科学家们如何设计出可以抛弃冰箱的疫苗

　　科学家们有不同的策略来制造能够抵御高温的疫苗，从改良的化学溶液到新的输送方法。哪种策略最有效主要取决于疫苗的活性成分:RNA、DNA、活的或灭活的病毒或细菌，或者一小部分病原体，如肽或蛋白质。

　　

       

         

大多数疫苗需要冷藏才能不变质。新冠病毒的信使RNA疫苗需要极低的温度。

罗尼·哈特曼/法新社，来自盖蒂图片社            

从最先进的COVID-19疫苗到已有几十年历史的脊髓灰质炎疫苗，大多数疫苗都需要冷藏才能在从工厂到病人的过程中存活下来。但在马里或孟加拉国等国家，这甚至给常规免疫接种带来了重大障碍，在这些国家，高达90%的卫生设施缺乏足够的冷藏设备。为了解决这个问题，一些研究人员正在朝着一个激进的目标努力:不需要冷藏的疫苗配方。重大障碍仍然存在，但许多科学家乐观地认为，从现在开始的10年里，疫苗接种运动不会受到如此大的阻碍。

巴斯大学的化学家Asel Sartbaeva说:“我认为我们已经达到了使用冷藏供应链可以接种的人数的极限。”他正在研究一种分子“笼”，使多种疫苗温度稳定。“这就是我们的作用所在。”

大多数疫苗包括生物分子或弱化形式的病原体，它们在高于或低于特定温度时开始分解。即使配方被冻干或悬浮在溶液中以提高稳定性，许多仍需要在2°C至8oC之间冷藏，这是普通冰箱的温度。当疫苗不需要冷藏时，其结果可能会改变世界:一种冻干天花疫苗在高温下可以稳定数月，对于根除20世纪70年代的全球灾难至关重要。即使是渐进式的改进也能带来很大的不同:现在无需冷藏就可以保存4天的脑膜炎疫苗MenAfriVac，在2011年乍得的疫苗接种运动中，它将成本降低了一半。

科学家们有不同的策略来制造能够抵御高温的疫苗，从改良的化学溶液到新的输送方法。哪种策略最有效主要取决于疫苗的活性成分:RNA、DNA、活的或灭活的病毒或细菌，或者一小部分病原体，如肽或蛋白质。

德克萨斯儿童医院疫苗开发中心的微生物学家Maria Bottazzi说，蛋白质疫苗相对稳定，是“容易实现的成果”。但其他类型的疫苗，如减毒活疫苗，特别容易受到温度变化的影响。多样化的方法是必要的，她说:“没有灵丹妙药。”

但是有硅笼。这就是萨巴耶娃用来稳定白喉、破伤风和百日咳(DTP)普通疫苗蛋白的物质。因为DTP疫苗是由每一种致病微生物的蛋白质组成的，它需要保持在2摄氏度到8摄氏度o摄氏度之间。Sartbaeva之前的研究主要集中在多孔硅酸盐材料的结构上，他认为二氧化硅可以在疫苗的蛋白质周围创造一个保护性分子笼，防止它们在高温下展开。

在接下来的几年里，Sartbaeva和他的同事开发了一种将活性硅分子与蛋白质混合的方法。二氧化硅被生物分子带正电的区域吸引，形成一个网络，精确匹配蛋白质的轮廓。Sartbaeva说:“硅的酷之处在于它具有很强的延展性。”

她和她的同事去年在《自然科学报告》(Nature Scientific Reports)上报告说，她的团队的二氧化硅笼子在室温下稳定白喉和破伤风蛋白至少1个月，在80o摄氏度下稳定2小时。当注射到老鼠体内时，这些被关在笼子里的蛋白质引发了免疫反应;未被封闭的蛋白质是无用的。但是，在临床试验即将开始之前，仍然存在一些挑战:证明这种方法可以一次性稳定DTP疫苗中的所有蛋白质，并简化在注射疫苗之前溶解二氧化硅的过程。

