疫苗是如何工作的？

在2020年的过程中，世界屏息关注着生物技术公司在不到一年的时间里开发、测试和发布了针对导致新冠肺炎的新型冠状病毒病毒的疫苗。

在某些方面，这些疫苗颠覆了之前的疫苗模式；它们在更短的时间内部署，这是首次使用和大规模生产mRNA疫苗。但是，所有新冠肺炎疫苗背后的科学是基于几十年来对传染病、人类免疫系统和疫苗接种的研究。

那么疫苗到底是如何工作的，新冠肺炎疫苗与其他疫苗相比如何？我们来分解一下。

什么是疫苗？

疫苗是一种化合物，它教会你身体的免疫系统识别并防御致病细胞和分子。

大多数疫苗训练免疫系统识别细菌和病毒，或这些病原体产生的分子。然而今天，疫苗也存在，以帮助人类免疫系统寻找并摧毁癌细胞。

“疫苗可以让身体以几种不同的方式识别特定的蛋白质，”他说纳迪亚·罗恩博士，格莱斯顿的一名助理调查员。”但它们背后的基本思想都是一样的.”

没有疫苗，免疫系统如何对抗病菌？

为了解释疫苗是如何工作的，它有助于支持和解释人体通常如何处理细菌。当病原体进入人体时，作用广泛的先天免疫系统是第一道防线。属于先天免疫系统的白细胞破坏细菌，并激活更有针对性的第二道和第三道防线来提供帮助。

在被要求采取行动后，这些更特定的免疫细胞——统称为适应性免疫系统——繁殖，其中一些甚至在感染清除后仍然存在。这些记忆B细胞和记忆T细胞巡视着身体，警惕着同一病菌的再次出现。这意味着下一次当人暴露于该病原体时，适应性免疫系统可以更快地做出反应，在细菌或病毒有机会致病之前将其摧毁。

病原体进入人体后，第一道防线是先天免疫系统，然后激活更有针对性的第二道和第三道防线来帮助。

如果你把免疫系统想象成一座城堡的防御，那么先天免疫系统的细胞可能就是在城堡外面玩耍的小侍从。他们密切注意敌人，如果他们发现一些陌生人，挥舞着他们的剑，提醒里面的骑士。骑士们在参加战斗前需要一些时间来穿上盔甲。

拖延期间，战斗变得混乱；侍从受伤，入侵者潜入城堡。在战斗最终获胜后，骑士们——我们比喻中的适应性免疫系统——已经吸取了教训。他们在城堡的墙上设置了训练有素的警卫，以便在潜在的入侵者回来时迅速识别他们。

疫苗是如何工作的？

疫苗的目标是教会适应性免疫系统识别外来细胞，而不是让我们生病的最初感染。在我们的城堡比喻中，这意味着训练城堡骑士发现他们从未遇到过的入侵者。

在所有疫苗中，身体都暴露于——通过注射、药丸、滴管或喷雾——某种不能致病的病原体片段或版本。这一块叫做抗原。

还有另一个因素。如果你让手无寸铁的入侵者在城堡周围游荡，骑士可能不会认为他们是威胁。它们——以及适应性免疫系统——需要指令来知道何时发出警报。

“使疫苗真正有效的关键之一是，分子通常必须伴随着危险信号，称为佐剂，”罗恩说。”这有助于告诉免疫系统注意.”

因此，疫苗通常是与抗原配对的佐剂。

有哪些不同种类的疫苗？

疫苗的主要区别在于它们使用的抗原类型。一些疫苗包含完整的灭活病毒。其他人只使用来自病原体的一种小蛋白质——刚好够适应性免疫系统学习识别它。以下是一些主要类型的疫苗。

一些疫苗包含完整的灭活病毒，而另一些疫苗仅使用病原体的一种小蛋白。

减毒活疫苗

这些疫苗使用一种通常不会让人生病的弱化细菌。对于我们的骑士来说，这就像教他们通过带一群没有剑的俘虏敌人来识别入侵者。

“减毒病毒可以感染细胞，但它们不会导致疾病，只是逐渐消失，”罗恩说。“尽管如此，减毒病毒随着时间的推移可能会转变成毒性更强的形式。因此，我们不会对一些更危险的病毒使用这些技术，因为这被认为风险太大。”

活疫苗通常用于预防麻疹、腮腺炎、风疹、轮状病毒和水痘等疾病。

灭活疫苗

灭活疫苗使用病原体的灭活版本。灭活疫苗包括甲型肝炎、流感和狂犬病疫苗，以及由中国国药控股和北京科兴生物制品有限公司生产的新冠肺炎疫苗。

“这些真的只是含有病毒的尸体，”罗恩说。”它们根本没有能力感染细胞。”

在城堡的比喻中，这就像教骑士通过展示死去入侵者的尸体来识别敌人。

类毒素疫苗

在某些情况下，真正的危险不是入侵者本身，而是他们留下的地雷。骑士们也可以接受训练来识别它们，以便在未来快速发现并拆除它们。这就是类毒素疫苗的原理，它含有由病毒或细菌产生的毒素，而不是细菌本身。白喉和破伤风疫苗是类毒素疫苗。

