在導致艾滋病的病毒被確認後不久，時任美國衛生與公眾服務部部長的瑪格麗特·赫克勒告訴一群記者，這一發現將使科學家能夠開發出預防艾滋病的疫苗。“我們希望大約兩年後就能準備好進行疫苗測試，”她自豪地宣佈。那是1984年。
政府官員當然在其他場合也曾錯得離譜，但很少有像這次一樣，如此大比例的科學界也過於樂觀。在分離出 HIV 二十五年後，我們仍然沒有有效的疫苗。一年前，默克公司的一項主要候選疫苗臨床試驗被終止，因為顯而易見，該疫苗無效，甚至可能有害。今年夏天，另一種備受期待的疫苗也被擱置，其試驗在開始前就被取消，因為沒有理由相信其結果會更好。
在為研製抗 HIV 疫苗奮鬥數十年後，這些事件使這項工作陷入混亂。我們這個領域的專家們已經意識到，如果經典的疫苗製造方法都對這種病毒無效，那麼我們需要一種新的方法——一些尚未想象出的不尋常的創造性方法，或者對病毒本身的一些新見解，這些見解可能會揭示其弱點。我們必須回到基礎，但這並不是說我們在過去 25 年裡沒有學到任何有價值的東西。事實上，每一次失敗都揭示了這種病毒使用的伎倆，提出了對付它的新方法。這些教訓已經在催生新的想法，並將科學家們聚集在一起，以解決關於這種獨特病毒的剩餘未解之謎。
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為什麼疫苗有效——但對 HIV 無效
要了解如何解決製造抗 HIV 疫苗的問題，首先需要了解疫苗通常如何發揮作用。存在幾種不同的疫苗製造方法，但在每種情況下，疫苗的有效性都取決於人體自身的自然免疫反應。例如，年度流感疫苗是透過滅活當年流行的流感病毒株，並將滅活的病毒透過手臂注射的方式接種到人體內製成的。皮膚深層的免疫細胞會將病毒蛋白識別為外來物質，並在幾周內促使身體制造出針對該病毒株的微小分子，稱為抗體。如果同種病毒在流感季節再次侵入人體，抗體將透過附著在病毒上，“中和”病毒，阻止其感染宿主細胞的能力。
1962 年，阿爾伯特·薩賓授權了一種用活的但減毒（失效）的脊髓灰質炎病毒製成的成功疫苗。由於這種活疫苗能夠在一定程度上感染細胞，因此它不僅誘導抗體，還誘導來自稱為 T 淋巴細胞的特殊細胞的所謂細胞免疫反應。如果以這種方式接種疫苗的人接觸到脊髓灰質炎，T 細胞將迅速做出反應，摧毀任何被逃脫抗體的病毒感染的宿主細胞。
這兩個例子代表了過去 50 年來一直是對抗傳染病的主要防禦手段的疫苗的基本原理。不幸的是，誘導抗體和 T 細胞的標準方法未能提供針對 HIV 的保護。本質上，所有疫苗都在模仿自然感染的各個方面，使免疫系統能夠建立事件的“記憶”，並在下次更積極地做出反應。然而，關於 HIV 的一切似乎都幾乎完美地適應於逃避或破壞這種自然免疫反應系統。
當 HIV 首次感染新宿主時，病毒開始在宿主細胞內快速複製自身，新病毒繼續控制更多細胞。病毒複製非常密集，以至於有時感染者在感染後一個月內，每毫升血漿中可能含有 1 億個病毒複製。通常，自然免疫防禦的第一道防線是先天性或“非特異性”免疫系統，它由在體內巡邏以尋找入侵者的細胞組成。其中一些細胞會當場摧毀它們遇到的任何病毒感染細胞，儘管在大多數人中，該系統可能被複制 HIV 的最初攻擊所壓倒。然而，稱為抗原呈遞細胞的先天免疫細胞也正忙於吞噬一些病毒蛋白，以便它們稍後可以將其展示給更專業的免疫系統元件，目的是引發反應。
其中包括前面提到的 T 細胞，它們有兩種重要的型別：“輔助性”和“殺傷性”。輔助性 T 細胞在發出警報以調動細胞免疫系統和協調其攻擊方面發揮著關鍵作用。抗原呈遞細胞首先使用主要組織相容性複合體 (MHC) 分子將它們取樣的外來蛋白質（抗原）呈遞給輔助性和殺傷性 T 細胞。反過來，T 細胞使用其 T 細胞受體來識別抗原-MHC 複合物。一旦殺傷細胞獲得了入侵者的描述並收到來自輔助細胞的化學訊號，它們就會繁殖，然後在搜尋和摧毀任務中散開。這種殺傷性 T 細胞反應在感染後大約三週開始發揮作用，它摧毀了大多數病毒感染細胞，從而降低了病毒水平。但這種反應通常為時過晚，而且終身慢性感染已經確立。
