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没人敢这么做!从MenB到RSV再到AI,这个科学家三次定义疫苗未来!

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如果让你想象一个科学家在职业生涯中完成一次重大技术突破,这已经足够令人敬佩。但如果他不仅完成了一次,而是连续三次改写整个领域的设计规则,从B群脑膜炎球菌(MenB)到呼吸道合胞病毒(RSV),再到人工智能驱动的疫苗设计——这个人就是Rino Rappuoli,一个用“反向思维”重新定义疫苗学的传奇人物。


第一次革命:当基因组学“反着来”

20世纪以前,疫苗研发遵循着一个简单直接的逻辑:找到病原体,把它杀死或减毒,然后注射到人体。对于能培养的细菌和病毒,这个方法确实管用。但有一个致命的缺陷:对于那些难以培养、或者表面抗原高度变异的病原体,传统方法往往束手无策。

B群脑膜炎球菌(MenB)能引起脑膜炎和败血症,在几小时内夺走儿童和年轻人的生命。然而,它的荚膜多糖与人类自身组织中的分子结构相似,无法直接用作疫苗。更棘手的是,它表面那些可诱导保护性免疫的蛋白质,序列变化极大——就像流感病毒每年都要换“外套”一样,MenB也在不断改变自己的“面孔”。

在过去40年里,科学家们用传统方法只找到了十几种可能的抗原。而Rappuoli在2000年提出的“反向疫苗学”,彻底颠覆了这一模式。


传统方法是“从菌到蛋白”:先培养细菌,再把细菌“拆解”成单个成分,逐一测试它们的免疫保护能力。而反向疫苗学则是“从基因到蛋白”:先测出病原体的全部基因序列,通过计算机分析预测哪些基因可能编码表面蛋白,然后克隆表达、筛选鉴定。

这个“反向”思维带来了几个革命性突破:第一,不需要培养病原体,危险细菌也能安全研究;第二,可以预测病原体在感染人体时表达的抗原,而不只是在实验室培养皿中表达的;第三,能在极短时间内筛选出大量候选抗原。

当Rappuoli的团队将这种方法应用于MenB时,结果令人震惊:在18个月内,他们发现了85种新型表面蛋白,其中25种能诱导杀菌抗体——这个数字是过去40年传统方法发现数量的数倍。更重要的是,这些新发现的抗原大多是高度保守的球形蛋白,不受序列变异的影响。


这一成果最终催生了4CMenB疫苗——全球首个基于反向疫苗学技术获批的疫苗,也是目前唯一能广泛覆盖B群脑膜炎球菌的疫苗。它包含了三种重组蛋白抗原(fHbp、NadA、NHBA)和外膜囊泡(OMV),能诱导针对78%流行菌株的杀菌抗体。

第二次革命:结构生物学精准锁定RSV

如果说反向疫苗学解决的是“找抗原”的问题,那么第二次革命则是回答“如何让抗原呈现最佳保护构象”。

呼吸道合胞病毒(RSV)的F蛋白会“变形”:感染前是融合前构象,进入细胞后转变为稳定的融合后构象。2013年研究发现,人体自然感染后产生的保护性抗体,绝大部分针对的是不稳定的融合前构象——这正是传统疫苗屡屡失败的关键。

Rappuoli团队“反着来”:从康复者体内找到最有效的保护性抗体D25,其中和能力是当时唯一获批抗体的10到100倍。通过解析抗体与F蛋白的复合物结构,他们发现D25识别的是一个位于蛋白顶端的“超敏感位点”:抗原位点Ø。这个发现为后续稳定融合前构象、设计RSV疫苗奠定了基础。


接下来的挑战是:如何在没有D25抗体存在的情况下,让F蛋白自己稳定在这个融合前构象?

团队在F蛋白中引入了一系列突变:有的形成二硫键把蛋白“锁住”,有的填充疏水空腔让结构更紧密。经过上百次尝试,他们筛选出DS-Cav1组合——一个能耐受极端pH、温度和渗透压变化的稳定融合前构象。

当用DS-Cav1免疫小鼠和恒河猴时,诱导的中和抗体滴度是融合后构象疫苗的5-10倍,是保护性阈值的40倍。更重要的是,这些抗体同时能有效中和RSV的A和B两个亚型。

2023年,基于这一技术研发的RSV疫苗(Arexvy)获得FDA批准上市,成为全球首个获批的RSV疫苗。从发现D25抗体到疫苗获批,历时10年——这在传统疫苗研发史上已经算“光速”,但Rappuoli的第三次革命,将这个时间压缩到了几天。

第三次革命:AI让疫苗设计进入“天”时代

2022年,猴痘病毒在全球蔓延。虽然天花疫苗对猴痘有一定交叉保护,但全球大多数年轻人从未接种过,且传统疫苗效力有限。

Rappuoli团队决定用人工智能加速研发,提出了“反向疫苗学3.0”:将反向疫苗学、结构生物学与AI蛋白预测技术深度融合。

传统反向疫苗学始于基因组序列,预测表面抗原。而3.0版本更进一步:直接从感染康复者的记忆B细胞中分离抗体,通过高通量筛选找到最有效的广谱中和抗体,再用AI预测这些抗体识别的是哪个抗原。

团队从猴痘感染者或疫苗接种者的外周血中分离记忆B细胞,用混合病毒颗粒筛选出能同时中和成熟病毒和包膜病毒的抗体。最终,他们获得了一组前所未有的广谱中和抗体,能交叉中和猴痘的不同进化支,甚至能中和天花病毒。

接下来是关键一步:用AlphaFold 3预测这些抗体识别的抗原。输入抗体序列和猴痘病毒所有表面抗原序列后,AI模型在5天内给出了两个高置信度预测——OPG153,一个此前从未被发现的病毒蛋白。随后,冷冻电镜结构解析证实了AlphaFold 3的预测完全正确。

用纯化的OPG153蛋白加佐剂免疫动物,诱导的中和抗体滴度与活减毒疫苗相当,不逊于任何多价mRNA疫苗。更令人惊讶的是,这个单价的抗原就达到了多价疫苗的效果。

从抗体筛选到抗原发现,整个过程仅用几个月,而AI预测环节只用了5天。

未来已来:AI正在重新定义疫苗

从2000年反向疫苗学,到2013年结构疫苗学,再到今天AI驱动的第三代,Rappuoli三次改写了疫苗设计规则。每一次变革,都是对前一阶段的反思与超越。


如今,AI不仅加速抗原发现,更重塑了整个设计流程。当然,挑战依然存在——AlphaFold 3对猴痘抗原的预测成功率只有25%,AI模型严重依赖高质量数据,在系统疫苗学、佐剂机制等领域,这样的数据集远未形成。

但方向已经清晰:疫苗研发正从“试错”转变为一门“设计”的科学。正如Rappuoli所说:“我们不再等待感染发生,再观察谁产生了保护性抗体。我们可以直接问:什么是完美的免疫原?然后去设计它。”

不是被动等待,而是主动创造——这才是“反向疫苗学”最深刻的启示。

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11257410/

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