当前美国和世界大部分地区面临的最大问题已经不是如何控制病毒感染减少死亡,而是如何重振经济,恢复社会正常运转。面对从没遇到过的挑战,如何走通未知的路,众说纷纭各执己见很正常。
有一种声音音量不小,影响也不小。诸多州级和联邦级的政客要员,包括人称“美国钟南山”的福奇,都宣称虽然可以分阶段复工,但要完全恢复正常生活,包括复学,需要等到有疫苗。否则病毒瘟疫会卷土重来,而且比上一波更严重。
瘟疫伴随人类不止千年了,我们先来看看历史记载告诉我们什么,再来看现代科学告诉我们什么。
下面是人类有记载的大瘟疫历史示意图。信息包括导致瘟疫的细菌或病毒,或者该次瘟疫的通俗名称(黑字),大致年代(灰色数字),和大致死亡总人数(彩色数字)。(照顾不太懂生物学的读者又不跑题太远,只啰嗦一句:细菌和病毒的主要区别是细菌可以自己繁殖生长,不依赖被感染的生物体;而病毒比细菌低等,只能借被感染生物体的细胞内生长机制复制自己。因此在自然条件下细菌杀伤力更强,图中统计的历史总死亡人数接近3亿。病毒杀死大约1.3亿。)
由细菌感染引起大瘟疫的病主要有鼠疫(Bubonic)(又称黑死病BlackDeath)和霍乱(Cholera)。以鼠疫为主的大瘟疫包括公元六世纪的PlagueofJustinian,十四世纪的BlackDeath,十七世纪的17thCenturyGreatPlagues,十八世纪的18thCenturyGreatPlagues,十九世纪中叶的TheThirdPlague。各次死了多少人可以看图。以霍乱为主的只列了一条,Cholera6Outbreak,但时间跨度超过年。
由病毒感染引起大瘟疫的花样就多了,把上列鼠疫和霍乱除去剩下的都是。包括明目繁多的流感(Flu),天花(smallpox),黄热病(YellowFever),艾滋病(HIV/AIDS)等。在图的最下方看到近年来人们谈虎色变,各国投入大量人力金钱去研究防治的SARS,MERS,Ebola,世界范围死亡人数为几百到1万多,却与死亡多万的SpanishFlu和死亡2亿多的黑死病同被列为“大瘟疫”,感觉有点怪。
但此文的着眼点不在于死多少人,而在于各种瘟疫现在是否能够被控制;如果能控制,办法途径主要是什么。
细菌性瘟疫
鼠疫自有记录到十九世纪中叶肆虐至少年,吞噬生命至少2.5亿。但距今年来却没有再出现大流行,尽管鼠疫细菌还没有彻底从地球上消失。主要原因是随着年青霉素的发明,一系列抗生素很快出现,其中链霉素,庆大霉素,多西环素,等等都对鼠疫有很好疗效。世界任何地方一旦发现病例,马上使用抗生素治疗,能流行开来的可能性变得很小。特效治疗霍乱的抗生素包括四环素类,大环内酯类和氟喹诺酮类。
有没有预防鼠疫的疫苗呢?一直有人在研究,但至今没有一个被美国FDA(食品药品管理局)批准。第一个预防霍乱的疫苗发明于年,后来陆续几十个,最新的一个在年被FDA批准。前后几十种霍乱疫苗对降低死亡人数也许有些作用,但效果都不很好。最好的也是最新的预防期也只有一两年,现在主要用于保护需要到高危区旅行的人。
重点:控制细菌性瘟疫的主要手段不是疫苗,而是有效治疗药物,即能杀死细菌的抗生素。一种抗生素往往能杀死多种细菌。
病毒性瘟疫
对付病毒感染引起的瘟疫,治疗药物方面的情况很简单,简单到令人沮丧:至今没有针对任何一种病毒感染的有效治疗药物。原因不难理解,病毒本来就没有生命,所以没得可“杀”。病毒在体外时,一些物理和化学的条件(例如高温或酸)能让一些病毒变性,失去感染能力。病毒一旦进入人体,人所能做的最多就是阻止病毒在人体里大量复制,并尽快将其排除。