在接触其中一种疫苗后，适应性免疫系统不会识别白喉或破伤风致病细菌本身，但它会识别并摧毁细菌产生的任何毒素，以免致病。

“大多数疫苗的总体目标实际上不是防止感染，而是防止你生病。”

华纳格林，医学博士，哲学博士

亚单位疫苗

并非所有的病毒都产生独特的毒素，但所有的病毒都是由人体内没有的过多分子组成的。如果适应性免疫系统能够识别其中的一种，它就可以发起针对病毒的攻击。

亚单位疫苗使免疫系统暴露于病毒的一种或几种蛋白质。这类似于教我们的骑士通过展示入侵者的盔甲来识别入侵者。乙型肝炎、人乳头瘤病毒(人乳头瘤病毒)、百日咳和带状疱疹的普通疫苗是亚单位疫苗。

由于现代基因工程，有可能大规模生产构成亚单位疫苗的单个病毒蛋白，这被认为是比培养大量病毒用于减毒或灭活疫苗更安全的方法。

mRNA疫苗

mRNA疫苗不包括病毒或病毒本身的一部分，而是包含遗传指令——以mRNA的形式，代表信使RNA——来制造病毒的一部分。

“这意味着我们自己的细胞可以产生病毒蛋白质，然后这些蛋白质被免疫系统感知到，”Roan说。

和亚单位疫苗一样，mRNA疫苗产生的病毒蛋白没有毒性，不会致病。

几十年来，科学家一直在试验mRNA疫苗，主要是为了找到保护脆弱的mRNA分子免受血液和细胞破坏的方法。该技术在第一次冠状病毒流行(SARS和MERS)期间得到完善，但由于这些流行病迅速消退，疫苗没有得到使用。当新型冠状病毒出现时，科学家们修改了疫苗中的RNA，以匹配新型冠状病毒。

在我们隐喻的城堡中，一个mRNA疫苗就像是给城堡提供了一份制作一件敌人盔甲的指导手册。一旦城堡的铁匠根据这些指示制作出大量的棋子，骑士们就可以检查它们，并在将来学会识别它们。

新冠肺炎疫苗包括mRNA疫苗(辉瑞-BioNTech和Moderna)以及病毒载体疫苗(Novavax和强生)。摄影:迈克·程凯/UCSF

辉瑞-BioNTech (Comirnaty)和Moderna (Spikevax)新冠肺炎疫苗都是mRNA疫苗。它们都包括在新型冠状病毒病毒表面发现的刺突蛋白的mRNA指令。

mRNA疫苗优于亚单位疫苗的一个优点是，它比具有良好抗原特性的病毒蛋白更容易大量生产mRNA。然而，mRNA只在低温下稳定，因此mRNA疫苗的运输和储存必须小心控制，这使得分发它们具有挑战性，特别是在资源有限的情况下。

病毒载体疫苗

像mRNA疫苗一样，病毒载体疫苗传递病毒亚单位的指令，而不是亚单位本身。但是，虽然mRNA疫苗以mRNA链的形式包含这些指令，但病毒载体疫苗有一条DNA链包裹在无害的病毒内，可以将指令传递到细胞中。

然而，为了让细胞产生病毒蛋白，DNA必须首先被转化成mRNA这意味着病毒载体疫苗需要细胞在病毒亚单位为适应性免疫系统做好准备之前采取额外的步骤。

Novavax和强生新冠肺炎疫苗是病毒载体疫苗(有时也称为腺病毒疫苗)。他们都使用引起普通感冒的无害病毒携带新型冠状病毒刺突蛋白的DNA。

“mRNA疫苗和腺病毒疫苗是将病毒蛋白蓝图导入我们细胞的两种不同方式，”Roan说。

在城堡中，病毒载体疫苗可能意味着中立士兵出现在城堡门口，传达生产敌人盔甲的指令。但是说明书是用另一种语言写的。在分配给铁匠生产之前，它们必须被翻译。

“与新冠肺炎的mRNA疫苗相比，腺病毒病毒载体既有优点也有缺点，”他说医学博士梅勒妮·奥特，格莱斯顿病毒研究所主任。“一方面，与mRNA疫苗相比，病毒载体疫苗是坚固的‘引擎’，可以承受更大的温度变化，使它们更容易储存和分配。但另一方面，它们的生产比mRNA疫苗更复杂，有些疫苗含有免疫原性较低的刺突蛋白，导致保护作用较低。”

注射mRNA疫苗后体内会发生什么？

目前针对新冠肺炎的mRNA疫苗是肌肉注射——在你的上臂打一针。注射后，疫苗中包含的mRNA链被手臂肌肉中的细胞吸收。细胞将mRNA翻译成一种蛋白质——新型冠状病毒刺突蛋白——然后释放到体内。

