新冠肺炎疫苗的研究现状及面临的挑战

温亚亚 宋 丽 汪巧菊 潘志明 焦新安

（1.扬州大学江苏省人兽共患病学重点实验室，扬州 225009；2.扬州大学江苏高校动物重要疫病与人兽共患病防控协同创新中心，扬州225009；3.扬州大学农业部农产品质量安全生物性危害因子（动物源）控制重点实验室，扬州 225009；4.扬州大学农业与农产品安全国际合作联合实验室，扬州 225009）

新型冠状病毒肺炎（COVID-19，简称新冠肺炎）于2020年3月11日被世界卫生组织（World Health Organization，WHO）宣布为大流行。截至2021年12月，全球已有2亿多例确诊病例，其中570多万死亡病例。该病由一种新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引起，SARS-CoV-2主要感染人的呼吸道，引起轻度呼吸道感染；严重者发展为严重急性呼吸综合征，导致器官衰竭、甚至死亡［1］。疫苗是预防和控制病毒感染的最有效方式之一，WHO已经记录了331种新冠肺炎候选疫苗，其中进入临床试验阶段的疫苗共有137种，包括蛋白亚单位疫苗、核酸疫苗、病毒载体疫苗、灭活疫苗、病毒样颗粒和减毒活疫苗。目前，已有多款疫苗获批紧急授权使用，全球新冠疫苗预防接种工作正在有序推进，截至2021年12月24日，全世界范围内已接种疫苗超86亿剂次。本文将对疫苗的研发过程和目前国内外批准投入使用的11种新冠疫苗的研究现状进行概述。

1 新冠肺炎疫苗的研发过程

疫苗的开发需要经过探索阶段、临床前研究、临床试验以及审查和批准阶段，获得许可进行生产和上市后，还要继续进行严格监管。一款疫苗的诞生通常需要经历10-15年，这是一个十分漫长的过程。目前为止，疫苗开发和批准使用的最快记录是一款针对腮腺炎的疫苗，大约花了5年时间［2］；脊髓灰质炎“糖丸”疫苗从研发到全国范围内推广经过了7年时间；国产双价人乳头瘤病毒疫苗历经17年才获批上市。因此计划在12-24个月内开发出新冠肺炎疫苗将是一个巨大的挑战（图1）。

图1 常规疫苗与新冠疫苗研发过程对比Fig.1 Comparison of development process between conventional and COVID-19 vaccines

探索阶段通过基础实验室研究选择可以用作疫苗候选的天然或合成抗原，确定疫苗类型。研发中的新冠肺炎疫苗大多为亚单位疫苗、病毒载体疫苗和核酸疫苗等新型疫苗，这几种疫苗具有生产工艺简单、便于大规模生产的优点，但也存在较大的不确定性和风险［3］。

临床前研究阶段需要进行细胞实验、动物模型试验，对候选疫苗的安全性、免疫原性等进行评估，为改进疫苗设计提供平台。下一步进入临床试验阶段，在健康志愿者身上测试疫苗。临床试验阶段通常分为3期。I期临床侧重的是安全性，在小样本群体（通常为几十人）中进行。II期临床以扩大安全性、确定剂量范围、掌握疗效数据以及免疫程序等为重点。一般在数百人（不同年龄阶段）中进行［4］。III期临床评估剂量和疫苗接种程序能否产生预期的疗效，通常在数千或者数万人中进行。当临床试验阶段的数据证实疫苗效力符合要求后，便可申请审批，进行产品注册。在整个过程中，安全性是最重要的，因此必须持续监测任何不良事件的发生［5］。疫苗投入市场应用之后，若发生安全性相关的不良事件应立刻召回疫苗。

在新冠肺炎大流行的情况下，全球迫切需求有效疫苗。研究者们通过分阶段结合来加快疫苗的开发，例如将第一阶段和第二阶段结合起来，直接在数以百计的志愿者身上进行安全性测试［3］。疫苗也不需要经过传统的审批程序，而是通过绿色通道直接审批，从而在严格审查后被批准紧急使用，以便更快地投入生产供重点人群使用。

2 国内上市疫苗

目前国内已有3条技术路线共5款疫苗获得国家药监局批准附条件上市或紧急使用（表1）。据国家卫健委统计截至2021年12月24日全国累计报告接种新冠疫苗已超27亿剂次。