病毒大量复制会导致对各种器官的伤害,甚至死亡(有许多种机理,包括免疫系统的细胞因子风暴,等等,超出此文探讨范围)。但病毒种类繁多,复制步骤不尽相同,却都牵涉人体基因表达,很难做到用药物阻断病毒复制又不影响人体自身功能。
但冠状病毒的结构很特别,提供了走通这条途径的可能性。后面详细解释。
用疫苗对抗病毒性瘟疫在疫苗二百多年的历史里不乏成功之例。例如上图里的天花,黄热病。更多例子没有在图里,例如人们熟悉的小儿麻痹,麻疹,等等。
疫苗本身并不破坏病毒。疫苗是在人还没有被感染时让身体提前产生识别病毒的抗体。一旦感染,立刻就有抗体来对付。下面一节将有更深入的解释。
与一种抗生素可以杀死好多种细菌不同,抗体的专一性决定了针对每一种病毒,哪怕与同类只有微小差别,都需要做不同的疫苗。例如流感病毒有A,B,C,D四型,感染人群并引发病症的主要是A和B型。但仅A型就有近种可能的亚型,已经被发现的有多种(例如著名的H1N1)。有疫苗的仅是几种最常见的A和B的亚型,每年根据流行预报进行不同的混合,制成当季的通用流感疫苗。如果实际出现的与预计的相差大,那么那一季的防疫效果就会差。
有的病毒本身还多变,这边刚做了疫苗,那边就变了,疫苗就不管用了。一个典型例子是导致艾滋病的HIV病毒。
加上对疫苗的安全性要求比对药物的要高,疫苗的研制不仅艰难费时且成功率不太高,比研制药物更难。现在能被安全有效的疫苗控制的病毒仅是病毒里的极少数。
重点:目前控制病毒性瘟疫的主要手段是疫苗。但是疫苗的研制艰难费时,而且一种疫苗只能针对一个特定的病毒,效率比较低。
为什么研制疫苗比研制药物更难
这部分有点长,因为问题不是那么简单。对一部分读者可能还需要从什么是疫苗讲起。已经了解了和现在没时间了解的读者可以直接跳到COVID-19部分。
人体进化来是有抗病能力的,来自免疫系统。一辈子很少生病的人不在少数,而细菌病毒无处不在,不发病不是因为他们没有接触到细菌病毒,而是因为相对于接触到的细菌或病毒的数量与活性,他们的免疫功能够强。免疫系统很复杂很神奇,是个多防线多兵种,从侦察兵游击队到坦克军团导弹部队等等,时间空间协同配合,有爆发又有制约的作战系统。这里没法详细介绍,只提与疫苗有关的部分。
抗体,相信绝大多数人听过这个名词,是一种结构特殊的蛋白质,大体的样子可以比作双头导弹。它的目标专一性在免疫系统里与导弹有相似之处。例如都是流感病毒,不同亚型之间结构上差别很小,但每一种都需要专门的抗体。但是由于自然界存在的细菌病毒和其它有害物的种类实在太多了,还不停有新种变出来,人体不可能为每一种都预备好足够的抗体。
人体进化来的策略是敌人进来了,“指挥部”认为有必要使用导弹时现动员免疫系统来生产。生产需要时间,平均大约一星期左右。这是为什么大部分人得流感时喝喝水睡睡觉,7-10天症状会消失。
这个防御反击策略多数情况下能够奏效(指一般健康人,免疫系统有缺陷或已经有其它疾病的是另外话题)。但凡事总有例外,遇到繁殖极快对细胞损伤极大的敌人时,还没等到七八天战斗已经结束了。结果可能是人死了,没死的可能留下永久性伤害。人们用瘟疫,大瘟疫等词描述这样的状况。
为对付一再出现的还没有治疗药物的瘟疫,能不能事先让身体准备足专门对付这种瘟疫的导弹(抗体)呢?想法不错。但免疫系统的“指挥部”不是大脑,抗体不是“想”有就能有的。想要在没有外敌入侵时就产生,需要用“计谋”诱使免疫系统提前动员。
以病毒为例,可以把一种结构与目标病毒的某些地方相同但对人没有伤害的东西注入人体;如果它能够引起免疫系统足够的警觉去产生针对它的抗体(没有军队见只蚊子就造导弹去打的),当目标病毒真来时,抗体就会立即进入战争状态。
这个以假乱真诱使免疫系统提前工作的东西就叫疫苗。它能有效的前提之一是与目标病毒足够“像”,否则即使诱发了抗体,目标病毒真来时也不会被提前准备的抗体识别。
