盘点：基因疗法&HIV疫苗：治愈艾滋的普罗米修斯之火

HIV，即人类免疫缺陷病毒，自其1983年在美国首次发现以来，科学家们便致力于寻找到治愈这一疾病的方法。其中，结合基因疗法的HIV疫苗是诸多研究中很重要也同时很有希望的一个方向。HIV疫苗的研制曾经历尽坎坷，而近期，来自斯克利普斯研究中心的Farzan团队在这方面取得了值得注目的最新进展，再次引起了人们对这一领域的关注。

那么，研制HIV疫苗为何困难重重？科学家们是如何克服这些困难？基因疗法是如何与疫苗研制结合在一起的呢？本次盘点，带你一起回顾通过基因工程研制HIV疫苗的发展历史以及最新突破。

【1】 研制HIV疫苗为何是一个很困难的事情？

首先，HIV变种多，疫苗很难具有普适性。HIV病毒分为两种亚型（HIV-1，HIV-2），即使同一亚型的病毒在不同患者体内，病毒的毒株也不相同。实验室中针对某一毒株的所开发疫苗或抗体，往往临床上不能对所有患者适用。

其次，传统的通过主动免疫的思路来研制疫苗方法行不通。经典的开发疫苗的办法是使用全部或部分非活性病毒来诱导免疫力，但艾滋病病毒努力隐藏了大部分抗体容易识别的外部结构。因此，想要找到一个能够激发人体的免疫反应，同时还可以对抗病毒的各种不同的突变的分子是十分困难的。

下面着重介绍三个比较重要的研究团队，通过回顾他们的研究来了解HIV疫苗基因疗法的发展。

【2】Philip Johnson团队：富有想象力的开端

既然无法通过主动免疫的方式诱发生物体的免疫力，而采取被动免疫，频繁注射抗体又显得不太现实，那么是否把表达HIV抗体的基因通过某种方式导入人体，使这些基因持续表达抗体，从而巧妙地饶过人自身的免疫系统，使人获得免疫力呢？这一富有想象力的想法早在2002年就有人提出并加以尝试。

宾夕法尼亚州费城儿童医院的儿科医师Philip Johnson和他的团队在Journal of Virology上发表了题目为Generation of Neutralizing Activity against Human Immunodeficiency Virus Type 1 in Serum by Antibody Gene Transfer的论文：他们从艾滋病患者体中提取出来含量稀少的单克隆抗体，这些抗体可以中和大量的HIV-1型病毒。接下来，把表达这些抗体的基因导入对于人体无毒的腺病毒AVV(adeno-associated virus)中，再把这样改造后的AVV病毒注射到小鼠的肌肉细胞中。六个月后，在小鼠的血清中能够检测到较高浓度的HIV中和抗体。

结论一：这项研究说明，腺病毒AVV是可以作为一个载体把抗体基因导入人体中的。同时，注入肌肉细胞后，表达出来的抗体蛋白是可以通过进入血液的。通过这样的方式，我们是可以绕过人的免疫系统，内源性地表达大量的HIV中和抗体的。

那么，问题来了。以这种方式表达出来的抗体是否足以让人体产生对HIV的免疫力呢？紧接着，Johnson团队开展了第二个重要实验，并于2009年把相关成果发表在Nature上。这一次，他们选取了恒河猴身上存在的一种类似于HIV的病毒--SIV病毒来开展实验。在抗体选择上，Johnson把自然提取的抗体加以拼接构造出了一种被他称之为免疫粘合素immunoadhesins 的抗体分子，它可以在人体内保持一定的浓度水平。像第一次一样，研究人员把编码免疫粘合素基因导入AVV然后在注入猴子体内。四周后，当研究人员给9只实验组的猴子（注射改造病毒）和6只对照组（未做任何处理）的猴子注射SIV病毒的时候，实验组中有6只猴子并未被感染，而6只对照组的猴子全部感染了SIV。

