病原体 图片来源：Pixabay

撰文 | clefable

审校 | 栗子

在接种疫苗时，我们可能会忽略一件事情，提供保护的其实并不是疫苗，而是身体里的免疫系统。透明的注射器刺破皮肤，将疫苗注射进肌肉或血液，通常只需要数秒的时间。在随后的一段时间，甚至一生当中，人们都能免受很多病原体的威胁，关键原因是注射疫苗这个小小的举动，激活了人体内的获得性免疫系统。

疫苗或许是人类想到的第一种通过调控人体内的免疫系统，来制服强大病原体的方法——利用灭活病毒（没有毒性）或者病毒中的抗原部分（一般是蛋白质），就能让体内的免疫系统提前演练；而当真正有威胁的病毒来临时，由于人体对它们已熟悉，能迅速产生大量的免疫细胞、抗体来将病原体剿灭。这种方法屡试不爽，我们也因此消灭了天花，遏制了骨髓灰质炎、宫颈炎、乙肝、麻疹和狂犬病等等。

疫苗不可以了？

很多时候，疫苗都能有效对抗病毒，但也有碰壁的时候，例如遇上HIV。为了研制HIV疫苗，科学家花了数十年的时间，但一直没有获得实质有效的疫苗。其中一个关键的挑战在于，HIV抗原（也称为三联体）不仅十分复杂，还有一层伪装——覆盖着一层糖分子。

我们可以将HIV抗原和糖分子组成的结构，看作一个极难破解的机关。HIV感染者常用的抗逆转录病毒药物有点像是钥匙，能从内部破解这个机关；而如果想用疫苗来预防HIV感染，则需要通过激发抗体，从外部破解机关。科学家研发疫苗时，必须充分了解相关的结构。在HIV表面，糖分子会不断移动，遮蔽HIV抗原上一些较为保守的结构，没有被覆盖的地方，又具有高度可变性。从整体来看，抗原在不同的构象之间变化、循环。这样其实已经够复杂了。

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除此之外，HIV的基因组为RNA，本身具有高度可变性。如果HIV内部表达抗原的基因发生突变，整个抗原又会发生改变，以全新的构象开始循环。正是因为这种特殊的变化方式，HIV很快就能在人体内建立终生感染，几乎无法彻底清除。

抗原改变是病毒逃脱免疫反应、疫苗失效的最主要原因。抗原改变后，疫苗之前激活过的免疫反应也会失效，原有的抗体无法结合新的病毒，也就无法应对病毒带来的强大打击了。

不过，漫长的演化也让我们的免疫系统有了一套应对办法。数年来，美国拉霍亚免疫学研究所（La Jolla Institute for Immunology，LJI）的Shane Crotty教授领导的研究团队尝试改变了目前的疫苗接种方法，激发了动物体内的免疫反应，使其产生迄今为止针对HIV的最强大的免疫攻击。

这些发现为后续开发出一种真正有效的HIV疫苗奠定了基础，而从中我们也能重现认识自身免疫系统的强大。最关键的2项研究分别于2019年发表在《细胞》和最近发表于《自然》杂志上。

免疫系统真的可以

Shane Crotty教授和同事关注的是免疫系统中的B细胞，它们的直径只有几微米，但毫无疑问是人体内最强大的武器之一（另一个是T细胞）。B细胞由骨髓生产，最初从骨髓进入血液和淋巴系统时还比较青涩，被称为“初级B细胞”（Naive B cell）。

它们目的地是次级淋巴器官（secondary lymphoid organs），比如淋巴结、脾脏、扁桃体等。这些器官在身体的很多区域都有分布，它们最主要的任务是让“初级B细胞”成熟起来，变成一种强大的免疫武器。

成熟过程都是比较痛苦的，对初级B细胞来说可能尤其如此。抵达目的地后，它们需要进入一个特殊的囊泡结构，称为生发中心（Germinal Center）。这个“中心”里面包含“暗区”和“光区”。流程上，B细胞需要先到“暗区”待一段时间，再进入“光区”。这个过程可能也是被迫的，因为初级B细胞的寿命通常只有几天，到了生发中心才有续命的机会。

