自從科學家 30 多年前將 HIV 確定為 AIDS 的病因以來，我們仍然未能研製出一種有效的抗該病毒疫苗。一系列藥物通常可以將感染控制幾十年，但首先預防感染的疫苗將是最好的武器——尤其是在發展中國家，那裡的藥物成本和其他因素可能會使許多人無法獲得有效的治療。如果不進行治療，HIV 感染通常會悄無聲息地發展，並在幾年內發展為嚴重的免疫缺陷（AIDS）和死亡。
疫苗開發的長期延誤並非由於缺乏嘗試甚至缺乏資金。問題在於，HIV 與科學家們以前處理過的任何其他病毒都不同。任何抗病毒疫苗要發揮作用，都必須喚醒免疫系統，使其在目標病毒侵入細胞並在體內傳播之前對其進行攻擊和摧毀。但 HIV 已經進化出許多防禦人類免疫系統的方法。更糟糕的是，它會殺死或損害本應協調身體對抗它的反應的關鍵免疫細胞。而且，它還是一個無與倫比的偽裝大師，迄今為止，疫苗製造者們一直努力教導身體如何快速識別和阻止其多種變體感染人類，但都以失敗告終。
我們三人和我們的同事最近經過近二十年的嘗試，成功地創造出一種合成蛋白質，它應該有助於克服疫苗製造者過去面臨的困難。我們已經證明，這種分子可以在動物身上引發對 HIV 的強烈反應。要作為人類疫苗的基礎，它需要進行改造，變得更強大，並能夠預防更多種病毒株的感染。這項工作需要時間。但我們的實驗室和許多其他實驗室已經在努力應對剩餘的挑戰，並樂觀地認為我們終於走上了正確的道路。
願景
我們構建的蛋白質比以往任何時候都更完整地模仿了病毒蛋白，稱為包膜蛋白或 Env。Env 從 HIV 表面像尖峰一樣升起，並使病毒能夠進入稱為 CD4+ T 淋巴細胞的免疫系統細胞。這些 T 細胞通常透過各種蛋白質（包括兩種稱為 CD4 和 CCR5 的蛋白質）與其他免疫系統部分進行通訊，這些蛋白質像堡壘牆上的訊號塔一樣點綴在它們的外表面。當 HIV 試圖進入免疫細胞時，其包膜蛋白之一首先附著在 CD4 蛋白上，這使其隨後也能與 CCR5 結合。接下來，包膜蛋白會扭曲並重新排列自身，使病毒和免疫細胞的外膜融合在一起。當膜融合時，病毒將其基因釋放到細胞中，細胞產生數十億個病毒複製；這些病毒顆粒反過來又從細胞中逸出並擴散到其他細胞，感染過程在那裡重複進行。
研究人員長期以來一直夢想透過阻止包膜蛋白的動作來預防 HIV 感染。最合乎邏輯的方法是“教導”人體的免疫系統產生稱為抗體的分子，這些抗體將特異性地識別並粘附到 HIV 上的包膜蛋白。理論上，這種抗體將具有兩種理想的效果。它們將形成一道屏障，阻止 HIV 附著到 CD4 和 CCR5，從而進入 CD4+ T 細胞，並且它們將確保病毒的破壞或透過免疫系統的不同部分清除。大致相同的方法對其他病毒（如乙型肝炎）的疫苗效果良好：來自病原體表面的蛋白質透過基因工程在實驗室中產生；當注入人體後，這些蛋白質本身不會引起疾病（因為病毒的其餘部分不存在），但它們可以誘導免疫系統產生抗體，這些抗體將瞄準並摧毀任何顯示相同或相似蛋白質的入侵病毒。
不幸的是，HIV 阻礙了開發疫苗的標準方法，因為它的包膜蛋白有一個討厭的習慣，即一旦它們與完整的病毒分離就會分解。這些片段包括 gp120 亞單位（包膜蛋白中附著在 CD4 上的部分）和 gp41 亞單位，後者將包膜蛋白錨定在病毒膜中，並隨後促進病毒和免疫細胞膜的融合。
現在你可能會認為包膜蛋白分解的趨勢不會造成太大的問題。畢竟，如果沒有 gp120 附著到 CD4 訊號蛋白，病毒就無法感染細胞，而且免疫系統可以並且確實會產生針對單個 gp120 分子的抗體。事實上，多年來，研究人員一直試圖使用 gp120 亞單位制造疫苗，但沒有成功（而且有些人仍在嘗試）。事實證明，針對單個 gp120 蛋白產生的抗體不會引發針對感染人類的病毒的強烈免疫反應。相比之下，對完整 Env 蛋白的研究表明，針對它們的抗體在靶向 HIV 以進行破壞方面更有效。
最終，在 1998 年，我們中的一人（Moore）決定，要生產出成功的疫苗，可能需要放棄 gp120 途徑，轉而專注於製造基於完整包膜蛋白的疫苗。製造這種疫苗將非常困難，原因有很多，其中最主要的原因是每個包膜蛋白都很複雜：它是一個三聚體，由 gp120 和 gp41 元件的三個複製組成。我們中的另一人（Sanders）在不久之後加入了這項工作，隨後不久，我們的另一位合著者（Wilson）也加入了。
