情,但如果猜錯了,疫苗保護力大減,恐將引發大流行。

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」。

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圖片來源:研之有物(資料來源:馬徹實驗室)
HA 醣蛋白結構,藍色部分即為醣面具,左圖為原本布滿醣分子的結構,右圖為研究員拿掉絕大多數醣分子後、還原HA的真面目。

「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。

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圖片來源:研之有物(資料來源 :馬徹)

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。