輔助性 T 細胞可能是人體對傳染病原體反應的最重要調節器，因為它們在指導其他免疫細胞的活動方面起著關鍵作用。不幸的是，從一開始，HIV 就以輔助性 T 細胞自身為目標，在它們內部複製並在過程中摧毀它們。特別是，HIV 會攻擊所謂的記憶輔助性 T 細胞，這些細胞充當免疫系統對過去接觸病原體的記憶。在最初感染後的幾周內，人體內這些記憶輔助性 T 細胞的供應量急劇減少，以至於整個免疫系統的指揮和控制系統癱瘓，並且永遠無法完全恢復。
與此同時，病毒更擅長逃避殺傷性 T 細胞。在進入細胞後，HIV 將其 RNA 遺傳物質複製到 DNA 中，這是一個容易出錯的草率過程，會導致病毒複製發生突變。這些變化會傳遞下去，並在後代病毒每次複製自身時新增到其中。此外，如果兩個病毒複製感染同一個細胞，它們可以在一個稱為重組的過程中交換遺傳物質，從而產生另一種病毒變體。
由於這種日益增長的多樣性，受感染細胞呈遞的病毒蛋白變得越來越難以被那些被啟動以記住原始病毒版本的免疫細胞識別。當殺傷性 T 細胞摧毀所有呈遞可識別抗原的細胞時，攜帶突變蛋白的病毒感染細胞就會接管。出於大致相同的原因，免疫系統在最初感染後三到四周產生的抗體無法識別感染後期宿主體內的大多數病毒顆粒。
這種免疫防禦無法識別 HIV 變異版本的問題可能是疫苗開發人員最大的挫敗感來源，因為它同樣適用於疫苗產生的抗體和殺傷性 T 細胞。即使是對一種 HIV 毒株產生強烈疫苗誘導記憶反應的疫苗，對於後來侵入人體的毒株也可能無效，或者隨著病毒變異而變得無用。
為了瞭解 HIV 巨大多樣性帶來的挑戰規模，請注意，製造商每年都會更換流感疫苗，因為世界各地流行的流感病毒不斷進化，略微改變其外層蛋白質，使得去年的抗體無法識別和抵抗今年的流感毒株。HIV 突變如此迅速，以至於據估計，一個人感染六年後的 HIV 顆粒表面蛋白質的多樣性大於給定年份全球所有人類流感病毒毒株的多樣性。實際上，使用傳統方法產生抗體和其他針對 HIV 的免疫反應的疫苗必須是對抗數千種，甚至數十萬種不同病毒的疫苗，而不僅僅是一種。
目標轉移，失敗的連篇累牘
解決 HIV 流行病的最佳長期解決方案是完全預防感染的疫苗，提供“無菌免疫”。至少，這可能需要一種能夠誘導廣泛反應性中和抗體的疫苗，該抗體能夠識別所有形式的 HIV 並阻止其感染細胞。
一旦科學家發現 HIV 要進入輔助性 T 細胞，就必須附著在細胞表面的 CD4 受體以及通常稱為 CCR5 的共受體上，阻止病毒與這些受體結合就成為疫苗研究的主要目標。這項工作的主要目標之一是病毒外殼上的糖蛋白，該糖蛋白在病毒與細胞融合之前與兩個受體接觸。這種蛋白質簡稱為包膜，但它的變異性甚至比病毒的其餘部分還要大。
最早在人體試驗的 HIV 疫苗之一，稱為 AIDSVAX，旨在誘導針對包膜的抗體反應。在 1998 年開始的五年試驗後，該疫苗被認為是失敗的。疫苗產生的抗體沒有阻止 HIV 進入 CD4+ T 細胞，因此沒有預防接種者感染 HIV。
迄今為止，在人體試驗的 HIV 疫苗中，沒有一種能夠誘導預防 HIV 進入細胞所需的廣泛中和抗體。由於這種中和抗體問題仍然是安全有效疫苗的主要障礙，研究人員現在也在探索不太理想但仍然可以接受的選擇，即不預防感染，而是降低患病或傳播疾病可能性的疫苗。