多重挑戰
為了預防 HIV 感染，任何疫苗（包括基於我們研究的疫苗）都必須應對許多挑戰。首先，它必須刺激免疫系統產生特定型別的抗體。最有效的抗體是那些既能識別完整病毒（就 HIV 而言，特異性地透過瞄準包膜蛋白）又能以某種方式與其結合，從而阻止該病毒進入細胞的抗體。研究人員將這些關鍵的防禦分子稱為中和抗體，因為它們中和了病毒的感染性。
然而，為了在全球範圍內預防感染，我們不能僅僅產生任何普通的中和抗體；我們需要那些“廣譜活性”的抗體：能夠識別多種不同的包膜蛋白變體，並阻止它們使用 CD4 和 CCR5 進入免疫細胞。理想的中和抗體大概會針對包膜蛋白中病毒株之間差異不大的部分。如果可能，產生針對 Env 幾個不同部分的廣譜活性中和抗體可能是一種更好的策略。
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來源：FALCONIERI VISUALS（主圖）；JEN CHRISTIANSEN（疫苗示意圖）
研究人員還希望疫苗產生的抗體即使在包膜蛋白被一層異常厚的糖分包裹的情況下也能做出反應，這些糖分基本上將 HIV 從免疫系統中掩蓋起來。在未經治療的 HIV 感染過程中，免疫系統設法產生反應（包括產生中和抗體），從而在數年內限制病毒複製，但這種反應太慢且太弱，無法完全根除 HIV。而且，身體可能需要數月或數年的時間才能弄清楚如何產生中和抗體，從而繞過或識別 HIV 的偽裝糖分。與此同時，病毒會破壞越來越多的身體無法承受損失的免疫細胞。
反覆試驗
製造符合我們兩個關鍵標準的三聚體——它不會分解並且會引發針對相關 HIV 毒株的中和抗體——我們的團隊進行了多次嘗試（全部由美國國立衛生研究院資助），並且花費了近二十年的時間才完成。
我們首先從特定 HIV 毒株中分離出 Env 基因，並使用它們合成 Env 蛋白。為此，我們去除了通常將包膜蛋白錨定到 HIV 表面的部分。我們的第一次嘗試產生了一種仍然會分解的蛋白質。其他幾個科學家小組試圖透過基因工程改造包膜蛋白來解決這個問題，從而實際上保證了各個組分會保持在一起。果然，由此產生的分子並沒有完全分解，但它們的結構與在 HIV 上發現的包膜蛋白的結構差異太大，因此證明它們無法引發必要的抗體。
現在是時候在其他與 HIV 有一些結構相似性的病毒中尋找線索了。我們意識到，其中一些病毒表面的蛋白質具有一種化學支柱，將它們相當於 gp120 和 gp41 蛋白的物質與一對硫原子連線起來。我們開始尋找可以將這種硫支柱新增到我們正在合成的 HIV 包膜蛋白中的位置，並利用已知的關於 HIV 三聚體的 gp120 和 gp41 元件如何組裝在一起的知識，對將硫支柱放置在何處以更牢固地將所有東西連線在一起做出一些有根據的猜測。透過反覆試驗，我們找到了正確的位置，但由此產生的三聚體仍然崩潰了——只是崩潰的方式與我們之前的嘗試不同。
然後，我們對 gp41 元件進行了一個小的調整。所有蛋白質都由各種氨基酸組成，氨基酸的電荷等特性使蛋白質呈現出獨特的形狀。Sanders 決定透過進行特定的氨基酸替換，迫使我們的人工三聚體的 gp41 部分呈現略微不同的形狀。最終，他找到了一種替代成分（用脯氨酸代替異亮氨酸），使三聚體能夠保持在一起。我們給我們的工程蛋白命名為“SOSIP”，以紀念使其成為可能的兩個策略：前三個字母 (SOS) 指的是硫支柱，最後兩個字母 (IP) 指的是我們在 gp41 蛋白中所做的關鍵調整。
多年來，情況一直如此。我們的三聚體是穩定的，但是當我們把它們放在液體中時，就像疫苗需要的那樣，它們只是聚集在一起，使它們變得毫無用處。
兩個關鍵進展最終使我們能夠取得新的進展。首先，斯克裡普斯研究所的 Andrew Ward（當時是一名助理教授）加入了確定 Env 三聚體物理結構的工作。Ward 用電子顯微鏡拍攝了我們 SOSIP 三聚體的高度詳細的照片，並表明它們正在吸引脂肪球或脂質，這些脂質基本上使三聚體非常粘稠，導致它們像口香糖一樣凝結。而且，雖然我們的一些人工三聚體看起來像病毒包膜蛋白，但另一些則呈現出非常奇怪的形狀。顯然，我們並沒有始終如一地製造我們想要的尖峰模擬三聚體。
