由風疹引起的出生缺陷，一排排鐵肺收容著被脊髓灰質炎致殘的兒童，或者嬰兒與百日咳抗爭的可怕聲音，仍然會在親眼目睹過這些和其他疫苗可預防疾病造成的損害的人們心中喚起恐懼。幸運的是，對於一生都能獲得疫苗的現代世代來說，這些災難幾乎是聞所未聞的。
200多年來，疫苗已被證明是預防傳染病最成功、最挽救生命和最經濟的方法之一，僅次於飲用水消毒。疫苗使數百萬人免於早逝或致殘疾病，並使1979年全球根除天花成為可能。健康專家現在承諾消除脊髓灰質炎、麻疹，甚至可能有一天消除瘧疾——儘管，正如我們將看到的，瘧疾疫苗需要創新的免疫接種方法才能成功。
廣義上講，疫苗接種的前提是，接觸少量致病微生物會教會人體免疫系統識別它，並準備好在下次遇到它時進行抵抗。但經典疫苗並非總是對所有人有效，也不能預防所有疾病。某些人群，如老年人，可能免疫系統過於虛弱，無法對傳統疫苗做出充分反應。某些致病生物體已經能夠逃避疫苗引起的免疫防禦——瘧疾、肺結核和艾滋病是疫苗仍然無法可靠預防的疾病的例子。疫苗接種的原理也可以擴充套件到許多其他疾病，如癌症、過敏症或阿爾茨海默病，但這些應用將需要激發免疫系統對通常只能微弱識別或根本不識別的東西做出反應。
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在所有這些情況下，增強身體識別和響應疫苗能力的免疫系統刺激物可能會起到關鍵作用。這種免疫刺激物質通常被稱為佐劑，源自拉丁語 adjuvare，意思是“幫助”。有些佐劑已經為人所知一個多世紀，並被用於增強疫苗和癌症療法。然而，與疫苗本身的機制一樣，直到最近，人們對佐劑如何與免疫細胞相互作用的確切細節仍然知之甚少。免疫學的巨大進步，尤其是在過去十年中，為佐劑如何產生作用提供了新的見解，併為設計精確定製的疫苗開闢了道路，以保護目標人群和對抗特定病原體。藉助這些新工具，曾經不可能創造的疫苗現在正在開發中，現有疫苗也變得更加高效和有效。
模擬感染以避免感染
許多自然感染至少有一個好處，那就是一次疾病發作會賦予對致病病原體的終身免疫力。理想的疫苗也應提供這種持久的保護，最好只需一劑，甚至可能預防相關的威脅，例如不斷進化的人類流感病毒家族的所有成員。為了實現這些目標，疫苗必須調動免疫系統中的多個細胞參與者，與真實感染期間受刺激的細胞相同。
當野生病原體首次進入人體時，它會立即遇到先天免疫系統的細胞，這些細胞不斷巡邏以尋找入侵者。這些哨兵包括巨噬細胞和樹突狀細胞，它們吞噬和破壞病原體以及受感染的身體細胞。然後，警衛細胞分解它們攝取的物質，並展示入侵者成分的樣本——稱為抗原——以便適應性免疫系統的成員 T 細胞和 B 細胞能夠熟悉病原體的外觀。與此同時，抗原呈遞細胞釋放稱為細胞因子的訊號化學物質，這些物質會誘導炎症並警告 T 細胞和 B 細胞注意緊急情況。
一旦適應特定病原體的 T 細胞和 B 細胞群體成熟，B 細胞就會釋放抗體分子，而殺傷性 T 細胞會尋找並摧毀已經被入侵者定植的細胞。與抗原呈遞細胞相互作用以建立這些定製的 T 細胞和 B 細胞需要幾天時間，但它們中的一部分可以作為“記憶”細胞留在體內——有時長達數十年——隨時準備抑制同一生物體的任何再次感染企圖。疫苗透過引入整個病原體或其片段來複制此過程，這些片段將被識別為外來入侵者。並非所有疫苗都能成功產生完整的免疫反應，但有些病原體可以僅透過抗體來阻止，因此不需要殺傷性 T 細胞來提供保護。
