开发HIV-1疫苗面临的挑战

摘要

自HIV-1被确定为艾滋病的病原体以来已有25年^1–5。全世界有6000多万人感染了HIV-1，其中大多数在发展中国家，其中近一半已经死亡。开发安全有效的HIV-1疫苗无疑是最终控制全球艾滋病大流行的最佳解决方案⁶但不幸的是，HIV-1疫苗开发工作尚未证明成功。HIV-1的非凡多样性、病毒逃避适应性免疫反应的能力、无法诱导广泛反应性抗体反应、潜在病毒库的早期建立以及缺乏明确的免疫保护相关性，这些都是疫苗开发面临的前所未有的挑战。

HIV-1疫苗的目标是预防感染或减少感染后的病毒载量和临床疾病进展(图1). 理想的疫苗将完全阻止感染，并提供杀菌免疫。尽管这种疫苗是最佳的，但大多数临床许可的疫苗甚至无法实现这种程度的保护。相比之下，大多数获得许可的病毒疫苗似乎通过控制亚临床病毒复制和预防临床疾病发挥作用。因此，开发一种不太理想的HIV-1疫苗可能更为现实，这种疫苗不能预防感染，但可以对感染后的病毒复制提供部分免疫控制。这种部分控制，如感染后峰值和设定值病毒载量的减少，已在某些临床前研究中通过疫苗诱导T淋巴细胞反应得到证明。此外，由于病毒载量是HIV-1传播的主要决定因素⁷可以想象，这种部分保护性疫苗可能会对人口水平产生重大影响。

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图1

HIV-1疫苗的目标

感染后，HIV-1以指数方式复制到峰值水平，然后部分控制到病毒设定值水平（黑色）。左边，一种理想的疫苗可以防止感染并提供杀菌免疫（红色）。没错，次优疫苗会导致感染后病毒载量峰值和设定值降低（红色）。

尽管迫切需要HIV-1疫苗，但迄今为止只有两种疫苗概念完成了临床疗效研究。第一个疫苗概念使用单体HIV-1 Env gp120蛋白候选疫苗，该策略的目的是诱导环境特异性体液免疫反应。在早期临床试验中，gp120免疫原诱导了类型特异性结合抗体，但未能诱导广泛反应性中和抗体（NAbs）^8,9在生物技术公司VaxGen赞助的两项第3阶段疗效试验中，这些候选疫苗没有检测到保护效果^10,11表明这些类型特异性抗体反应不足以保护人类免受HIV-1感染。另一项评估重组金丝雀痘载体引物gp120蛋白增强疫苗方案疗效的第三阶段研究目前正在进行中。完成临床疗效研究的第二个疫苗概念涉及表达HIV-1 Gag、Pol和Nef的复制不全、重组腺病毒血清型5（rAd5）载体。该策略的目的是诱导HIV-1特异性细胞免疫反应。早期临床试验表明，基于rAd5载体的疫苗在大多数受试者中引发了细胞免疫反应，尽管这些反应在已有Ad5特异性NAbs的个体中部分受到抑制¹²默克公司和美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）赞助的2b期疗效试验意外终止，因为第一次计划中的中期分析表明，该疫苗未能预防感染或减少感染后的病毒载量，并且含有预先存在的Ad5特异性NAbs的疫苗显示出HIV-1感染率增加收购¹³这些结果突出了新的科学挑战，并引发了关于HIV-1疫苗领域最佳前进道路的实质性辩论。

病毒学和免疫学挑战

预防性HIV-1疫苗的开发面临前所未有的挑战(方框1). HIV-1在世界范围内的巨大多样性可能是最大的障碍¹⁴在易出错的逆转录酶的驱动下，HIV-1 M组已分化为九个分支以及多种循环重组形式。Env的氨基酸序列在一个特定分支内的差异可达20%，在分支间的差异可达35%以上^14,15因此，疫苗免疫原需要与高度的病毒多样性相抗衡，疫苗的保护必然取决于免疫反应与高度异源病毒的交叉反应能力。尽管已经报道了针对病毒保守区域的交叉反应性体液和细胞免疫反应，但可以合理地假设，随着疫苗抗原和感染病毒之间的差异越来越大，保护效力将大大降低。