這種疫苗的目標是透過誘導已啟動並準備摧毀受感染細胞的殺傷性 T 細胞，將病毒水平保持在非常低的水平，從而防止病毒水平在感染早期階段飆升。在這個急性感染階段抑制 HIV 複製可能有助於保護人體內的輔助性 T 細胞數量。它還可以降低病毒傳播給他人的風險。在最初的病毒複製激增之後，未經治療的 HIV 陽性受試者體內的病毒水平穩定在中位數約為每毫升血漿 30,000 個病毒複製，但在觀察性研究中，那些病毒載量低於每毫升 1,700 個複製的人，將其病毒傳播給 HIV 陰性伴侶的風險顯著降低。因此，任何無法提供無菌免疫的 HIV 疫苗都應旨在限制病毒峰值水平，並將慢性病毒載量降低至 1,700 或更低。
來自人類 HIV 感染和實驗感染類似猴免疫缺陷病毒 (SIV) 的猴子的研究資料也鼓勵了這種方法，這些資料表明殺傷性 T 細胞在控制病毒載量方面非常重要。此外，在人類和猴子中都存在罕見的病例，它們的身體在沒有疫苗或藥物的情況下控制了艾滋病病毒的複製。這些個體中的大多數都具有編碼某些 MHC 分子的基因的特定變異，這些分子充當啟動殺傷性 T 細胞對外來抗原做出反應的重要中介。
此類證據構成了繼續進行 T 細胞誘導疫苗的理由，研究人員對默克公司最近開發的一種旨在誘導抗 HIV 殺傷細胞的 HIV 疫苗的試驗寄予厚望。該公司在 HIV 疫苗研究方面投入了巨資，並測試了許多不同的誘導殺傷性 T 細胞的方法。最終，它決定使用一種稱為 5 型腺病毒 (Ad5) 的普通感冒病毒將三個 HIV 基因帶入細胞，期望細胞製造 HIV 蛋白。然後，免疫系統會被欺騙，認為人體感染了 HIV，並會產生保護性反應。使用的蛋白質稱為 Gag、Pol 和 Nef，它們相對保守——這意味著它們在不同的 HIV 變體中往往變化不大。
不幸的是，這種在人體試驗的誘導殺傷性 T 細胞反應的最有希望的方法在試驗中失敗了。平均而言，個體志願者受試者對疫苗產生了相對較弱的 T 細胞反應——僅為免疫系統正在控制病毒複製的 HIV 感染者所見反應的 10% 到 20%。此外，細胞反應僅針對病毒蛋白的三個區域具有特異性。相比之下，表現出一定程度病毒複製控制的 HIV 感染患者通常對僅 Gag 蛋白就產生三到六個特異性反應。
默克疫苗未能抑制 HIV 複製的原因可能是 Ad5 載體或其攜帶的 HIV 基因的選擇，或者是這些因素的組合。Ad5 可能天生就無法刺激足夠有效或廣泛的細胞免疫反應來控制 HIV 感染。我們中的許多人已經感染了這種普通感冒病毒，並且已經對其產生了免疫反應。預先存在的感冒病毒特異性抗體會限制可以感染靶細胞的 Ad5 顆粒的數量，從而削弱疫苗的效果。同樣，預先存在的腺病毒特異性殺傷性 T 細胞可能在最初的疫苗免疫反應中占主導地位，從而可能降低 HIV 特異性 T 細胞反應的效力和廣度。最後，所選的三種 HIV 基因可能不足以控制病毒。
與 Ad5 疫苗產生的有限數量的 HIV 蛋白相比，活的、減毒的 SIV 疫苗產生除 Nef 蛋白部分以外的每種病毒抗原。與脊髓灰質炎疫苗一樣，這種活病毒可以在免疫猴體內複製，儘管比天然病毒弱，並且它確實可以保護動物免受隨後感染與疫苗病毒顯著不同的 SIV 版本的感染。這種疫苗即使在免疫系統受到不同版本的病毒挑戰時，也能夠保護宿主免受感染，這當然是 HIV 疫苗研究人員的目標。但實驗也表明，失效的疫苗病毒最終會自行修復，並繼續產生全面的 SIV 感染，從而殺死猴子。此外，疫苗和實驗性攻擊病毒可以結合，產生致命的新毒株。因此，出於安全原因，活的、減毒的 HIV 不太可能在人類中用作疫苗。
未來的道路
默克疫苗的失敗對該領域是一個巨大的打擊，引發了關於是否有可能研製出有效對抗 HIV 的疫苗的公開討論。這也導致了對當前候選疫苗的仔細反思。目前，一項在泰國進行的疫苗試驗預計將於今年晚些時候結束，這是唯一正在進行的大規模人體疫苗候選疫苗測試，預計近期不會開始新的試驗。美國國立衛生研究院開發的 DNA 質粒疫苗的大型國際試驗原定於今年秋季開始。然而，今年 7 月，美國國家過敏和傳染病研究所所長安東尼·S·福奇取消了該試驗，理由是證據不支援如此大規模的測試。