病原體的性質及其致病方式是疫苗設計者在選擇使用哪種抗原時需要考慮的因素。標準疫苗中施用的物質可能是活的但已減弱（“減毒”）的細菌或病毒；整個生物體的滅活或滅活版本；或從原始病原體中提取的純化蛋白質。每種選擇都有優點和缺點。
活的減毒疫苗在體內繁殖非常緩慢，但由於它們確實會繁殖，因此會繼續向免疫系統呈遞抗原，因此它們可以觸發強大而持久的免疫反應。然而，由於其固有的感染性，減毒疫苗不能用於免疫系統較弱的個體，這些個體可能會不堪重負。某些活病毒發生突變並恢復為毒性形式的危險也使得減毒疫苗對於 HIV 等致命病原體而言過於危險而無法使用。
更常見的是由整個病毒顆粒組成的疫苗，這些病毒顆粒已使用加熱等方法“殺死”。顆粒無法複製，但病毒蛋白質仍然相對完整，並且容易被免疫細胞識別，儘管需要定期加強注射以增強免疫反應。
第三種形式是亞單位疫苗，它在不引入微生物（無論是完整的還是其他形式的）的情況下向免疫系統呈遞抗原。這種抗原可以從病原體本身分離出來，也可以透過重組基因工程製造。然而，由於亞單位疫苗僅包含病原體的一部分，因此它們並不總是觸發刺激最佳免疫反應所需的危險訊號。
近年來，科學家們已經認識到抗原呈遞細胞，特別是樹突狀細胞，在評估病原體構成的威脅程度和確定必要的反應方面發揮的關鍵作用。當樹突狀細胞在感染部位或疫苗注射部位載入抗原時，它們會成熟並遷移到附近的淋巴結，在那裡它們開始發出訊號和相互作用，從而引發保護性的 B 細胞和 T 細胞反應。如果沒有整個微生物特有的危險指示器，樹突狀細胞就無法正常成熟和遷移，亞單位疫苗通常需要佐劑來提供刺激樹突狀細胞採取行動的危險訊號。
美國使用的大多數疫苗已經包含最古老的佐劑之一，明礬，它是鋁鹽化學家族成員的簡寫術語。儘管明礬自 20 世紀 30 年代以來已用於人類疫苗，並且已證明其在許多現有疫苗中的有用性，但對於對抗需要抗體保護以上才能有效的疾病的疫苗而言，它是不夠的。
各種可能導致危及生命的感染的病原體，如 HIV、丙型肝炎病毒、結核分枝桿菌和瘧原蟲寄生蟲（瘧疾的來源）可以逃避抗體，而對抗這些病原體的有效疫苗需要刺激強大的 T 細胞反應。事實上，對抗這些極具挑戰性的生物體的努力激發了人們對疫苗佐劑的重新興趣，同時推動了對免疫系統的理解的突破，這反過來又促成了更好的佐劑的出現。
佐劑的復興
早在 19 世紀 80 年代法國化學家路易斯·巴斯德正在與一隻狂犬病鬥牛犬搏鬥以提取唾液用於第一支狂犬病疫苗時，一位紐約骨科外科醫生在不知不覺中發明了一種增強整體免疫反應的技術，可以被認為是佐劑的首次使用。紐約癌症醫院的威廉·B·科利對腫瘤在感染了特定菌株的鏈球菌細菌（化膿性鏈球菌）的癌症患者中縮小或完全消失的報告很感興趣。他憑直覺認為患者對細菌的免疫反應增強了他們對抗腫瘤的能力，因此他在 1881 年開始了一系列實驗，向癌症患者施用活細菌，後來又輸注滅活細菌。這些療法，後來被稱為“科利毒素”，取得了一些令人印象深刻的緩解，儘管它們的確切作用機制長期以來一直是個謎。
