中研院-挑戰卓越

新冠肺炎疫苗研發大直擊!假扮冠狀病毒的奈米疫苗

本文節錄自中央研究院「研之有物」科普平臺

撰文/中央研究院、科學人雜誌企劃製作
2020/07/30

中研院-挑戰卓越

新冠肺炎疫苗研發大直擊!假扮冠狀病毒的奈米疫苗

本文節錄自中央研究院「研之有物」科普平臺

撰文/中央研究院、科學人雜誌企劃製作
2020/07/30


新冠肺炎(COVID-19) 自去(2019)年底爆發,截至今(2020)年7月中,全球已有 1300萬人感染,超過56萬5000人死亡。因專家預測新冠肺炎即將流感化,疫苗研發刻不容緩。中央研究院生物醫學科學研究所長聘副研究員胡哲銘去年曾針對引起MERS(中東呼吸道症候群)的冠狀病毒,以奈米粒子製成「奈米疫苗」。他把過去經驗應用於當前危機,期待能加快研究腳步,催生新冠肺炎疫苗。


新冠肺炎、SARS、MERS都是由冠狀病毒引發的疾病。2015年,南韓爆發MERS 疫情,台灣政府也憂心忡忡。旅居美國多年的胡哲銘正好回到中研院,因緣際會下和台灣大學獸醫系、美國德州大學跨國合作,以奈米粒子模仿MERS冠狀病毒外型,共同研發MERS疫苗。胡哲銘說:「人類的免疫系統經過漫長演化,已經非常發達,仍常常逃不過病毒的感染。但從另一個角度來說,免疫系統被訓練了這麼久,對於病毒的構造很有反應、很會辨識。」人類很早就把活病毒減毒或是死病毒碎片製成疫苗,用來刺激免疫系統,產生抗體與細胞免疫,訓練免疫系統「記住」病毒!


然而傳統的疫苗有很多局限,比如說:減毒的活病毒畢竟是活的,仍有些許風險;死病毒的碎片雖然安全,但病毒已遭破壞,只能刺激產生抗體免疫,殺手T細胞不太能辨識;使用病毒的蛋白質抗原混合刺激免疫因子(佐劑)製成的疫苗,進入體內後,因為佐劑分子太小,免疫系統還沒認出抗原,分子就先在全身亂跑,引起發炎或發燒反應。胡哲銘因此提出新構想:「模仿」病毒的外型製作中空奈米粒子,裡頭裝入強效佐劑,就有機會成為沒有毒性、副作用,卻更有效的奈米疫苗。


奈米疫苗:模仿病毒大作戰


以往奈米技術只能做成實心粒子,無法像病毒一樣中空。光要做出頭髮直徑的萬分之一、大約100奈米大小的實心粒子已經非常困難。胡哲銘採用一種技術「雙乳化法」,應用水、油互不相溶的特性,製作中空粒子,讓粒子內部充滿刺激免疫因子,表面薄殼黏上蛋白質抗原,模仿冠狀病毒的皇冠樣突起。只是過去製作的粒子直徑大約10微米,比病毒粒子大上百倍。想要模仿病毒,必須製作比原來還要小百倍的粒子,雖然只是縮小100倍,難度卻直線攀升。


試想,在正常的尺度下,拿一點水倒入一杯油裡,用力搖一搖,在油中就會產生很多懸浮的小水珠。但水珠越小,表面張力越大,狀態不穩定,很快會聚集成為更大的水珠。「100奈米的水珠表面張力更是大得不可思議。一弄不好,讓水全部聚在一起,油也聚在一起,根本做不出東西。」胡哲銘花很多精神仔細改良每個環節,歷經三年奮戰,終於成功製造出模仿MERS病毒的「薄殼中空奈米粒子」。


他把MERS奈米疫苗注入小鼠身上,發現小鼠體內可產生抗體長達300天,也會強化殺手T細胞。研究成果於去年刊登在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)期刊,並申請多國專利。面對來勢洶洶的新冠病毒,這些寶貴經驗皆有助於破解當前難題。



從 SARS、 MERS 到新冠肺炎


新冠肺炎、SARS和 MERS源於不同的冠狀病毒,三者抗原不完全一樣,疫苗必須按照新冠病毒的RNA序列重新設計,細胞檢測、小鼠實驗也要打掉重練,但三者均是冠狀病毒「表親」,過去研發MERS或SARS疫苗的現象也可能出現在新冠疫苗上,例如:過去在動物模式的測試中發現,如果使用的抗原不夠精準,產生的抗體可能無法中和病毒,甚至可能讓病毒更快感染細胞,胡哲銘研發的奈米疫苗即在避免此種免疫不完全的情況。


其次,T細胞在對抗病毒的過程中,往往分為TH1型與TH2型細胞,如果疫苗傾向引發TH2型細胞產生抗體,當小鼠遇上病毒,便可能產生過敏的反應。當前的疫苗研究,必須想辦法讓兩種T細胞的反應處於平衡狀態。這些過去累積下來的經驗,大大減少從頭摸索的時間,讓胡哲銘有實力與各國團隊競爭,有機會研發出更有效、也更安全的新冠肺炎奈米疫苗,讓全世界疫情早日止息。