另一个关键挑战是人类缺乏明确的免疫相关保护，因为HIV-1感染者无法根除病毒。非人类灵长类动物的病毒挑战性研究和自发控制病毒复制到极低水平的HIV-1感染个体的研究可能提供了有关免疫保护相关性的提示性证据。然而，只有在成功进行人类疫苗效力研究的情况下，才可能出现明确的免疫保护相关性。

当前HIV-1疫苗策略

STEP研究

临床研究

默克HIV-1候选疫苗是由表达HIV-1分支B Gag、Pol和Nef的rAd5载体的三价混合物配制而成。第一阶段临床试验表明，该疫苗在大多数志愿者中具有良好的耐受性和免疫原性¹²然而，正如临床前研究预测的那样⁶¹，在已有NAbs的个体中，对该疫苗载体的反应被部分抑制。自美国和西欧30-40%的人以及撒哈拉以南非洲80-90%的人之前存在Ad5特异性NAbs以来^78–81，抗载体免疫的影响预计是rAd5载体的限制。

默克公司和美国国立卫生研究院发起了两项2b期“证明概念”疗效研究，以确定该疫苗方案诱导的HIV-1特异性细胞免疫反应是否会预防HIV-1感染或减少感染后的病毒载量。HVTN 502，也称为“STEP”研究，是在美洲、加勒比和澳大利亚进行的3000个主题研究。HVTN 503也被称为“Phambili”（在科萨语中是“向前迈进”的意思），是在南非设计的一项3000个平行课题研究。

2007年9月18日，HVTN 502在第一次计划的中期分析中意外终止，数据和安全监测委员会宣布该研究在实现其主要终点方面无效¹³此外，在已有Ad5-NAb滴度的受试者中，与安慰剂受试者相比，疫苗受试者发生的HIV-1感染数量更多(图2). 尽管这一观察的生物学基础尚不清楚，但这些数据表明，接种rAd5载体可能会增加该亚组感染HIV-1的风险。事后多因素分析进一步表明，增加风险最大的是那些之前患有Ad5 NAbs且未接受过手术的男性。

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图2

STEP研究中登记的男性HIV-1累积感染情况按预先存在的Ad5-NAb滴度分层

描述了截至2007年10月17日，参与评估默克rAd5-Gag/Pol/Nef疫苗的STEP研究（HVTN 502）的男性的累积感染情况。疫苗（红色）和安慰剂（蓝色）中的感染在个体中显示为按预先存在的Ad5特异性NAb滴度分层。数据表示修改后的意向治疗人群。由默克研究实验室迈克尔·罗伯逊博士提供。

目前尚不清楚STEP研究中疗效的缺乏是否仅仅代表默克rAd5-Gag/Pol/Nef疫苗产品的失败，或者这是否预示着T细胞疫苗概念的整体失败。对随后感染的疫苗进行详细的免疫学分析可能会得出大量数据，rAd5-Gag/Pol/Nef疫苗可能无法诱导足够数量、广度或质量的细胞免疫反应⁸²因此，目前将这项单一研究的失败视为基于T细胞的疫苗的失败似乎为时过早。

预先存在Ad5特异性NAbs的疫苗接种者感染HIV-1的风险明显增加，这是意料之外的，这一发现突显出我们对决定HIV-1感染易感性的参数缺乏了解。这一观察的生物学基础尚不清楚。一种假设是，在已有Ad5特异性NAbs的个体中接种rAd5疫苗后，记忆性Ad5特异CD4+T淋巴细胞可能增加了HIV-1感染的靶点。然而，早期数据表明，与没有预先存在的Ad5特异性NAbs的个体相比，接种rAd5疫苗后的Ad5特异性T淋巴细胞反应实际上更低（J.McElrath，未发表的数据）。另一种假设是，Ad5特异性NAbs在免疫后可能具有调理的rAd5载体，并可能导致不同的向性或炎症反应。此外，先前存在的Ad5特异性NAb可能是其他尚未确定的混杂变量的标记。