儘管如此，20 世紀早期的研究人員還是擴充套件了細菌和其他物質可以改善人類自然免疫反應的想法。法國獸醫加斯頓·拉蒙和英國免疫學家亞歷山大·T·格萊尼嘗試使用木薯和氫氧化鋁等各種物質來提高給予動物的白喉和破傷風疫苗的有效性。在 20 世紀 30 年代，其他科學家發現，將抗原懸浮在油和水的乳液中可以增強疫苗效力，並且細菌提取物（如脂多糖 (LPS)，某些細菌細胞壁的成分）繼續得到探索。許多這些新增劑都具有預期的效果，但不良反應（如過度炎症）往往使這種方法不可預測。
因此，對佐劑研究的興趣逐漸消退，直到 20 世紀 80 年代，一種新的病毒挑戰的到來呼喚部署一切可以想象到的策略。事實證明，HIV 遠遠超出了經典疫苗接種方法的範圍。該病毒選擇性地攻擊 T 細胞，有效地使適應性免疫系統失效，並且它不斷地變形，以至於抗體永遠無法跟上它。從事重組 HIV 蛋白疫苗研究的研究人員不得不尋找方法來增強免疫系統對抗原的識別，從而引導他們嘗試已知佐劑的組合，以及改進這些佐劑以塑造新的佐劑。
然而，佐劑研究的最大突破可能發生在 1997 年，當時發現樹突狀細胞表面和內部的專門模式識別受體專門用於識別微生物的基本組成部分，例如在許多不同細菌的尾巴中發現的蛋白質鞭毛蛋白。這些病原體檢測受體提供危險訊號，刺激樹突狀細胞採取行動，並提供有關存在何種型別威脅的資訊。在這些新發現的細胞金鑰中，一類被稱為 Toll 樣受體 (TLR) 的受體似乎對驅動樹突狀細胞的行為最為重要[參見 Luke A. J. O’Neill 的文章“免疫系統的早期預警系統”；《大眾科學》，2005 年 1 月]。
迄今為止，已鑑定出 10 種功能性 Toll 樣受體，每種受體都能識別病毒或細菌的不同基本主題。例如，TLR-4 識別 LPS，而 TLR-7 則記錄某些病毒典型的單鏈 RNA。在這些發現之後，人們清楚地認識到，微生物提取物之所以充當免疫刺激佐劑，是因為它們透過 TLR 為樹突狀細胞提供了危險訊號。這些機制的揭示意味著疫苗設計者可以使用一種或多種佐劑來靶向特定的 TLR。
下一代疫苗
20 世紀 80 年代和 90 年代發起的這項研究旨在鑑定和評估天然佐劑，以及合成或修飾的佐劑，這些佐劑可能用於調節對特定病原體或特定人群的免疫反應。這些成分包括傳統佐劑，如明礬，以及油包水乳液，如 MF59 和 AS03，這兩種乳液均已在歐洲獲准用於某些流感疫苗。更廣泛地說，佐劑也可以是任何透過作用於樹突狀細胞或其他免疫細胞型別來提高免疫反應的數量和質量的化合物。
實驗和免疫學的進步使科學家能夠消除早期佐劑中引起不良毒性的元素，並混合和匹配佐劑物質，以便最佳化它們的集體作用，從而引發所需的免疫反應。例如，一種新型佐劑，單磷醯脂質 A (MPL)，是透過對 LPS 分子中的一種脂質進行解毒和進一步純化而產生的，從而產生了一種具有 TLR-4 刺激特性但沒有不良毒性的佐劑。它已被納入幾種已上市或處於後期臨床試驗階段的疫苗中，結果令人鼓舞。
其中一種疫苗是實驗性瘧疾疫苗，我們中的一位（Garçon）作為葛蘭素史克生物製品公司疫苗佐劑中心的負責人，曾幫助開發了這種疫苗。瘧疾是由瘧原蟲屬的原生動物寄生蟲引起的嚴重疾病，每年導致超過一百萬人死亡，其中大部分是五歲以下的兒童。這些寄生蟲能夠隱藏在細胞內，逃避免疫機制。它們也會在生命週期中多次改變形態，因此很難找到一種抗原，使其能夠在感染的所有階段都充當有效的疫苗靶點。引發抗體和 T 細胞介導的免疫以抵抗這些寄生蟲，從而阻止它們進入細胞並摧毀已經被感染的細胞，這一點非常重要。反過來，這些目標需要超越明礬的佐劑。