在電子顯微照片的指導下，我們找到了一種方法來切除我們工程三聚體末端的一部分，該部分正在吸收多餘的脂質分子。我們將這些截短的三聚體稱為 SOSIP.664，因為我們現在在何處切除它們：三聚體的每一部分都由一個長長的氨基酸鏈組成，我們將它們在鏈中的第 664 個氨基酸處切除。Ward 透過電子顯微鏡觀察這些稍微短一些的三聚體，發現它們都與在感染性 HIV 毒株上發現的尖峰結構的可見部分非常相似。
此時，SOSIP.664 具有來自一種 HIV 毒株的一種變體的包膜蛋白的氨基酸組成，但我們想要構建一種最有可能引發對多種毒株具有廣泛活性的中和抗體的三聚體。
即使是現在，也沒有人真正知道如何製造一種會在人體內誘導廣譜中和抗體的三聚體。但我們這樣做的最佳機會是至少確保三聚體可以被識別——即在實驗室測試中與從一些感染 HIV 多年的人身上收集的一系列廣譜中和抗體結合。換句話說，為了讓現有的廣譜中和抗體完全附著到特定的三聚體上，從生化角度來看，它必須看起來與天然存在的 Env 蛋白非常相似。因此，將這種密切匹配的三聚體注入未感染的人體內很可能會促使免疫系統產生類似強大的抗體。
由於我們無法預測 Env 蛋白的哪種氨基酸組成會給我們想要的特性，因此我們別無選擇，只能篩選來自世界各地患者的大約 100 種不同病毒株的包膜蛋白。然後，我們從所有這些病毒株中製造了 SOSIP 蛋白，以找到一種在電子顯微鏡下模擬尖峰的變體，並且可以在我們的實驗室測試中與從人體中提取的廣譜中和抗體結合。
最終，我們在從肯亞內羅畢一名出生時感染 HIV 的六週大嬰兒身上採集的樣本中找到了我們正在尋找的東西——該嬰兒的代號為 BG505。這種特殊的病毒株是由西雅圖弗雷德·哈欽森癌症研究中心的 Julie Overbaugh 和她在內羅畢大學的同事分離出來的，有關其基因序列的資訊——以及因此其蛋白質的氨基酸組成——已透過國際艾滋病疫苗倡議組織 (IAVI) 傳遞給我們進行篩選。
第二個進展是發明了一種儘可能純淨地大量生產這種特定三聚體（我們將其命名為 BG505 SOSIP.664，簡稱 BG505 三聚體）的方法。除其他外，這項成就使我們能夠用該材料製造晶體，我們可以透過晶體發射 X 射線來確定其分子結構。這也意味著我們可以製造足夠的量在動物身上進行測試，並最終在人體中進行測試。儘管我們三聚體的實驗室測試看起來很有希望，但我們仍然需要在動物身上證實結果。
我們將 BG505 三聚體注射到兔子和猴子體內，並收集了它們產生的抗 HIV 抗體。當我們將抗體新增到由人體細胞組成的組織培養物中時，我們發現它們確實可以保護這些細胞免受 BG505 病毒的感染，但不能免受其他毒株的感染。儘管抗體不具備最終需要的廣譜中和活性，但我們已經邁出了良好的一步。
接下來的步驟之一是在人體中重複這些實驗。我們迄今為止的大部分蛋白質生產研究都得到了比爾及梅琳達·蓋茨基金會和 IAVI 的支援。我們還在與 IAVI 和 NIH 討論設計和資助一項探索性臨床試驗，該試驗應招募約 50 名志願者。我們不會立即從這種第一代人工三聚體（至少在其當前配置中）開發出保護性疫苗。儘管來自動物實驗的結果在合理程度上可以預測人體中會發生什麼，但它們並非萬無一失。人體臨床試驗將教會我們人類免疫系統如何對我們的人工三聚體做出反應。這種資訊以及來自 Wilson 實驗室的關於三聚體與天然存在的包膜蛋白有多麼相似的資料，應該有助於我們重新設計我們的蛋白質以開發保護性疫苗。我們將不得不調整我們創造的東西，可能不止一次。我們還將利用最近在理解人類免疫系統如何產生廣譜中和抗體方面的進展，來改進我們向人們輸送當前和新型三聚體的方式。
本質上，我們創造了一個可工作的第一代原型，我們可以透過不同的方式對其進行修改，以確定哪種配置最有可能產生最有效的抗體。我們最終的目標——製造一種在人體內誘導針對最常見 HIV 毒株的廣譜中和抗體的疫苗——仍然遠未得到保證。但迄今為止，我們在動物和細胞測試中使用我們的方法取得的良好結果表明，這個問題並非無法解決。
現在，研究界擁有 SOSIP 工具包和方法，可以幫助創造出最好的蛋白質，用於疫苗。許多不同的研究小組目前正在製造他們自己版本的這些尖峰模擬三聚體，以測試他們各自的疫苗設計。未來的幾年最終應該是富有成效的幾年，對於一個長期以來一直在這個棘手問題上苦苦掙扎的領域來說。