向前迈出一步？

尽管STEP研究的结果令人失望，但已经吸取了一些关键经验教训。首先，很明显，走向HIV-1疫苗的道路既不简单也不简单。其次，了解对疫苗载体的系统和粘膜免疫反应的重要性至关重要。第三，HIV-1获得的生物决定因素以及载体特异性和抗原特异性粘膜免疫反应可能对这一过程产生的影响需要深入研究。第四，临床疫苗研究将需要适应STEP研究提出的安全问题，例如可能将先前存在NAbs的受试者排除在使用的疫苗载体中，直到对这一现象有更全面的了解。第五，只有当未来的基于T细胞的候选疫苗明显优于失败的同源rAd5-Gag/Pol/Nef方案时，才应将其优先用于临床疗效研究。第六，应根据STEP研究重新校准非人灵长类动物挑战模型，以帮助指导未来疫苗开发。

同源rAd5方案对SHIV-89.6P的保护作用表明，该模型缺乏足够的严格性来评估基于T细胞的候选疫苗。虽然在成功进行人类临床疗效研究之前，不能认为更严格的SIV挑战模型是有效的，但利用SIVmac239或SIVmac251作为挑战病毒来评估下一代候选疫苗似乎是合理的(方框3). 临床前挑战性研究需要有足够的动力和足够的随访时间，疫苗的时间表和剂量应模拟拟议的临床方案。为了达到最佳严格性，研究应排除表达MHC I类等位基因的恒河猴，这些等位基因与有效的病毒学控制特别相关，如Mamu-A*01、Mamu-B*17和Mamu-B*08。还应避免使用同源Env抗原，这种抗原可能会过度高估保护效果。粘膜挑战可能比静脉挑战具有某些生理优势，因此应开发这些挑战模型。最后，应更加重视评估有希望的候选疫苗对高度异源性SIV挑战的防护能力，因为人类感染病毒几乎肯定是任何疫苗序列的异源性。由于迄今为止很少进行外源性SIV挑战性研究，一种实用的方法可能是确定有希望的候选疫苗对同源和异源SIV挑战的保护效力。目前，由于该模型预测临床疗效研究结果的能力尚不清楚，因此是否应将非人灵长类挑战性研究作为正式的“把关人”，将候选疫苗推进临床疗效研究尚存在争议。然而，合理的做法似乎是相对优先开发候选疫苗，以便在SIV挑战后持久控制设定值病毒载量。

STEP研究对该领域的其他HIV-1疫苗项目产生了重大影响。HVTN 503被终止，因为它使用了HVTN 50 2中使用的基于rAd5的候选疫苗。美国国立卫生研究院疫苗研究中心开发了一种表达B分支Gag-Pol和多分支Env抗原的DNA引物、rAd5增强疫苗方案。在第一阶段研究中，该候选疫苗已被证明对大多数个体具有免疫原性，尤其是对Env抗原^62,68,83在临床前研究中，表达SIV Gag、Pol、Nef和Env抗原的DNA引物rAd5增强疫苗方案在同源SIVmac251攻击后112天内使病毒峰值载量减少1.1 log⁷⁷使用该疫苗未观察到设定值病毒载量的持久控制，尽管明显延迟了AIDS相关死亡率的进展⁷⁷NIAID最近宣布，它不会继续进行一项名为PAVE 100的大型2b期疗效研究，尽管仍在考虑对这种候选疫苗进行一项规模较小、重点更突出的疗效研究⁸⁴DNA引物、痘病毒增强方案也正在利用MVA进行评估⁶⁹和NYVAC⁷⁰载体和1期临床试验已证明大多数志愿者具有免疫原性。然而，所有这些项目的核心是这样一个假设，即在载体增强之前启动DNA将提高保护效果。这在一些⁷²但不是全部⁷⁷SIV挑战性研究，因此它仍然是一个需要进一步调查的未决问题，应被视为高度优先事项。