生发中心的结构：初级B细胞进入“暗区”开始快速增殖和高频突变，进入“光区”后会进行筛选，部分能发育成效应B细胞，部分只能凋亡。（图片来源：维基百科）

进入“暗区”后，初级B细胞就改名叫做“中央母细胞”（centroblasts），在这里它会开始呈指数级增殖，并且快速突变（大约是每4~6小时一次）——也就是快速进化。至于进化是否合格，则要前往“光区”接受考核。一旦受到刺激，它们就会进入“光区”，成为中心细胞（centrocyte）。此时的细胞看上去狼狈不堪：形状很不规则，核仁也裂开了，但努力终究换来了一些成果，就是细胞表面充满了高度变异后的B细胞受体。

此时，在“光区”迎接这些中心细胞的是，携带病原体抗原的T囊泡辅助细胞和树突细胞。如果中心细胞表面的受体能很好地和抗原结合，它们就会获得奖励——收到继续生存的信号刺激。随后，中心细胞也会进一步分化，成为分泌抗体、具有杀伤性的效应B细胞（浆细胞），或者作为记忆细胞以备后续使用，直到这时B细胞才算真正成熟，可以走出生发中心，在血液系统中执行免疫工作了。不过，这样的细胞并不多，其他细胞如果有幸得到了生存信号，还能回炉重造，而剩下的就只能被迫死亡了。

每当有新的病原体入侵或疫苗进入人体，免疫系统都会经历这样的过程，B细胞不停突变，直到能生成合适的抗体，并用这些抗体扑灭病原体，我们才得以平安。而如果再有另外一个变异株入侵，曾经那些效应B细胞和记忆细胞产生的抗体将不再有效。这时，生发中心会重新启动，演化出更厉害的效应B细胞，而留给“老将”后路可能也是凋亡。

这个过程——制造出新一代效应B细胞，通常需要数周的时间。Shane Crotty教授将生发中心称为“抗体演化的引擎”，他说，“这真的是一种进化，这个过程非常有效，新抗体结合病毒的能力提高了1000倍。”而生发中心就像一个“临时商店”，危机一过，它就会崩溃，不见踪影。一般来说，免疫反应进行到15~21天左右，生发中心会消失，好像收到了某种未知的信号。

Shane Crotty的想法是，既然“生发中心”如此强大，能不能让它存活得更久一点，让效应B细胞变得更厉害，用来对抗HIV呢？

持久一点，更好的抗体

2019年，在发表于《细胞》的一项研究中，Crotty等人在普通猕猴（rhesus monkey）中尝试了一种新的疫苗接种方法，相比于常规的一次性接种策略，他们采取了一种新的、“缓慢”接种疫苗（HIV的包膜蛋白+一些佐剂）的策略。具体方法为，将相同剂量的疫苗在2周时间内分7次注射到猕猴体内，剂量逐次递增。这个接种方法，其实接近自然情况下急性感染的过程。

3组小鼠的疫苗接种策略：A组采取一般的疫苗接种方式，B/C组第一针采取了缓慢多次接种的策略。图片来源于论文

他们发现，在接种疫苗2周后，生发中心里才有产生中和性抗体的B细胞出现。如果是单次接种疫苗，这类B细胞的数量在7周后会达到顶峰，随后就不再变化。但如果是缓慢多次接种，完成7周后，生发中心里这类B细胞的数量还会继续上升，达到一个很高的数值。除此之外，T囊泡辅助细胞的数量，也会明显增加，这会促进效应B细胞形成更多样化的抗体。这些抗体能与抗原上更多的位点结合，有更好的中和效果。

在近期发表于《自然》杂志的研究中，研究团队又设计了一组新的实验，想看看生发中心能坚持存在多久，抗体的多样性和中和效果如何。实验中包括3个小组，前2个小组（A和B）分别是在第0周和第10周（2个多月）时，分别接种第一剂和第二剂疫苗。C组第2针的时间，推迟到了第30周左右（7个月左右）。