结论二：通过腺病毒AVV转导基因的方法是可以让动物体获得免疫力的。

结果固然欣喜，但也为我们提出了新的问题：

1、实验组有三只猴子并没有通过这种方式获得免疫力，而具体原因我们并不清晰。

2、腺病毒AVV到底能够在生物体内存活多长时间并不明确，而这一点和疫苗是否能让人获得长久的免疫能力息息相关。一旦腺病毒AVV被完全杀死或者抑制，那么相应的抗体基因也就无法表达了。

3、还有一个潜在的问题：抗体基因表达出来的抗体分子也许会引起生物体免疫系统的反应，这不仅会限制治疗方法的效果，也许还会导致更严重的后果。

4、最后一点，SIV病毒和HIV相比，对抗体是非常非常的敏感的。所以，当我们用HIV的动物模型来重复试验的时候是否还会出现同样的效果还是一个很大的未知数。

（图为诺贝尔奖得主的病毒学家David Baltimore）

【3】Baltimore团队：进一步优化实验技术，成功让老鼠免疫HIV病毒的诺奖大牛

为了回答以上这些问题，加州理工学院著名生物教授，曾经获得过诺贝尔奖的病毒学家David Baltimore和他的团队在Johnson的工作基础上做了进一步的研究，并把Johnson的思路在感染HIV的小鼠上做了更具体的实践与优化。Blatimore把这个方法称为质粒化的免疫防御（VIP：Vectored Immunoprophylaxis）:

首先，选择基因载体上Baltimore做了进一步的优化，他选择了一种特殊的腺病毒AVV，这种特殊的病毒具有长时间在生物体中存活下来并表达持续表达编码抗体基因的能力，这样就具备了为生物体提供长时间免疫防护的基础。其次，在选择HIV中和抗体上，从2002年到2011年多年来更多针对于HIV高效抗体的出现也让Baltimore有了更多的选择，他在具有类似人类免疫系统的小鼠身上测试了5种不同抗体的效果，每次一个。

实验结果是比较可喜的：这五个不同抗体中，两个名为b12和VRC01的抗体被证明效果很好。即使小鼠接受的艾滋病病毒剂量比自然感染情况高出100倍也能起到保护作用。52个星期后，抗体表达水平仍然很高，表明单剂量可以带来持久的保护。

结论三：Baltimore的实验表明，哺乳动物是可以通过这种基因疗法而获得对于HIV的免疫能力的。而且HIV抗体表达水平可以持续很长一段时间，这将为人体试验阶段做好准备。

【4】Farzan团队：设计高效的人工蛋白质

通过基因工程的方法研制HIV疫苗：Johnson团队应该说是作为先驱为以后的研究提供了基本的实验思路和技术流程，而Baltimore则进一步把这项技术成功应用在哺乳动物上，并使其获得了对于HIV的免疫能力。那么Farzan的工作则是更进一步：

他们根据HIV病毒侵染细胞的过程设计了一个新的抗HIV蛋白分子：eCD4-lg。与自然条件下人体产生的其他分子相比，这个人工合成的蛋白具有更为强大的免疫保护能力。

简单介绍一下HIV病毒侵染细胞的过程：HIV病毒是通过与白细胞表面的两个受体依次结合来感染细胞的。首先，HIV病毒的薄膜糖蛋白gp120与白细胞的CD4受体相结合。这一结合会使gp120蛋白扭曲从而使病毒表面另外一部分区域暴露出来，从而与白细胞表面另外一个受体CCR5相结合。而Farzan等人新构造的蛋白eCD4-lg，是由CD4、CCR5两个受体的一部分连接在同一个抗体上构成的。这样的话，当AIDS病毒和eCD4-lg相结合的时候，该病毒就无法再次侵染细胞了，这样就实现了eCD4-lg这个蛋白对病毒的中和作用。

