2007年，當一項針對艾滋病毒的備受期待的疫苗在一項3000人的臨床試驗中出人意料地未能保護任何人時，艾滋病研究人員和倡導者感到震驚。更糟糕的是，這項由默克製藥公司和國家過敏症和傳染病研究所資助開發的實驗性疫苗，實際上增加了某些人日後感染艾滋病毒的機率。數百萬美元和十多年的研究投入都用於研製這種疫苗。與此同時，在同樣的10年期間，有1800萬人死於艾滋病，還有數百萬人口被感染。
默克疫苗失敗的主要原因是研究人員尚不清楚如何研製出完美的疫苗。是的，一些疫苗已經取得了巨大的成功。想想脊髓灰質炎和小兒麻痺症。但事實上，運氣在這些成功中起到了很大的作用。基於對免疫系統和病原體生物學的有限瞭解，研究人員對可能有效的疫苗配方進行了有根據的猜測，然後，或許經過一些調整，很幸運地被證明是正確的，因為疫苗保護了人們。但是，對所需免疫反應缺乏深入瞭解往往會導致失望，疫苗候選藥物只有在進行大型人體試驗後才被認為無效。
如果研究人員有一種更快、更有效的方法來開發和評估潛在的疫苗，那會怎麼樣？理想情況下，替代方法應包括清楚瞭解疫苗要誘導強烈的保護性反應，必須發生的精確免疫反應混合物。例如，哪些免疫細胞亞群需要相互作用，以及以何種方式？哪些基因集合必須被這些細胞啟用或抑制？然後，研究人員可以將這些資訊彙編成保護性免疫的系統級概況或特徵。反過來，這種模式可以作為確定疫苗需要做些什麼來預防疾病的指南。科學家可以比較數百種可能的配方，選擇只追求那些產生接近理想免疫概況的配方。然後，他們可以在小型、快速的人體試驗中改進這些潛在的疫苗配方，直到最終開發出少數幾種能夠產生儘可能接近最佳生物學特徵的候選疫苗。透過在這些小型測試中努力匹配理想的特徵，他們可以在極短的時間內瞭解疫苗是否有很好的機會發揮作用。到最終實驗性疫苗在大型人體臨床試驗中進行測試時，它幾乎肯定會成功。
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直到最近，科學家們還沒有工具或專業知識來接近這個願景。我們需要跨學科團隊，能夠共同理解免疫學和微生物生物學，以及如何建模複雜的生物系統，並在海量資料中找到有用的模式。我們需要能夠同時和重複測量基因活動、蛋白質水平、細胞行為和其他免疫反應特徵的技術——更不用說能夠處理所有這些資料的計算機和軟體了。
然而，現在，許多在稱為系統生物學領域工作的研究人員正在組建這樣的團隊，並已採取初步措施開發可以大大改進疫苗設計方式的工具。作為一個群體，我們開始詳細破譯保護人體免受艾滋病毒侵害所需的免疫反應。系統生物學方法現在正被用於開發針對艾滋病、結核病、瘧疾和流感的疫苗。
案例分析
所有疫苗，無論是用傳統方法配製還是基於系統生物學研究，都包含病毒、細菌或寄生蟲的片段，這些片段會觸發非常特異性的免疫反應。有時，這些科學家稱為抗原的片段是整個但較弱的病毒的一部分（就像 200 年前，愛德華·詹納用擠奶女工牛痘水皰中的膿液給一個年輕男孩接種天花疫苗的情況一樣）。有時，抗原是感染性病原體的整個但完全滅活形式的一部分（例如索爾克版本的脊髓灰質炎疫苗），或者抗原顆粒本身就充當疫苗（如針對白喉、百日咳和破傷風的疫苗）。疫苗也可能包括佐劑——通常可以增強免疫活性的物質。當一切順利時，免疫系統會對疫苗中的抗原做出反應，並精心協調一系列分子和細胞事件，使身體能夠阻止未來感染任何攜帶相同或相似抗原的病毒或細菌。疫苗開發人員的訣竅是找到抗原物質和佐劑的正確組合，以提供最強的保護。
儘管黃熱病疫苗 YF-17D 是以傳統方式開發的，但它卻一針見血。它是生產的最有效的疫苗之一。單次注射在一週內提供有效免疫力，保護期至少持續 30 年。這一成功為測試系統生物學的一些思想和方法提供了一個機會，並促成了一項旨在做到這一點的研究——該研究由埃默裡大學的 Bali Pulendran 領導，並得到了同樣在埃默裡大學的 Rafi Ahmed 團隊以及我在西雅圖系統生物學研究所 (ISB) 的團隊的幫助。因為我們知道疫苗有效，所以我們認為我們應該能夠識別出詳細的分子和細胞變化特徵，這些變化解釋了接種疫苗者取得成功的原因。我們確實找到了這樣的特徵，並正在利用這一經驗來嘗試弄清楚為什麼艾滋病毒疫苗一直未能激起預防感染所需的免疫力。