表1 国内已上市新冠肺炎疫苗概况Table 1 Overview of COVID-19 vaccines licensed in China

2.1 国药集团两款新冠灭活疫苗

北京生物新冠疫苗（BBIBP-CorV）以19nCoVCDC-Tan-HB02为原始毒株，在非洲绿猴肾细胞（Vero细胞）中传代，经β-丙内酯灭活后，以Al（OH）3佐剂和含磷酸盐的缓冲液制备而成［6］。I/II期临床试验结果显示，BBIBP-CorV免疫原性较强，能迅速诱导出较强的体液反应。接种两剂后中和抗体阳转率达100%［7］。III期临床试验中期数据结果显示，BBIBP-CorV接种后安全性良好，疫苗组接种者均产生高滴度抗体，中和抗体阳转率为100%，疫苗针对新冠肺炎的保护效力为78.1%［8］，预防中度和重度疾病的有效性为100%［9］。

武汉生物新冠疫苗I/II期临床试验结果显示，疫苗在不同注射程序下各剂量组耐受性良好［10］。III期临床试验中疫苗接种者均产生高滴度抗体，中和抗体阳转率为99.3%，总保护效力72.51%［8］。有研究表明该疫苗针对10株国内外流行的新冠野毒株均具有广泛的交叉中和反应［11］。

两款疫苗常见不良反应主要是注射部位疼痛，症状轻微，未出现与疫苗相关的严重不良反应［8，10］。截至目前，中国国药集团新冠肺炎灭活疫苗已在阿联酋、巴基斯坦、阿根廷等全球范围内110多个国家和地区开展接种或紧急使用。

2.2 CoronaVac

北京科兴新冠肺炎疫苗CoronaVac由接种SARS-CoV-2冠状病毒CN02株的Vero细胞制成［12］。目前已获得印度尼西亚、土耳其、巴西、老挝等国家紧急使用授权。I/II期临床试验结果表明疫苗可以诱导较高的中和抗体效价，并且参与者均无严重不良反应。0、14 d和0、28 d计划组接种两剂后，参与者中和抗体阳转率分别在92%和97%以上［13］。老年组临床试验结果显示中和抗体阳转率大于95%［14］。2020年7月起，该疫苗分别在巴西、印度尼西亚、智利、土耳其等地进行III期临床试验。智利开展的III期临床试验结果显示，接种14 d后，疫苗对预防有症状的新冠确诊病例的保护效果为67%，预防重症病例的保护效果为89%［15］。

2.3 Ad5-nCoV

康希诺生物股份公司和军事医学科学院陈薇院士团队共同研发的中国首个单剂新冠肺炎疫苗（Ad5-nCoV）克威莎TM已在巴基斯坦、墨西哥、匈牙利等获批紧急使用授权。该疫苗将含有组织型纤溶酶原激活剂信号肽基因的全长S基因克隆到复制缺陷型人5型腺病毒中构建而成，单次接种Ad5-nCoV可以保护小鼠呼吸道和肺部免受SARS-CoV-2感染［16］。I期临床试验结果显示从接种疫苗后第14天开始观察到快速、特异性T细胞反应，特异性体液反应在接种疫苗后第28天达到高峰［17］。II期临床试验结果显示，人体对腺病毒的免疫力水平也在影响着该疫苗的免疫原性。中剂量组不良反应率高达24%，但具有自限性，一般在72-96 h内消失［18］。国际多中心III期临床试验中期结果显示，单针接种疫苗14 d和28 d后，疫苗对所有症状的总体保护效力分别为63.7%和57.5%，对重症的保护效力分别为96.0% 和 91.7%［19］。

2.4 ZF2001

智飞生物新冠肺炎疫苗为全球第一个获批使用的新冠重组蛋白疫苗。该疫苗是通过基因工程的方式在中国仓鼠卵巢细胞（CHO）内表达纯化SARSCoV-2 S-RBD二聚体抗原蛋白，辅以Al（OH）3佐剂制成，不携带任何形式的外源标签［20］。II期临床试验结果显示，两剂方案中第二剂注射后14 d，25 μg组和50 μg组的中和抗体血清转换率分别为76%和72%，中和抗体几何平均滴度（GMT）分别为17.7和14.1；三剂方案中第三剂注射后14 d，中和抗体血清转换率分别为97%和93%，中和GMT分别为102.5和69.1。此外，疫苗能产生适度的Th1/Th2混合型细胞免疫应答［21］。2020年11月起陆续在中国湖南及乌兹别克斯坦、巴基斯坦等多国启动III期临床试验，国际多中心III期临床试验结果显示，该疫苗对所有症状的总体保护效力为81.43%，对重症的保护效力为100%［22］。有研究表明该疫苗接种者血清对南非新变种（501Y.V2）具有大部分中和活性，对南非新变种有保护效果［23］。