與此同時，福奇宣佈他的機構將把 HIV 疫苗研究工作的資金重新導向基礎科學，以解決關於 HIV 及其在體內行為的基本問題，這些問題可能會揭示解除病毒武裝的新方法。開發下一代改良的候選疫苗將需要科學家們解決許多重要問題。
HIV 多樣性仍然是疫苗誘導的抗體或殺傷性 T 細胞反應能夠在感染早期建立有效防禦的巨大障礙。由於每個感染者體內的突變和重組，個體接種者很可能接觸到與用於製造疫苗的病毒差異超過 10% 的病毒。例如，編碼病毒包膜糖蛋白的高度可變 env 基因內累積的變化對於將 HIV 分類為不同的組（標記為 M、N 和 O），然後再分類為亞型或進化枝非常重要。對構成包膜的氨基酸序列的分析表明，它們在不同進化枝之間可能相差高達 35%。即使在同一個進化枝內，包膜序列多樣性也可能達到 20%。
因此，許多基於 T 細胞的 HIV 疫苗設計已經放棄了使用包膜來誘導免疫系統反應的想法，而是專注於病毒的更保守區域，例如 Pol 和 Gag 蛋白。然而，這些蛋白質中相對較小的變異可能仍然對疫苗功效產生嚴重影響。病毒蛋白中的單個氨基酸差異可能會損害甚至消除疫苗誘導的抗體或殺傷性 T 細胞識別病毒的能力。弄清楚如何製造廣泛中和抗體仍然是 HIV 疫苗領域最重要的目標。
一個相關的問題與宿主殺傷性 T 細胞在自然感染期間對 HIV 的反應有關：我們應該尋求模仿或增強所有這些反應，還是應該只關注某些型別的反應？殺傷性 T 細胞根據病毒片段的氨基酸序列選擇各種 HIV 部分進行反應，並且某些病毒區域比其他區域更頻繁地引發反應。越來越明顯的是，並非所有殺傷性 T 細胞反應在功能上都是等效的——有些比其他反應更有效地控制病毒複製。最近開發的新實驗室檢測方法應有助於我們首次確定，在眾多細胞反應中，哪些實際上可以在實驗室中控制 HIV 複製。如果事實證明，在自然感染中看到的一些最罕見的反應是最有效地控制病毒的反應，那麼最好的疫苗方法可能是透過改變 HIV 特異性殺傷性 T 細胞反應的自然頻率模式來增強這些反應。
同樣，瞭解某些被稱為精英控制者的罕見個體如何自然地抑制 HIV 或 SIV 複製應有助於為疫苗設計提供資訊。少數人和猴子在感染後自發地控制病毒複製，就像有效的殺傷性 T 細胞誘導疫苗旨在做的那樣。在這些情況下，病毒複製的抑制發生在最初的急性感染消退後，因此研究該過渡階段應能為病毒最初如何受到控制提供線索。我們已經知道，其中一些個體具有基因變異，這些變異會增加其免疫細胞的數量或功能，或降低病毒進入細胞上 CCR5 受體的能力。一個由人類控制者組成的大型群體目前正在組建中進行研究，廣泛的遺傳、免疫學和病毒學分析可能會為這些人為何能夠抑制病毒複製提供重要的線索。這些發現反過來將產生新的疫苗概念，可以在猴子身上直接進行測試。
進一步研究猴子對減毒活 SIV 疫苗的反應也將非常有價值，因為這些強效疫苗使猴子能夠抵禦高度致病性病毒，即使是那些與疫苗毒株顯著不同的病毒，也能在相當長的時間內做到這一點。儘管安全問題意味著減毒病毒方法永遠不會在人類中使用，但準確理解它為何如此有效可能會產生新的見解。
最後，科學家找到創造 HIV 疫苗新方法的能力也將受益於我們在工作中採取新方法。研究人員小組首次聚集在一起組成聯盟來解決這些關鍵問題，這些合作努力的資金來自比爾及梅琳達·蓋茨基金會、國際艾滋病疫苗倡議組織和美國國立衛生研究院。透過共同努力，這些聯盟比以往任何時候都更有可能找到有助於發現 HIV 疫苗的所有重要線索。
HIV 疫苗研究人員遠未放棄，他們正在為一場新的戰鬥做好準備。我們永遠無法想象在瑪格麗特·赫克勒的時代，這種病毒會多麼頑固地抵抗傳統的疫苗技術，但我們也是一群頑固的人，只要給予時間，科學終將找到防禦 HIV 的方法。
注：本文最初印刷時的標題為“疫苗探索仍在繼續”。