来自人类罕见的Ad血清型的新型rAd载体也正在研究中，作为一种策略，以避开预先存在的Ad5特异性NAbs。与rAd5载体相比，这种载体有望通过绕过预先存在的载体特异性NAb而提供免疫学和安全性优势。然而，这些可能性尚未在临床试验中得到证实。目前的策略包括开发罕见的血清型rAd26、rAd35和rAd48载体^78,79,85; 交换了显性Ad5特异性NAb表位的嵌合rAd5HVR48载体⁸⁶; 和非人类rAd载体^87,88罕见的血清型rAd载体与rAd5载体在细胞受体、向性、细胞内运输途径和先天免疫特征方面存在生物学差异。此外，与rAd5载体相比，rAd26和rAd48载体诱导的T淋巴细胞反应具有明显不同的表型⁸⁹，并且可以利用血清学上不同的rAd载体构建有效的异源rAd启动子-启动子方案。我们最近证明，表达SIV-Gag的异源rAd26引物、rAd5增强方案在对Mamu-a*01-阴性恒河猴进行SIVmac251攻击后，可持久降低设定值病毒载量2.4 log，而同源rAd5方案在这种严格的攻击模型（D。Barouch，未发布数据）。这些数据表明，与同源rAd5方案相比，能够引起T淋巴细胞反应幅度、广度和质量改善的候选疫苗可能具有更好的保护效果。

前景和未来方向

在很大程度上，HIV-1疫苗科学仍处于初级阶段。主要的未解决问题仍然存在，除了临床前研究和临床试验外，还需要重新致力于基础发现研究，以推动该领域的发展。目前，专注于回答特定科学假设而非专门针对产品开发的临床试验可能对该领域最为有用。与同源rAd5方案相比，某些疫苗方案，如异源rAd原辅方案，可能会提高反应的幅度、广度和质量。新的抗原概念，如集中共识^90,91和马赛克⁹²免疫原，也可能导致细胞免疫反应的广度增加和病毒多样性的覆盖率提高。

也许最重要的研究重点应该是开发改良的Env免疫原以诱导广泛反应的NAbs。鉴于这个问题的范围，需要对Env糖蛋白的结构、功能和免疫原性进行更多的基础研究。应追求创新和高风险的想法，并应在临床前研究和最终临床研究中尽快测试有希望的方法。最终，由诱导T淋巴细胞和NAbs的单独疫苗成分组成的联合疫苗可能会被证明是最佳的。因此，应同时开发改进的基于T细胞和基于抗体的疫苗策略。

为了实现这些目标，吸引和留住有才华的新调查员到现场至关重要。因此，应扩大资助计划，鼓励初级研究人员探索解决该领域关键问题的创新想法。鉴于HIV-1领域目前面临的科学挑战，高级研究人员和资助组织都应将增加对研究员和初级教师的支持和鼓励视为首要任务。工业界继续参与HIV-1疫苗领域也很重要，因为生物技术和制药公司拥有学术界、政府和非营利组织所没有的关键知识和能力。

目前的一个争论是，HIV-1疫苗领域是否能够“承受”另一项疫苗效力研究的失败。对于HIV-1来说，科学挑战是巨大的，因此测试任何新疫苗概念的风险也是巨大的。显然，将候选疫苗推进疗效试验的决定应该具有高度选择性，并基于对临床前和临床数据的严格透明分析。然而，除了进行临床疗效研究外，没有办法确定一种潜在的有希望的候选疫苗是否能够为人类提供保护。因此，可能需要进行多项疗效试验，许多概念无疑会失败。因此，我们应该准备接受疗效研究的多次失败，作为最终成功开发安全有效的HIV-1疫苗的预期途径的一部分。

致谢

脚注

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