3 国外上市疫苗

在新冠肺炎全球大流行的形势下，疫苗接种已成为控制疫情、实现群体免疫的必需措施。国外也已有多款疫苗获得授权，在多个国家进行接种工作（表2）。

表2 国外已上市新冠肺炎疫苗概况Table 2 Overview of COVID-19 vaccines licensed abroad

3.1 BNT162b2（美国）

辉瑞新冠肺炎疫苗（BNT162b2）以脂质纳米颗粒的形式存在，结合了1-甲基伪尿苷修饰的RNA，编码 SARS-CoV-2 全长 S蛋白抗原［24］。I/II期临床试验结果显示，两剂30 μg剂量的BNT162b2可诱导较高中和抗体滴度以及抗原特异性CD8+和Th1型CD4+T细胞反应，BNT162b2诱导的血清对不同SARS-CoV-2 S变异株的假病毒具有中和作用［25］。II/III阶段临床试验中接种疫苗者有局部的不良反应出现，多为轻度至中度，一般在1-2 d内消失。主要表现为发烧、疲劳和头痛。两剂疫苗接种后对新冠肺炎的保护率达到95%［26］。

3.2 mRNA-1273（美国）

Moderna新冠肺炎疫苗（mRNA-1273）由新型脂质纳米颗粒包裹，编码预融合稳定的SARS-CoV-2 S蛋白（S-2P）［27］。I期和II期临床试验结果显示，疫苗诱导产生的中和抗体水平接近或高于新冠肺炎康复期患者血浆中的抗体水平，并持续到第28天，产生Th1偏向的T细胞免疫反应［27］。III期临床试验中除了短暂的局部和全身性反应外，没有发现任何安全问题，疫苗有效率为94.1%［28］。有研究证明，mRNA-1273疫苗接种第二剂后，抗体可持续6个月［29］，疫苗对新兴变种（英国B.1.1.7和南非B.1.351）具有中和作用［30］。

3.3 Ad26.COV2.S（美国）

强生新冠肺炎疫苗（Ad26.COV2.S）利用了公司的AdVac®疫苗平台，基于重组非复制型人26型腺病毒载体，编码稳定的SARS-CoV-2 S蛋白［31］。I/II期临床试验中期结果显示，Ad26.COV2.S单次免疫可诱导中和抗体反应以及细胞免疫反应，接种后第8天，在90%的疫苗接受者中诱导RBD特异性结合抗体。此外，该疫苗可诱导多种抗体亚类，具有FCR结合特性和抗病毒功能［32］。最常见的不良反应是发热、疲劳、头痛、肌肉疼痛和注射部位疼痛，老年组系统性不良反应的发生率低于年轻组［33］。III期临床试验数据显示，接种28 d后，预防中重度新冠肺炎和重度新冠肺炎的总体保护效力分别为66.1%和85.4%，并证明可完全预防因新冠肺炎引起的死亡［34］。

3.4 ChAdOx1 nCoV-19（英国）

阿斯利康新冠肺炎疫苗（ChAdOx1 nCoV-19）是以非复制型黑猩猩腺病毒为载体，编码全长SARS-CoV-2 S 蛋白［35］。在英国（I/II期和 II/III期）、巴西（III期）、南非（I/II期）进行的4项临床试验结果显示，ChAdOx1 nCoV-19在双剂量方案中耐受性良好，除了T细胞免疫反应外，还能诱导多功能抗体反应［36］。III期试验的初步分析结果显示，疫苗对有症状的COVID-19的有效率为76%，对严重新冠肺炎有效率为100%，在65岁及以上的成年人中，疫苗效力为85%［37］。

3.5 Covaxin（印度）

印度Covaxin新冠肺炎疫苗为吸附在明矾上的TLR7/8激动剂分子配制的全病毒灭活苗［38］。II期临床试验显示，3 μg和6 μg组局部和全身不良反应比例分别为20.0%和21.1%，未出现严重不良事件［39］。Covaxin疫苗的第三阶段中期临床试验效果显示，在第二次注射后，该疫苗在预防新冠方面的有效率为80.6%［40］。国家病毒学研究所的分析表明Covaxin疫苗诱导的抗体可以中和英国变异株和其他异源株［41］。