我們從用 YF-17D 疫苗接種 25 名健康志願者開始了我們的黃熱病實驗。然後在幾個時間點從受試者身上採集血樣：注射時，以及之後的第一天、第三天、第七天和第二十一天。每個血液樣本都放入自動篩選裝置中，以確定哪些基因正在被啟用。當然，基因不會直接製造細胞所需的蛋白質。首先，基因的 DNA 被轉錄成信使 RNA 分子，然後信使 RNA 分子被用作構建蛋白質的模板。因此，透過觀察 RNA 水平，我們不僅可以知道哪些基因被表達（用於製造蛋白質），還可以知道它們的活躍程度。
正如我們預期的那樣，YF-17D 疫苗接種首先激活了先天免疫系統，這是人體防禦系統中較古老（從進化角度來看）的兩個分支之一。先天免疫系統對所有形式的病原體提供立即的反擊。先天免疫細胞內化並殺死大多數入侵的微生物。即使先天反應通常可以自行處理外部威脅，先天免疫系統也會指示較年輕的適應性免疫系統產生專門針對入侵病原體量身定製的反應，以便下次發生感染時，損害受到限制，並且可以更快地得到控制。
接種疫苗約 10 天后，志願者的先天防禦系統刺激適應性免疫系統做出反應，並連續兩次齊射。首先，它產生了稱為抗體的特殊蛋白質，以對抗黃熱病病毒的各個部分，然後它激活了一組稱為殺傷性 T 細胞的免疫細胞，這些細胞識別並摧毀體內受感染的細胞。在多次分析過程中，我們確定了 65 個在人體對 YF-17D 疫苗的反應中起關鍵作用的基因。更深入的分析表明，涉及這些基因的一種特定表達模式尤其能指示強大的抗體和殺傷性 T 細胞啟用。換句話說，我們證明了我們的觀點。我們可以非常詳細地測量免疫系統的哪些基因在對黃熱病疫苗的強烈免疫反應過程中被開啟或關閉。佛羅里達州疫苗和基因治療研究所的 Rafick-Pierre Sékaly 獨立地發現了類似的結果，並且研究之間的一致性令人欣慰。
這些結果尤其令人欣慰的是，來自疫苗接種部位區域性免疫反應的保護特徵可以在血液中測量。原則上，這些發現意味著可以開發一種簡單的診斷測試，基於手指刺破的血液來檢視疫苗的有效性。在未來疫苗的實地研究中收集和分析資料，幾乎不需要高階培訓或複雜的裝置——當您考慮到艾滋病毒、瘧疾和結核病通常在世界上最貧困的地區打擊最嚴重時，這是一個重要的點。
解決艾滋病毒/艾滋病問題
在證明系統生物學方法可以詳細描繪成功疫苗對免疫系統的影響後，我和我的同事們一起解決了艾滋病毒的問題。我們的下一個最佳步驟是比較幾種疫苗配方，看看是否有任何一種疫苗能引起理想的免疫反應。但是我們不——而且仍然不——真正知道對艾滋病毒的理想免疫反應是什麼樣的，所以找到這樣的特徵是我們目前的主要目標之一。我們正在開始在動物身上尋找線索。
研究表明，猴子可以感染猴免疫缺陷病毒 (SIV)，該病毒與艾滋病毒有許多相似之處。這種易感性很重要，因為可以在研究中故意感染猴子，而對人類這樣做是不道德的。
西雅圖生物醫學研究所的研究人員與俄勒岡健康與科學大學的 Louis Picker 和美國國立衛生研究院的 Robert Seder 合作，正在猴子身上測試不同的基於 SIV 的疫苗，以更多地瞭解與對該病毒的強烈免疫反應相關的免疫學特徵。迄今為止，我們已經確定了早期先天免疫反應的幾個特徵，這些特徵可以預測哪些接種疫苗的動物在隨後暴露於 SIV 後血液中的病毒會減少。
那些其表達與增強抵抗病毒能力相關的基因，在免疫反應的網路圖中表現為高度連線的節點；這些節點代表單個基因，它們之間的連線表明它們相互影響彼此的活動[見下兩頁的方框]。由於猴子和人類共享許多相同的基因，因此最佳猴子反應的特徵可能會讓我們瞭解人類對艾滋病毒的強烈反應的特徵，並且也可以用於評估不同疫苗在人類中的有效性。
Picker 和 Sékaly 正在研究一個相關的問題。他們正在應用系統級方法來了解為什麼用減弱版本的 SIV 製成的疫苗特別擅長保護非人類靈長類動物免受以後的感染。不幸的是，就艾滋病毒而言，即使使用減弱的病毒也太危險了。隨著時間的推移，它偶爾會與全強度的病毒重組，使人們患上它本應預防的疾病。（這就是為什麼在美國不再常規使用活體脊髓灰質炎疫苗的原因。）成功可能會為誘導類似於減毒病毒提供的反應指明方向，而無需冒實際在疫苗中使用它的風險。