在试管中进行的实验表明，eCD4-lg与所有已知的自然HIV抗体相比，具有更强的阻止病毒侵染细胞的能力。为了检验eCD4-lg在动物中是否有效，研究者把编码eCD4-lg的基因放到一个没有毒性的病毒中，并用这个改造后的病毒侵染了4只实验组的猴子。在注射了改造过的病毒之后，4只猴子体内产生了大量的eCD4-lg蛋白。接下来的34周里，研究人员对实验组的这4只猴子和对照组的4只猴子（未注射eCD4-lg基因）进行了连续的，大剂量的AIDS病毒的注射。结果正如他们期盼的那样，实验组的猴子并未感染艾滋病，而对照组的猴子全部无一幸免。

总结，人工设计出来的抗体eCD4-lg优势在于：

1、动物体内并未出现对eCD4-lg明显的免疫排斥，初步预测这也许是因为这个蛋白与本体内的细胞成分太相似了。而相反之前研究者所使用的HIV中和抗体都会导致不同程度的免疫排斥。

2、在试管中进行的实验表明，eCD4-lg与所有已知的自然HIV抗体相比，具有更强的阻止病毒侵染细胞的能力。

3、从理论上来说，与广谱中和抗体bNAb相比HIV病毒在与eCD4-lg结合时更不容易发生变异，因为HIV病毒会与蛋白中的CD4和CCR5两个受体部分结合在一起。

4、更为重要的一点，eCD4-lg是与HIV病毒薄膜上保守区域的糖蛋白紧密结合的。这意味着它具有很好地普适性，可以应对不同HIV亚型的多种毒株。

当然，科学界也存在很多质疑eCD4-lg的声音：

Baltimore注意到，这项新的进展仅提供了试管实验以及动物实验的数据。由此，他也补充道："也许eCD4-lg的确是一个比自然HIV抗体更好的分子，但它到底能不能够在病人身上起作用还是一个需要解决的大问题。在临床上，你很难预测到底会发生什么。"需要注意的是，Baltimore团队和Johnson团队各自的艾滋病基因疗法早已进入临床实验期。

Johnson持同样的看法：eCD4-lg并不一定会在人体中比bNAbs具有更好的效果。同时，他还提出了另外一个看法：相比于eCD4-lg，HIV自然抗体的抵抗病毒能力也许稍微弱了一些。但是，这些自然抗体也许已经足以遏制HIV了。"到底（药物）多好才算是好呢？没有人知道具体的程度。所以，只要我们所采用的治疗措施能够有效地阻止疾病的发生就可以了。"

针对这些质疑，Farzan表示自己已经开始着手计划相关的实验，尽力在进入临床实验之前充分检验eCD4-lg的效力和作用，确保不出什么意外的状况。

【结束语】

科学发展的道路从来都不是康庄大道。在结合基因疗法研究HIV疫苗之前，不少科学家曾投身于其他方式研制疫苗，投入了巨大的人力物力，研究甚至都进展到临床早期了，最终都不免以失败告终，令人扼腕叹息。（具体例子可参考默克公司的"STEP"）。更多情况下，我们往往看到的是曾经喧嚣着会治愈艾滋的刺眼新闻标题慢慢被人们所遗忘。

然而，希望总是存在的。通过一系列的回顾，我们可以看到通过基因工程的手段研发HIV疫苗还是一条，至少现在看来，颇具前景的道路。上文所提到过的，Johnson和Baltimore团队的研究都已经纷纷迈入了临床实验期的消息，更是让我们对治愈艾滋病充满了期待。同时，我们也注意到基因疗法潜在的巨大危险，人体是没法对插入的基因产生免疫反应的，我们很难预测这些导入人体的抗体基因会不会还有其他的未知功效。因此，我们需要一步一步谨慎小心的实验论证。困难固然重重，但科学家们不会放弃希望，我们也有理由相信，像历史上多次发生过那样，终有一天，人类会点燃熊熊的普罗米修斯之火，赢得这场与病毒的战斗。（生物谷Bioon.com）

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【参考文献&相关新闻报道】

Zhou T, Kwong P D. Structural basis for broad and potent neutralization of HIV-1 by antibody VRC01.[J]. Science, 2010, 329(5993):811-817.