考慮到所有這些因素，我們的小組開發了一種基於抗原 RTS,S 的疫苗，該抗原連線了寄生蟲表面在進入人類宿主血細胞之前和早期細胞感染期間存在的一種重組部分蛋白質，並將其與乙型肝炎表面抗原連線，以進一步刺激免疫識別。然後，將這種化合物分子與佐劑混合物一起施用，該混合物由油包水乳液、MPL 和 QS21（一種自 20 世紀 30 年代以來用於獸醫學的植物衍生物）組成。在最佳化配方後，我們和我們在沃爾特·裡德陸軍研究所的合作者在涉及願意將手臂伸入裝有攜帶瘧疾的蚊子的盒子中並被叮咬至少五次的志願者的小型人體試驗中嘗試了該疫苗。七名疫苗接種者中有六名免受感染，而接種含有明礬版本的疫苗接種者則沒有。
在持續暴露於寄生蟲的現實生活條件下進行測試才是最終考驗，在甘比亞成年人中進行的更大規模的試驗表明，71% 的受試者在九周的隨訪期間免受感染。後來在莫三比克瘧疾流行地區的兒童中進行的試驗表明，三劑疫苗可保護 30% 的兒童免受感染，並且該組在六個月內的嚴重疾病發生率降低了近 60%。一種包含脂質體的改良版疫苗即將完成對嬰兒的後期（3 期）臨床試驗。作為有史以來第一種顯示出對瘧疾感染和嚴重疾病具有顯著保護率的疫苗，它為控制該疾病帶來了巨大的希望。
這種疫苗的成功說明了合理疫苗設計的潛力，即結合抗原和佐劑來產生所需的免疫反應——無論是製造新疫苗還是改進舊疫苗。許多通常成功的現有疫苗可能對某些人群不安全或無效，包括最需要它們的人群。季節性流感就是一個例子：老年人和嬰兒最容易受到致命的流感感染，因為嬰兒的免疫系統尚未完全發育，並且免疫反應也會隨著年齡的增長而下降。在 65 歲以上接種標準流感疫苗的人中，只有大約一半的人會產生足夠的抗體來預防感染。
相比之下，一種含有油包水乳液 AS03 的實驗性季節性流感疫苗在 90.5% 的 65 歲或以上受試者中產生了保護性抗體水平。由於佐劑增強了免疫細胞對抗原的識別，因此它們也可以用於以更少的抗原製造有效的疫苗。在需要為潛在的龐大人口快速接種疫苗的大流行情況下，這種考慮尤其重要。另一種實驗性 AS03 疫苗，這次是針對禽 H5N1 流感毒株的疫苗，僅使用典型季節性流感疫苗中三分之一的抗原量就引發了保護性抗體反應。
這些例子說明了那些接近廣泛人類使用的新型疫苗，因為 20 世紀 80 年代和 90 年代佐劑的復興和發展現在正在結出碩果。科學家在那時意識到樹突狀細胞的模式識別能力是先天免疫系統和適應性免疫系統之間至關重要的聯絡，這也使得新型佐劑的設計成為可能。這項工作尚處於早期階段，但有可能建立一個佐劑成分庫，疫苗設計者可以從中挑選和選擇，以構建具有前所未有的精確度的疫苗。
新一代佐劑
隨著免疫學和分子生物學的進步，材料科學為實現佐劑效果提供了許多新方法。脂質體載體已被用於封裝藥物和其他物質，將其內容物輸送到體內的目標組織，同時保護它們免受降解。當用於攜帶疫苗抗原時，它們提供類似的保護，建立一個儲存庫，允許抗原長時間暴露於免疫細胞。這種原理的變體見於聚合物抗原籠，例如，既由天然多糖（如細菌細胞壁中發現的那些）製成，也由合成聚酯製成。這些材料還具有摻入天然或新增的免疫刺激化學物質的額外好處，這些物質可以觸發所需的免疫細胞訊號傳導。