用导弹形容抗体是仅就其寻找目标的精准性专一性而言。抗体的“头”找到目标后抗体本身并不会去“炸”目标,而是用它“尾部”的功能招来免疫系统里多种进攻部队发动多种方式的歼灭战。这后续部分太复杂,我们还是聚焦在疫苗上。
疫苗的目的只是引发出抗体,让抗体等在那里(有些抗体可以等很多年,甚至终生),等真病毒来时才执行下一步任务。但是疫苗若做得不够好,接种时引发了希望以后才引发的免疫反应,其结果将类似于生一场病。这样的疫苗就是不安全的。
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从上面的讨论可以看出研究制造疫苗至少有三大最基本的挑战(技术方面的挑战就太多了)。1)要能够引起免疫机制的反应,从而产生抗体。2)产生的抗体要能够识别真正的目标,并发动整个免疫系统投入战争。3)疫苗接种时引起的反应还不能太强,不能对人体有负面影响。三条都满足了才能被考虑成为疫苗。
二百多年前,在18世纪的最后几年里,人类第一次成功使用接种的疫苗对天花病毒产生免疫力。第一个疫苗是完全自然的,是病毒本身,不过是从牛身上来的,即牛痘。由于是感染牛的病毒,人在受它感染时病症很轻。但是它又与人的天花病毒有足够“像”的地方,使人体里产生的抗体能够识别天花病毒。
用牛痘抗天花的成功给人的启示是也可以尝试用感染人的病毒或细菌本身,只要能把“毒性”降到足够低(“减毒”),甚至让它彻底失去活性(“灭活”),提高安全性。但对不同的病毒和细菌如何减毒或灭活又不使其变性太多,否则抗体可能不识别入侵的病毒细菌,技术上很难。
这个用目标本身做武器的路子二百多年沿用至今,有诸多成功,成为第一个疫苗研发平台。它的优势是免疫反应有保证,抗体目标先天正确,只要不在追求安全性时被带偏。它的劣势是安全性和生产。起始点是病毒或细菌本身,显而易见先天就不安全。而要大批制造疫苗需要先大量培养病毒细菌,集中提纯后再进行减毒或灭活的处理。这个过程很难高效,且在安全方面挑战很大。
近二十多年来随着分子遗传学的发展,诸多新技术被用在疫苗研发上,带来新平台。例如用重组蛋白或重组肽模仿目标病毒或细菌表面的一小部分,以期调动免疫系统,产生能识别目标的抗体。这多少有点撞运气,因为模仿不能保证总是足够“像”。但是这条途径有研发生产过程与病毒细菌无关和能工业化大量生产的优势。
新的成功带来新的启发,既然用来做疫苗的重组蛋白是由工业化培养的活细胞做“代孕”得到的,何不把放到“代孕”细胞里的重组DNA基因直接放到人体里,让人体细胞在生产自己的东西时顺便把重组蛋白也带出来。而这样得到的重组蛋白一出来便已在体内,直接让免疫系统“看到”。这就是所谓的“DNA疫苗”或“RNA疫苗”的基础。不过注射的DNA或RNA并不是真正意义上的疫苗,而是疫苗的“前身”,或者“信息”。一旦序列设计好,DNA和RNA都可用分子生物学的方法合成。
不难看出使用分子生物技术制做疫苗的主要优势是相对安全性,因为没有完整的细菌或病毒存在,无论是对人体还是在生产过程中都没有目标所带的“毒性”。但是需要强调一点,疫苗不引发目标病毒或细菌所引发的症状不代表不会有其它副作用。副作用的种类可以说无穷多。
这样一来在用临床试验检验安全性时,优势又似乎变成劣势。目标细菌或病毒会有什么症状,什么时候出症状,基本是已知的,容易监测。而新产品会有何种副作用,以及什么时候显现出来,都是未知的。这为临床试验的设计带来难度,因为很难知道到底需要试多久,可能会漏掉什么。大批使用后才发现某种副作用就麻烦了。曾有使用后又撤销,甚至引起诉讼的先例。