另一种方法是“水果卷”方法。德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas, Austin)药剂师玛丽亚·克罗伊尔(Maria Croyle)将活腺病毒载体(用于多种疫苗，包括强生公司(Johnson & Johnson)的COVID-19疫苗)包裹在一层由糖和盐组成的固体薄膜中，质地类似于这种受欢迎的零食。这种薄膜可以溶解在舌下或脸颊内部，用于接种疫苗，甚至可以重组并注射。克罗伊尔和他的同事去年在《科学进展》杂志上报道说，这种薄膜使一种以腺病毒为基础的埃博拉疫苗在室温下稳定了36个月。当从电影中重组并吸入这些3岁大的病毒时，它们保护了灵长类动物免受致命剂量的埃博拉病毒的伤害。

这组科学家还说，通过改变影片中糖和盐的混合，这种方法可以用于其他疫苗和治疗药物，包括流感疫苗。克罗伊尔还是生物医学初创公司Jurata Thin Film的首席科学官，她说，她在那里的同事们一旦确定如何扩大生产规模，就希望在12到18个月内开始使用这种薄膜的疫苗的临床试验。密歇根理工大学的化学工程师Caryn Heldt称这部电影对于多种疫苗平台来说是一项“非常有前途的技术”。博塔齐对此表示同意，并表示她正在考虑用一些疫苗原型来测试这种配方。

与此同时，依赖于冷藏的信使RNA疫苗——如Moderna和辉瑞/生物技术合作公司(Pfizer/BioNTech collaboration)开发的针对covid -19的疫苗——也面临着自己的挑战。一些科学家已经转向了一种与其他疫苗一起使用的可靠方法:冷冻干燥。宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的免疫学家德鲁·韦斯曼(Drew Weissman)说，一旦疫苗经过冻干，“它基本上会永远稳定。”……最大的挑战是成本。”

新的生产技术可能会有所帮助，但冷冻干燥是一个缓慢而昂贵的过程，并不是对所有疫苗都有效。然而，就在本月，辉瑞公司开始了一种冻干疫苗的临床试验，这种疫苗在冰箱的常规温度下可以稳定使用。目前，它必须存储在-20oC左右。结果预计将于5月底公布。

另一个策略是:改变疫苗RNA分子周围的脂质纳米颗粒;正是这些纳米颗粒满足了疫苗的超低温储存需求。总部位于西雅图的HDT Bio公司最近采取了这一策略，发明了一种纳米颗粒，可以在普通冰箱中运输，然后在注射前与RNA结合，该公司的配方主管阿米特·坎达尔(Amit Khandhar)说。韦斯曼说，这种方法并没有完全消除冷藏的需要，而且更稳定的配方也不会引起那么多的免疫反应。但世界可能很快就会知道它在野外的表现如何:一种使用该公司纳米颗粒的COVID-19候选疫苗即将在印度开始临床试验。

为了避免完全冷藏，另一个选择是使用DNA而不是RNA。两种核酸中比较稳定的DNA“可以在室温下存放在仓库里几个月，”西雅图华盛顿大学的微生物学家黛博拉·富勒说，她帮助设计了HDT生物疫苗。富勒说，尽管经过多年的研究，DNA疫苗还没有取得多少临床成功，但一些针对COVID-19的DNA疫苗正在进行临床试验。

Bottazzi说，即使技术障碍被克服，将温度稳定的配方推向市场也需要制造商和监管机构“众星相守”。鼓励药物研发人员花费数百万美元研发新配方并非易事。伦敦帝国理工学院未来疫苗制造研究中心(FVMR)的化学家Jason Hallett说，激励措施很少，尤其是在重新配制现有疫苗时。他的工作是使用液体盐研制温度稳定的疫苗配方。他说，在目前的法规下，“改善冷链比取消冷链更具成本效益。”

然而，FVMR中心的业务经理Benjamin Pierce说，各国投入到COVID-19疫苗研究的大量资源可能会改变温度稳定型疫苗的前景。他说，一种温度稳定的疫苗可能无法及时应对当前的大流行，但随着世界为下一次大流行做准备，“消除冷链绝对是当务之急。”