JF S, H M, N F, et al. Broad diversity of neutralizing antibodies isolated from memory B cells in HIV-infected individuals.[J]. Nature, 2009, 458(7238):636-640.

Balazs, B. A, Chen, et al. Antibody-based protection against HIV infection by vectored immunoprophylaxis.[J]. Nature, 2012, 481(7379):81-84.

Johnson P R, Schnepp B C, Zhang J, et al. Vector-mediated gene transfer engenders long-lived neutralizing activity and protection against SIV infection in monkeys.[J]. Nature medicine, 2009, 15(8).

Nature News: Gene therapy can protect against HIV 

Science News: Stopping HIV with an artificial protein

Science News: Designer Antibodies Derail Monkey AIDS

基因疗法预防艾滋病，有望进入人体试验阶段

令人振奋的意外治愈--"基因疗法"带来治疗艾滋病新希望

【2】Philip Johnson团队：富有想象力的开端

既然无法通过主动免疫的方式诱发生物体的免疫力，而采取被动免疫，频繁注射抗体又显得不太现实，那么是否把表达HIV抗体的基因通过某种方式导入人体，使这些基因持续表达抗体，从而巧妙地饶过人自身的免疫系统，使人获得免疫力呢？这一富有想象力的想法早在2002年就有人提出并加以尝试。

宾夕法尼亚州费城儿童医院的儿科医师Philip Johnson和他的团队在Journal of Virology上发表了题目为Generation of Neutralizing Activity against Human Immunodeficiency Virus Type 1 in Serum by Antibody Gene Transfer的论文：他们从艾滋病患者体中提取出来含量稀少的单克隆抗体，这些抗体可以中和大量的HIV-1型病毒。接下来，把表达这些抗体的基因导入对于人体无毒的腺病毒AVV(adeno-associated virus)中，再把这样改造后的AVV病毒注射到小鼠的肌肉细胞中。六个月后，在小鼠的血清中能够检测到较高浓度的HIV中和抗体。

结论一：这项研究说明，腺病毒AVV是可以作为一个载体把抗体基因导入人体中的。同时，注入肌肉细胞后，表达出来的抗体蛋白是可以通过进入血液的。通过这样的方式，我们是可以绕过人的免疫系统，内源性地表达大量的HIV中和抗体的。

那么，问题来了。以这种方式表达出来的抗体是否足以让人体产生对HIV的免疫力呢？紧接着，Johnson团队开展了第二个重要实验，并于2009年把相关成果发表在Nature上。这一次，他们选取了恒河猴身上存在的一种类似于HIV的病毒--SIV病毒来开展实验。在抗体选择上，Johnson把自然提取的抗体加以拼接构造出了一种被他称之为免疫粘合素immunoadhesins 的抗体分子，它可以在人体内保持一定的浓度水平。像第一次一样，研究人员把编码免疫粘合素基因导入AVV然后在注入猴子体内。四周后，当研究人员给9只实验组的猴子（注射改造病毒）和6只对照组（未做任何处理）的猴子注射SIV病毒的时候，实验组中有6只猴子并未被感染，而6只对照组的猴子全部感染了SIV。

结论二：通过腺病毒AVV转导基因的方法是可以让动物体获得免疫力的。

结果固然欣喜，但也为我们提出了新的问题：

1、实验组有三只猴子并没有通过这种方式获得免疫力，而具体原因我们并不清晰。

2、腺病毒AVV到底能够在生物体内存活多长时间并不明确，而这一点和疫苗是否能让人获得长久的免疫能力息息相关。一旦腺病毒AVV被完全杀死或者抑制，那么相应的抗体基因也就无法表达了。