与治疗药物相比,疫苗的研发和临床试验有两大劣势。一是在安全性上对疫苗要求更高,因为疫苗是给大量的没病的人防病用的。如果为防范一个很小的传染机会去接种疫苗,却受到副作用的伤害,那就不合算了。厂家可能还会惹上官司。而治疗药物,特别是救治急症的,只要让人捡回命,有点副作用可能也会被接受。
另一大挑战是如何确定有效性。治疗药物是给病人用的,临床试验时找些病人分两组,一组用药一组用安慰剂,统计比较两组的症状变化(超级简化了的描述)。而疫苗是给没病的人防病的。接种疫苗后产不产生抗体可以抽血到体外检测,抽出来的抗体在试管里找不找得到目标细菌或病毒也容易检测。但试管里的结果不代表在体内遇到该种病毒或细菌时抗体一定能阻挡住感染。所以FDA不会根据试管里的结果批准疫苗。做人的试验时又不能像做动物试验时那样让其直接接触病毒。所以,确定有效性的第三期临床试验通常要做好多年。在传染病没有流行时是比较难有结果的。
COVID-19
COVID-19的中文名称是新型冠状病毒。意思当然是过去没有在人类传播过的冠状病毒。继续顾名思义便知疫情初期的“三没有”:人体没有够量的现成抗体;没有已经证明有效的治疗药物;没有已经证明有效又安全的疫苗。
人被感染过后,不论有没有过症状,他们的免疫系统大概率会制造出针对这种病毒的抗体,而且抗体应该能存留在体内一段时间。美国有了检测抗体的方法后,一些地方随机抽样对大量人群进行了抗体检测,结果显示无症状受感染者比有症状的多。目前还不知道抗体在身体里能存留多久,再遇到COVID-19时有多少防护能力。这部分铺开去有很多有意思的话题,但本文重心是疫苗和治疗药物。
这部分采取倒叙,从最近的事说起。
半个多月前,5月15日,川普总统率一众要员高调宣布成立COVID-19疫苗专攻领导组,命名为“神速行动”(OperationWarpSpeed),由白宫资深顾问库什纳为总协调人。科研部分由世界顶级疫苗研发专家,曾多年在医药巨头GSK公司任研究发展总监的斯劳维(MoncefSlaoui)博士负责。生产和派发则由曾主管美国陆军后勤的四星上将頗纳(GustavePerna)将军负责,一旦确定某个疫苗有效立即以打仗的速度生产并送发各地。暂定目标是到年1月时有3亿份疫苗在各地使用。
上节讲了疫苗研发的艰难费时,对新型冠状病毒的疫苗没区别。有区别的是投入的人力财力。一般情况下一个公司针对一种病只能选一到两个平台研发疫苗。一个项目直到证明失败,不会启动新的。用这种接力的方式通常需要很多年。现在美国以举国之力攻关,所有平台一起上。打仗有人海战术,抗病毒也可以有“苗海”战术,只要有钱。
斯劳维博士讲话时透露目前全世界处在各个阶段的疫苗研发项目有多个,他的团队认为比较有希望的有14个。美国将与世界各国通力合作。他虽然表示有希望有信心,但也指出毕竟时间太紧,挑战很大,人所能做的只有全力以赴。
记者提问:如果到明年1月疫苗没出来怎么办;即便目标能达成,距现在也有半年多,美国要不要开放;如果开放,发生新感染怎么办。
总统川普的回答是,我们会竭尽全力,希望能制出疫苗。但无论有没有疫苗美国都必须恢复正常,重振经济。几个月来我们学了很多也做了很多。出现新感染不是不可能,哪里出现我们就在哪里扑灭它。我们并不是只依赖疫苗,我们还有很有希望的治疗药物,例如瑞德西韦(Remdesivir).......
完美转承,主角出场。
瑞德西韦(Remdesivir)
几个月来被美国总统一提再提的瑞德西韦是什么?也许有人对“人民的希望”这一译名还有印象。
疫情爆发不久,COVID-19还叫SARS-cov-2或-nCoV等名称时瑞德西韦曾吹起过一阵旋风。今年1月31日美国顶级医学期刊的网络版发表了用瑞德西韦救治美国第一例确诊病患的论文(