3.6 Sputnik V（俄罗斯）

俄罗斯Sputnik V疫苗使用异源重组腺病毒方法，使用腺病毒26（Ad26）和腺病毒5（Ad5）作为表达SARS-CoV-2 S蛋白的载体［42］。I/II期临床试验表明该疫苗耐受性良好，在100%的健康参与者中诱导了强烈的体液和细胞免疫反应［43］。III期临床试验结果显示，疫苗有效率为91.6%，严重临床病例保护率为100%。未出现与疫苗相关的严重不良事件和死亡案例［44］。此外，有研究发现Sputnik V疫苗能够在60岁以上的参与者中诱导抗体中和反应［44］。

4 当前疫苗面临的挑战

传统疫苗研发通常需要长达15年的时间，但现在将时间缩短至2年或更短，新冠疫苗上市使用后将面临许多新的挑战。

4.1 接种群体

目前疫苗接种对象主要为18-59周岁成年人以及60岁以上身体基础状况较好的老年人［26，28］，针对儿童、青少年和有基础疾病人群疫苗有效性的研究报道相对较少。目前全球有多款疫苗在进行18岁以下人群的临床试验，北京生物制品研究所的新冠灭活疫苗BBIBP-CorV在 3-17岁人群中进行的I/II期结果显示，接种两剂灭活疫苗后产生强烈的免疫反应，各免疫组血清阳转率均达到100%［45］。一项针对慢性肝病患者的Ⅳ期临床试验正在香港展开，其目的是比较该人群接种BNT162b2、CoronaVac、ChAdOx1 nCoV-19疫苗3种不同平台疫苗后的抗体反应［46］。

国内正在尝试多条路线，为研制更安全的疫苗而努力。提高安全有效的授权疫苗免疫人群的比例仍然是最大限度减少新变种出现和结束新冠肺炎大流行的关键战略。

4.2 安全性和有效性

通过联合阶段加快疫苗开发，涉及在较小样本群体中进行实验，小概率的副作用可能无法发现，但随着疫苗的大规模接种，疫苗的各种不良反应逐渐浮出水面。FDA发布公告，mRNA-1273和BNT162b2疫苗接种后可能出现心肌炎、心包炎等罕见副作用，尤其是在第二剂疫苗接种后出现机率更大［47］。Ad26.COV2.S疫苗接种后出现格林-巴利综合征（GBS）的风险增加，该病使患者神经系统受损，导致肌肉无力甚至瘫痪［48］。此外，有报道指出Ad26.COV2.S疫苗和ChAdOx1 nCoV-19疫苗接种后可能会导致接种者出现严重的血栓症状［49-50］。国内批准上市的多款疫苗未出现疫苗相关严重不良事件的报道［8，13，18］，多为注射部位疼痛红肿、疲劳、发热等轻微不良反应。

已上市疫苗的安全性和有效性仍需长期持续的监测，尤其是在未来对18岁以下未成年人群体的监测。就目前已发表临床研究结果的新冠疫苗的效力与安全性比较，mRNA疫苗和病毒载体疫苗保护效力较好，但是安全性欠佳；蛋白疫苗和灭活疫苗则相反［13，22，48-49］。从理论上来说，序贯免疫通过在不同时间免疫不同的抗原、载体类型、递送途径、剂量或者佐剂，可以提高抗体亲和力的成熟，增加免疫应答的广度［51］，实现不同疫苗的优势互补。在俄罗斯开展的一项基于rAd26和rAd5载体的新冠肺炎疫苗序贯免疫的研究显示，此接种方案诱导了强烈的免疫应答，对有症状的新冠肺炎有效率为91.6%［44，52］。关于 ChAdOx1 nCoV-19 和 mRNA-1273序贯免疫的研究也表明，与同源ChAdOx1 nCoV-19加强免疫相比，序贯免疫对SARS-CoV-2的野生型和B.1.351变异株的血清中和效价增加［53］。国内的一项临床研究结果表明，接种两剂CoronaVac灭活疫苗后，再接种一剂Ad5-nCoV疫苗作为加强，14 d后抗体水平升高约78倍［54］。