A组为对照组，第一剂采用传统的疫苗接种方法，即一针打完；而B组和C组的第一剂都采用缓慢接种的策略，即剂量不变的情况下，2周内接种7次疫苗，且剂量依次增加。这3组的第二剂接种都是一针打完。在B/C两组疫苗中添加的佐剂，研究人员进行了一些调整，使得生发中心的表现更加稳健。

实验结果印证了之前发表在《细胞》发表的研究成果，不过这次获得的数据更加清晰。在疫苗接种完成3周后，小鼠体内生发中心里的B细胞（用BGC表示）数量都达到了一个峰值。不过具体数量存在显著差异，B/C组中的BGC占B细胞总数的比值达到了24%～33%，而A组（对照组）的这一数值，只有3.5%。且接下来的近10周中，B/C组的这一数值能继续维持在20%左右，A组的数据则一直在3%左右。

三个实验小组中 ，BGC细胞在B细胞中的占比随时间的变化。（图片 来源于论文）

这一数值也直接影响了产生特异性中和抗体的B细胞数量，也就是能够有效抗击病原体的细胞数量。在B/C组中，这类细胞的数量不断上升，第10周时已经达到了A组的186倍。在第二剂（加强针）接种之后，每组的这类细胞都有一定的增长，不过B/C组仍然远远地超过了A组。

产生特异性中和性抗体的B细胞数量（图片 来源于论文）

由于C组的第2针接种较晚（30周左右），研究人员一直在持续收集数据，发现直到第29周，生发中心仍然具有活性，即使是在这时，针对HIV包膜蛋白特异性的B细胞数量，仍然是A组巅峰时期的27倍。也就是说，在缓慢接种策略中，即便生发中心有近191天（6个月）的时间不再接触抗原，它也能继续存在，继续发挥作用。

分多次、缓慢接种疫苗，实际上改变了生发中心的整个发展过程。在2项研究中，Crotty等人也使得生发中心的存在时间从最开始的数周，延长到了2个月，再到6个月。生发中心有更长的时间招募B细胞、抗原滞留的时间更长，这样通过一次一次地抗原刺激，能产生更厉害、更多样的抗体的效应B细胞才得以形成。

更多、更厉害的抗体

对于HIV以及与之类似的、不断变异的病毒来说，最为理想的疫苗或是能促使机体产生交叉反应，产生更广泛的中和性抗体，以应对病毒不断的突变。

在第一剂和第二剂接种后，所有第一剂采用缓慢多次接种的猕猴都发生了很强的抗体中和反应，产生的中和性抗体滴度均高于2000。而第一剂1针打完的小鼠中，开始的效果没有B/C组好，加强针没有特别明显的效果，抗体的滴度很低，只有37。

研究人员发现，在6个月时（还没有接种第二剂），C组猕猴生发中心的BGC细胞不仅还能不断扩增，其在功能上也保持着完整性，且一直在进行抗体的高频突变（antibody somatic hypermutation）。从第3周到第29周，生发中心中未成熟B细胞不断减少（低于1%），B细胞产生的抗体上出现了越来越多的突变位点。从第3周到第29周，随着其中细胞的不断突变，一种中和性抗体经历了近40次突变，起初亲和力不高，而最终对抗原的亲和力提高了1000倍。还有其他中和性的抗体也突变了近30次。

抗体的突变过程，经历了数十次的变化，亲和力不断增强（图片来源于论文）

这些发现表明，在抗体形成中付出足够的耐心是很有价值的，在这个时间里，它们会不断演化，变得更加多样化。面对我们难以抵抗的病原体，缓慢给药和逐渐增加剂量的策略取得了成效。这样出现的抗原可能已经让免疫系统有足够的时间，“品尝”到病毒的味道，从而使生发中心持续保持开放，促使B细胞尽可能长时间地进化，以应对病毒的威胁。

但考虑到接种方法比较麻烦，从猕猴到真正应用在人的身上，还需要一定的时间。