隨著免疫細胞語言被破譯，科學家們逐漸認識到，樹突狀細胞發出的早期訊號以發出警報，也指導了反應的性質，具體取決於手頭的威脅型別。因此，疫苗設計者理論上可以定製佐劑組合，以召喚強調抗體產生的免疫反應，或者優先刺激某些 T 細胞亞群的免疫反應。事實上，訊號分子本身就是正在實驗性地嘗試作為佐劑的物質之一。一類稱為白細胞介素 (IL) 的細胞因子長期以來一直用於增強癌症和艾滋病治療中的免疫力，但白細胞介素是樹突狀細胞自然產生的，細胞的訊號混合物可以決定哪些免疫細胞會做出反應——例如，IL-4、IL-5 和 IL-6 增強殺傷性 T 細胞的產生，而 IL-2 和 IL-12 將有利於抗體反應。
可以透過 TLR 啟用劑的組合實現類似的效果。各種 TLR 識別微生物產物，其中之一 TLR-4 也識別身體在壓力下釋放的分子，稱為熱休克蛋白。一些 TLR 啟用劑與非 TLR 佐劑（如油乳液）的組合在啟用樹突狀細胞方面顯示出特別強的協同作用，並且可能在一些最具挑戰性的疫苗應用中證明有用。
其中之一是癌症，這是一種不尋常的疫苗靶點，因為癌細胞不是外來入侵者，而是從受害者自身體內產生的。因此，免疫系統確實會對腫瘤細胞產生一些反應，但這很少足以對抗癌症。刺激對腫瘤細胞的免疫反應的治療性疫苗的嘗試遇到了令人失望的結果；然而，正確的佐劑組合可能會有所作為。各種採用不同佐劑組合的實驗性癌症疫苗已產生有希望的結果。
其中一種疫苗目前正處於後期臨床試驗階段，它將一種高度特異於某些腫瘤細胞的抗原 (Mage-A3) 與 AS15（一種由穩定脂質體、MPL 和 QS-21 以及稱為 CpG 的細菌成分組成的佐劑混合物）相結合。在非小細胞肺癌患者的試驗中，96% 的接受疫苗者表現出強烈的 Mage-A3 抗體反應，並表明已觸發了理想的白細胞介素訊號傳導。幾乎三分之一的患者經歷了腫瘤的穩定或消退。另一項正在進行的試驗正在將 CpG 與化學療法和放射療法一起用於對抗多種型別的癌症。CpG 是一種獨特的細菌 DNA 基序，可被 TLR-9 識別，並刺激樹突狀細胞啟用強大的 T 細胞反應。因此，它作為佐劑的用途與威廉·科利很久以前對癌症患者進行的細菌治療相呼應。恰如其分地，為開發 CpG 作為佐劑而建立的公司被命名為 Coley Pharmaceuticals。
我們描述的各種佐劑系統正在推動透過疫苗接種預防疾病的極限，並在未滿足醫療需求的領域帶來巨大的希望。將 CpG 新增到豚草抗原的早期臨床試驗已顯示出作為花粉熱疫苗的前景。佐劑誘導免疫防禦以識別相關流感毒株的能力為建立更廣泛保護性的流感疫苗提供了可能性。對於那些免疫系統因疾病或化療而受損的人來說，他們可能首次有機會獲得能夠引發免疫保護的疫苗。佐劑可能不是解決現代疫苗庫所有缺點的答案，但它們肯定會提供部分解決方案。
當然，調節免疫系統是一項細緻的工作，並且持續的關鍵疫苗安全性評估以及關於下一代疫苗和佐劑的準確資訊的透明傳播至關重要。詳細瞭解新疫苗中摻入的佐劑的作用模式正在指導其開發，並將指導其使用和監測。令人鼓舞的是，最先進的佐劑預防性疫苗尚未顯示出任何值得關注的問題跡象，但開發人員必須保持警惕。
隨著該領域的不斷發展，疫苗將更好地為特定亞人群服務，並以合理的方式靶向疾病，從而在平衡安全性和有效性的同時，引發最佳的免疫保護。這就是未來的疫苗開發。而那個未來即將到來。
注：本文最初以標題“增強疫苗的力量”印刷。