4.3 变异株的频繁出现

虽然新冠疫苗接种工作在世界范围内正在进行，但该病毒变异株仍在不断出现和传播。继Alpha（B.1.1.7）和Beta（B.1.351）变异株之后，更具传染性的Delta（B.1.617.2）变异株目前多个国家和地区流行。从7月20号到目前为止，国内感染Delta毒株的病例不断上升。Delta变异株S序列的N-末端结构域（NTD）和RBD（L452R和T478K）上存在突变，这使得该毒株具有传播速度快、传播范围广、体内复制快、症状不典型、转阴时间长等特点，目前已成为全球新冠大流行的主要病毒株［55］。L452R可能通过诱导结合域的结构变化来促进S蛋白和血管紧张素转换酶2（ACE2）结合，从而削弱抗体的中和作用［56］。Delta变异株所特有的T478K突变可导致某些抗体谱系中和能力丧失，与免疫逃避密切相关［57］。研究表明，BNT162b2疫苗对Delta、Alpha和Beta变种的疫苗效力分别约为88%、93%和 75.0%［56，58］。mRNA-1273 疫苗对 Gamma和 Delta变异株保护效力为95.5%和86.7%［59］。ChAdOx1 nCoV-19疫苗对Delta和Alpha的有效率为66%和70.4%［60-61］。

Omicron（B.1.1.529）变异株于 2021年 11月26日被 WHO 指定为值得关注变种（VOC）［62］。Omicron包含许多其他VOC中已报道的突变，其中仅S蛋白就包含至少32个突变，而具有高度传染性的Delta变异株中只有16个突变［63］。关于Omicron变异株的进化模式，目前有以下几种说法：（1）由COVID-19慢性感染患者之间的潜在循环引起，（2）病毒在缺少监测的人群中完成传播和进化，（3）在非人类物种中进化而来［64］。关于Omicron变异株的来源、传播效力和致死性等问题，以及高度突变对宿主免疫调控的影响、现有疫苗的免疫保护效率等临床数据仍需继续研究。

5 展望

当前一代疫苗对Delta变异株仍有一定的保护效果［56，60］，而目前还没有关于针对Omicron变异株的疫苗有效性完整数据。Delta变异株相关疫情发展表明突破性感染病例的出现是无法避免的。随着新冠肺炎大流行的持续，必须要密切监测新突变或突变组合对病毒传播、发病机制以及疫苗和治疗效果的影响。目前全球尚无针对变异株的疫苗。S蛋白的快速变异导致中和抗体的结合能力下降，疫苗接种后抗体水平随时间逐渐下降［65］。有研究表明，感染新冠肺炎后7个月的康复患者体内的中和抗体水平下降，但T淋巴细胞免疫持续存在［66］。对SARSCoV的研究显示，与抗体反应相比，SARS-CoV特异性T细胞对病毒的反应可以维持更长时间［67］。因此研制新一代新冠病毒疫苗时可将T细胞免疫保护作用纳入考虑。细胞毒性T细胞可以通过杀死病毒感染的细胞来清除感染［68］，靶向SARS-CoV-2病毒蛋白的特异性T细胞免疫在新冠预防和病毒清除中发挥着重要作用［69］，目前已有研究团队筛选出H2-Db/N219-227等N蛋白来源的T细胞表位，可诱导强烈的CD8+T细胞反应，这为基于高度保守的T细胞抗原表位的“通用性”多肽疫苗开发奠定了基础［70-71］。体液免疫和细胞免疫反应之间的平衡对于预防新冠肺炎和避免疫苗增强型疾病至关重要。目前已上市的部分疫苗在诱导中和抗体的同时也可以诱导 CD4+或 CD8+T 细胞应答［21，25，27］，但是存在中和抗体的情况下，细胞免疫反应的持续性是否能够防止SARS-CoV-2再次感染或降低感染的严重程度尚未可知，仍需要进一步探索。

随着新冠病毒的不断变异，疫苗接种比以往任何时候都更加重要。即使现在越来越多的数据表明疫苗不能完全防感染，但是疫苗可以防重症，在面对越来越多的新冠变异毒株，仍然需要疫苗的保护［72］。全球抗疫工作正稳步推进，多个国家和地区政府出台关于推进疫苗接种工作的政策，全球疫苗接种已进入加速阶段。疫苗联盟（GAVI）等国际组织进行合作，以确保获得足够的疫苗研发资金，保证公平疫苗分配供应。相信在科学的指导下，人类终将战胜新冠病毒的挑战和威胁。