從失敗中學習
來自各個機構的科學家現在已經證明，系統方法可以在疫苗開發的多個階段發揮作用。我們已經生成了完全保護性疫苗 (YF-17D) 的免疫特徵。我們已經開發了成功接種疫苗的猴子的免疫概況。但是在嘗試開發新的艾滋病毒疫苗之前，我們希望解決一些難題。其中包括：我們能否確切解釋為什麼默克疫苗在 2007 年失敗——這一失敗震驚了艾滋病界，並註定了看似非常有希望的疫苗候選物？
默克疫苗（名為 MRKAd5/HIV-1）當然不是第一個針對艾滋病毒進行測試的疫苗。以前的臨床試驗側重於觸發有效的抗體反應，以在所有艾滋病毒顆粒在體內紮根之前將其清除。不幸的是，生成此類疫苗的三種主要策略中有兩種無法使用。使用減弱版本的艾滋病毒太危險了，而完全滅活的艾滋病毒顆粒沒有產生合適的抗體。剩下的就是單獨使用艾滋病毒的片段，或者將其附著在其他病毒上（以增強免疫活性）。唉，即使是這些型別的疫苗，迄今為止也沒有產生明確有效的抗體反應。（2009 年在泰國發布的一項疫苗試驗的結果表明抗體反應效果適中，但益處不足以保護所有人，所有研究人員都認為該疫苗需要改進。）
MRKAd5/HIV-1 專案採取了不同的策略。它沒有試圖引發強烈的抗體反應，而是旨在啟用適應性免疫系統的殺傷性 T 細胞反應。與之前的嘗試一樣，默克疫苗使用了與更安全的病毒複合的特定艾滋病毒抗原——在本例中是 5 型腺病毒，稱為 Ad5——以避免與使用整個艾滋病毒顆粒相關的問題。（腺病毒是普通感冒的常見原因。）免疫學家理解，即使完全成功，這項努力也無法阻止病毒感染細胞；抗體也必須存在才能實現這一目標。但至少，它將透過殺死那些受感染的細胞，將病毒繁殖保持在最低限度。理論上，該疫苗將使任何接觸艾滋病毒的人能夠無限期地對抗病毒。
這種方法是最先進的。該研究將是對專門設計用於啟用 T 細胞以殺死 HIV 感染細胞的疫苗的首次大規模測試。在非人類靈長類動物中進行的初步研究強烈表明，該疫苗將為人類提供一定程度的保護。
令人驚訝的是，默克疫苗沒有起作用。儘管成功地誘導了 T 細胞反應，該反應精確地針對超過 75% 的受試者（這是一個非常顯著的結果）中的 HIV 感染細胞，但對資料的中期分析表明，疫苗組和安慰劑組之間的 HIV 感染率和病毒水平沒有差異。更令人震驚的是，接受疫苗的 Ad5 抗體（由於之前暴露於無關的 5 型腺病毒感染）參與者似乎比安慰劑組的人更容易感染。
我們與西雅圖弗雷德·哈欽森癌症研究中心的 Julie McElrath 合作分析了默克疫苗。我們共同確定，暴露於 MRKAd5/HIV-1 疫苗會在接種疫苗後的 24 小時內開啟數千個基因。這種反應與極高的 T 細胞啟用率一致。我們進一步瞭解到，這些基因包括先天免疫系統的所有預期主要參與者。但是，當我們檢視從已經擁有 Ad5 抗體（疫苗試驗中 HIV 感染率較高的同一組）的研究物件身上採集的血液樣本時，我們發現他們的先天免疫系統的增強被嚴重削弱了。
這種關鍵的弱點——完全出乎意料——很可能使這些研究參與者在日後與艾滋病毒陽性伴侶發生性行為或共用針頭時更容易被感染。我們目前正在進行進一步的研究，以確定我們是否可以證實這一假設，並解釋為什麼強烈的 T 細胞反應沒有為受試者提供任何保護。
後續步驟
目前，系統方法似乎最適合在實驗性疫苗配製完成後對其進行測試，以檢視它們是否可能提供有效的保護。然而，最終的目標是從頭到尾設計疫苗，以便我們預先知道它們將觸發所需的免疫反應。
科學家們已經取得了重大進展——例如，在瞭解某些佐劑如何影響免疫系統方面。我的團隊已經檢查了由各種佐劑啟用的基因網路，並且很明顯，其中一些佐劑會觸發傾向於刺激 T 細胞反應的基因，而其他網路更可能使反應偏向於抗體的產生。透過將關於佐劑的非常詳細的知識與最佳免疫反應的精確分子特徵相結合，我們很可能能夠最佳化針對特定病原體的疫苗的生產。
無論如何，我和我的同事們都認為，系統方法為更審慎和可預測的疫苗設計提供了最大的希望。只有更好地瞭解免疫系統，我們才能為艾滋病、瘧疾和結核病等禍害創造有效的疫苗。迄今為止，引起這些流行病的病原體已經擊敗了我們在傳統方法開發疫苗方面的最大努力。我們絕不能允許另一代數千萬人被這些全球瘟疫消滅。
印刷標題：疫苗快車道