3、还有一个潜在的问题：抗体基因表达出来的抗体分子也许会引起生物体免疫系统的反应，这不仅会限制治疗方法的效果，也许还会导致更严重的后果。

4、最后一点，SIV病毒和HIV相比，对抗体是非常非常的敏感的。所以，当我们用HIV的动物模型来重复试验的时候是否还会出现同样的效果还是一个很大的未知数。

（图为诺贝尔奖得主的病毒学家David Baltimore）

【3】Baltimore团队：进一步优化实验技术，成功让老鼠免疫HIV病毒的诺奖大牛

为了回答以上这些问题，加州理工学院著名生物教授，曾经获得过诺贝尔奖的病毒学家David Baltimore和他的团队在Johnson的工作基础上做了进一步的研究，并把Johnson的思路在感染HIV的小鼠上做了更具体的实践与优化。Blatimore把这个方法称为质粒化的免疫防御（VIP：Vectored Immunoprophylaxis）:

首先，选择基因载体上Baltimore做了进一步的优化，他选择了一种特殊的腺病毒AVV，这种特殊的病毒具有长时间在生物体中存活下来并表达持续表达编码抗体基因的能力，这样就具备了为生物体提供长时间免疫防护的基础。其次，在选择HIV中和抗体上，从2002年到2011年多年来更多针对于HIV高效抗体的出现也让Baltimore有了更多的选择，他在具有类似人类免疫系统的小鼠身上测试了5种不同抗体的效果，每次一个。

实验结果是比较可喜的：这五个不同抗体中，两个名为b12和VRC01的抗体被证明效果很好。即使小鼠接受的艾滋病病毒剂量比自然感染情况高出100倍也能起到保护作用。52个星期后，抗体表达水平仍然很高，表明单剂量可以带来持久的保护。

结论三：Baltimore的实验表明，哺乳动物是可以通过这种基因疗法而获得对于HIV的免疫能力的。而且HIV抗体表达水平可以持续很长一段时间，这将为人体试验阶段做好准备。

【4】Farzan团队：设计高效的人工蛋白质

通过基因工程的方法研制HIV疫苗：Johnson团队应该说是作为先驱为以后的研究提供了基本的实验思路和技术流程，而Baltimore则进一步把这项技术成功应用在哺乳动物上，并使其获得了对于HIV的免疫能力。那么Farzan的工作则是更进一步：

他们根据HIV病毒侵染细胞的过程设计了一个新的抗HIV蛋白分子：eCD4-lg。与自然条件下人体产生的其他分子相比，这个人工合成的蛋白具有更为强大的免疫保护能力。

简单介绍一下HIV病毒侵染细胞的过程：HIV病毒是通过与白细胞表面的两个受体依次结合来感染细胞的。首先，HIV病毒的薄膜糖蛋白gp120与白细胞的CD4受体相结合。这一结合会使gp120蛋白扭曲从而使病毒表面另外一部分区域暴露出来，从而与白细胞表面另外一个受体CCR5相结合。而Farzan等人新构造的蛋白eCD4-lg，是由CD4、CCR5两个受体的一部分连接在同一个抗体上构成的。这样的话，当AIDS病毒和eCD4-lg相结合的时候，该病毒就无法再次侵染细胞了，这样就实现了eCD4-lg这个蛋白对病毒的中和作用。

在试管中进行的实验表明，eCD4-lg与所有已知的自然HIV抗体相比，具有更强的阻止病毒侵染细胞的能力。为了检验eCD4-lg在动物中是否有效，研究者把编码eCD4-lg的基因放到一个没有毒性的病毒中，并用这个改造后的病毒侵染了4只实验组的猴子。在注射了改造过的病毒之后，4只猴子体内产生了大量的eCD4-lg蛋白。接下来的34周里，研究人员对实验组的这4只猴子和对照组的4只猴子（未注射eCD4-lg基因）进行了连续的，大剂量的AIDS病毒的注射。结果正如他们期盼的那样，实验组的猴子并未感染艾滋病，而对照组的猴子全部无一幸免。

总结，人工设计出来的抗体eCD4-lg优势在于：

1、动物体内并未出现对eCD4-lg明显的免疫排斥，初步预测这也许是因为这个蛋白与本体内的细胞成分太相似了。而相反之前研究者所使用的HIV中和抗体都会导致不同程度的免疫排斥。