世界各地的科学家继续努力更好地了解人类免疫系统如何对不同类型的疫苗做出反应，以提高它们的效力。这里显示的是马修·麦格雷戈在格莱斯顿的罗恩实验室工作。

疫苗中的mRNA不会改变你的DNA，也不会长期留在你的细胞中。几天之内，细胞内的酶将破坏脆弱的mRNA链，肌肉细胞将停止制造病毒刺突蛋白。

随着刺突蛋白在体内循环，先天免疫系统将其识别为外来物，开始与该蛋白和产生该蛋白的细胞进行斗争，并向适应性免疫系统发出警报。这个过程是逐渐发生的，适应性免疫系统需要几周时间来学习识别刺突蛋白，并建立一个针对它的记忆B和T细胞的驻军。

总之，尽管mRNA疫苗是一种新型疫苗，但它们是基于细胞生物学和免疫学的可靠原则。

“我们非常了解mRNA，”罗恩说。“总的来说，对疫苗的整个反应是基础免疫学，这一点已经得到很好的确立和理解。这一切都是为了激发记忆B细胞和记忆T细胞对抗抗原。”

为什么有些疫苗是口服的，有些是鼻腔注射的，还有一些是注射的？

虽然免疫系统从我们的头部延伸到我们的脚趾，但许多免疫反应非常局限；当你的拇指被割伤时，疼痛和肿胀通常仅限于你的拇指。同样，当病毒通过我们的喉咙或肺部进入人体时，与身体其他部位相比，这些区域的记忆T细胞和记忆B细胞水平保持最高——这是这些细胞防止相同病毒未来入侵的理想位置。

这就是为什么科学家们正在努力开发疫苗，将免疫反应集中在病原体进入的部位。一些这种类型的疫苗已经存在，尽管它们仍然很少。

例如，给予婴儿和儿童的轮状病毒疫苗是口服疫苗；轮状病毒会导致肠胃发炎，当疫苗刺激这些器官的免疫力时，效果最佳。今天，美国美国食品药品监督管理局(FDA)批准的唯一鼻腔疫苗是用于流感(FluMist)，但许多研究人员认为新冠肺炎将是鼻腔疫苗的理想候选人。

“目前的新冠肺炎疫苗旨在引发全身强大的系统免疫，”罗恩说。“但从长远来看，我们遇到新型冠状病毒的呼吸道中的抗体水平似乎不足以阻止病毒在那里感染。”

因此，尽管注射新冠肺炎疫苗可以很好地保护我们免受疾病的侵害，但鼻腔疫苗可能具有更好地预防感染的额外优势，或许还能限制传播。

疫苗接种项目的最终目标是什么？

即使是最训练有素的骑士也不能总是阻止入侵者找到新的方法潜入城堡。但是他们可以防止城堡被完全占领。

同样，不是所有的疫苗都能防止病原体进入我们身体的细胞并使我们生病。事实上，病毒感染的许多症状是我们的免疫系统对抗病原体的副作用。疫苗可以通过在引发过度免疫反应之前阻止入侵来降低严重疾病和住院的风险。

“人们通常认为疫苗是为了预防感染，但几乎没有疫苗完全阻止感染，”说华纳·格林，医学博士，迈克尔·赫顿艾滋病治疗研究中心主任。“例如，如果你接种了脊髓灰质炎疫苗，然后暴露于该病毒，脊髓灰质炎仍会进入你的肠道并感染细胞。但是你的免疫系统会在它到达你的脊髓之前拦截它。大多数疫苗的总目标实际上不是防止感染，而是防止你生病。”

几十年的研究表明，疫苗是保护人群免受严重疾病的安全有效的方法。照片:芭芭拉·里斯/UCSF

人们认为接种疫苗可以预防感染的原因可能是，大多数人已经接种了几代人的普通病原体疫苗，如麻疹和脊髓灰质炎疫苗。因此，这些病原体很少在流通，接种疫苗的人遭受突破性感染的机会非常低。

但像流感(变异迅速)或新型冠状病毒(传播广泛且极具传染性)这样的病原体就不那么容易被疫苗控制了。

“如果我们有一种能长期预防感染的疫苗，那就太好了，但迄今为止情况并非如此，”Greene说。”相反，我们最迫切需要的是预防严重疾病的疫苗.”

疫苗有效期多长？

研究表明，记忆B细胞和记忆T细胞，包括通过接种疫苗产生的记忆B细胞和记忆T细胞，可以持续几十年。然而，并不是所有的病原体和病毒都是如此。在某些情况下，免疫力会在几个月或几年后消失——这就是为什么有些疫苗需要定期加强免疫。

现在很清楚，针对新冠肺炎的mRNA疫苗产生的抗体只能持续几个月，但作用较慢的记忆B细胞和T细胞会保留下来，并防止接种疫苗的人感染上严重疾病。

“现在，我们只是不知道针对新型冠状病毒的免疫反应会持续多久，”格林说。“可能是几年或很多年。除了等着看，没有别的办法知道。”

尽管如此，一个世纪的疫苗接种经验表明，疫苗是保护人群免受严重疾病的安全有效的方法。

“在新冠肺炎之前，疫苗研究已经产生了一系列惊人的疫苗以及关于传染病和免疫学的知识，”Ott说。“这次疫情奖为疫苗研究注入了新的活力，在未来几年里，我们应该会看到我们能够制造的疫苗类型及其功效方面取得很大进展。”