2、在试管中进行的实验表明，eCD4-lg与所有已知的自然HIV抗体相比，具有更强的阻止病毒侵染细胞的能力。

3、从理论上来说，与广谱中和抗体bNAb相比HIV病毒在与eCD4-lg结合时更不容易发生变异，因为HIV病毒会与蛋白中的CD4和CCR5两个受体部分结合在一起。

4、更为重要的一点，eCD4-lg是与HIV病毒薄膜上保守区域的糖蛋白紧密结合的。这意味着它具有很好地普适性，可以应对不同HIV亚型的多种毒株。

当然，科学界也存在很多质疑eCD4-lg的声音：

Baltimore注意到，这项新的进展仅提供了试管实验以及动物实验的数据。由此，他也补充道："也许eCD4-lg的确是一个比自然HIV抗体更好的分子，但它到底能不能够在病人身上起作用还是一个需要解决的大问题。在临床上，你很难预测到底会发生什么。"需要注意的是，Baltimore团队和Johnson团队各自的艾滋病基因疗法早已进入临床实验期。

Johnson持同样的看法：eCD4-lg并不一定会在人体中比bNAbs具有更好的效果。同时，他还提出了另外一个看法：相比于eCD4-lg，HIV自然抗体的抵抗病毒能力也许稍微弱了一些。但是，这些自然抗体也许已经足以遏制HIV了。"到底（药物）多好才算是好呢？没有人知道具体的程度。所以，只要我们所采用的治疗措施能够有效地阻止疾病的发生就可以了。"

针对这些质疑，Farzan表示自己已经开始着手计划相关的实验，尽力在进入临床实验之前充分检验eCD4-lg的效力和作用，确保不出什么意外的状况。

【结束语】

科学发展的道路从来都不是康庄大道。在结合基因疗法研究HIV疫苗之前，不少科学家曾投身于其他方式研制疫苗，投入了巨大的人力物力，研究甚至都进展到临床早期了，最终都不免以失败告终，令人扼腕叹息。（具体例子可参考默克公司的"STEP"）。更多情况下，我们往往看到的是曾经喧嚣着会治愈艾滋的刺眼新闻标题慢慢被人们所遗忘。

然而，希望总是存在的。通过一系列的回顾，我们可以看到通过基因工程的手段研发HIV疫苗还是一条，至少现在看来，颇具前景的道路。上文所提到过的，Johnson和Baltimore团队的研究都已经纷纷迈入了临床实验期的消息，更是让我们对治愈艾滋病充满了期待。同时，我们也注意到基因疗法潜在的巨大危险，人体是没法对插入的基因产生免疫反应的，我们很难预测这些导入人体的抗体基因会不会还有其他的未知功效。因此，我们需要一步一步谨慎小心的实验论证。困难固然重重，但科学家们不会放弃希望，我们也有理由相信，像历史上多次发生过那样，终有一天，人类会点燃熊熊的普罗米修斯之火，赢得这场与病毒的战斗。

生物谷授权

【参考文献&相关新闻报道】

Zhou T, Kwong P D. Structural basis for broad and potent neutralization of HIV-1 by antibody VRC01.[J]. Science, 2010, 329(5993):811-817.

JF S, H M, N F, et al. Broad diversity of neutralizing antibodies isolated from memory B cells in HIV-infected individuals.[J]. Nature, 2009, 458(7238):636-640.

Balazs, B. A, Chen, et al. Antibody-based protection against HIV infection by vectored immunoprophylaxis.[J].Nature, 2012, 481(7379):81-84.

Johnson P R, Schnepp B C, Zhang J, et al. Vector-mediated gene transfer engenders long-lived neutralizing activity and protection against SIV infection in monkeys.[J]. Nature medicine, 2009, 15(8).

Nature News: Gene therapy can protect against HIV 

Science News: Stopping HIV with an artificial protein

Science News: Designer Antibodies Derail Monkey AIDS