疫苗推動病原體進化

就像抗生素在細菌中產生抗藥性一樣，疫苗可能引發疾病逃脫控制的變化。研究人員正在努力阻止新威脅的演變。

馬修J.瓊斯，賓夕法尼亞州立大學的研究助理，需要從一個養雞場收集的塵埃樣本，以測試它導致馬立克氏病，家禽中常見的感染病毒的跡象。一些證據表明，導致該病的病毒正在變得對另一種控制它的疫苗的免疫。

安德魯瑞德成為一名科學家，所以他可以花更多時間在大自然中，但他從未想到這將意味著一個商業養雞場。Read，賓夕法尼亞州立大學傳染病動力學中心的一位疾病生態學家，他的研究助理克里斯凱恩斯在賓夕法尼亞州農村深處蜿蜒穿過一個炎熱，潮濕，刺鼻氣味的穀倉，裡面飼養著3萬隻幼雛肉雞。兩名男子從頭到腳穿著白色工作服，定期停下來蹲伏，用手套從地面收集灰塵。鳥兒尖叫著跑開了。這些人將灰塵轉移到小塑料管中，然後蓋上塑料袋並將其放回塑料袋中，以便回到實驗室。「科學引導你的地方很有趣，」Read說。

Read和他的同事們正在研究導致馬立克氏病的皰疹病毒（一種高度傳染性，癱瘓並且最終致命的疾病，雞業為此每年花費超過20億美元，可能會因應疫苗而不斷發展。一個多世紀以來，馬立克氏病一直讓全球的雞病惡化;鳥類通過吸入其他鳥類羽毛中的載有病毒粒子的灰塵而感染，發病時能殺死整個雞群。第一個疫苗於1970年推出，它運作良好，但在十年內，疫苗神秘地開始失敗;馬立克氏病開始在接種的雞群中爆發。第二種疫苗於1983年獲得許可，希望能夠解決問題，但它也逐漸失去了效果。今天，家禽業正在接受第三種疫苗。它仍然有效，但Read和其他人擔心它有可能會失敗-並且沒有第四種疫苗在等待。更糟糕的是，近幾十年來，病毒變得更加致命。

如果你沒有這些病原體對疫苗的反應，那麼我們真的不了解自然選擇。

美國農業部研究人員和其他人認為，導致馬立克病毒的病毒正在隨著時間的推移而發生進化，這有助於其對以前的疫苗免疫。最大的問題是疫苗是否直接激發這些變化或進化發生，巧合的是，由於其他原因，但Read很確定疫苗起了作用。在2015年的PLOS生物學上的論文，Read和他的同事為100隻雞接種疫苗，其餘100人未接種疫苗。然後他們用馬立克氏菌感染了所有的鳥類，它們的毒性如何變化-就像它們的危險性和傳染性一樣。研究小組發現，在他們的一生中，未接種疫苗的鳥類將更多的毒性毒株釋放到環境中，而接種疫苗的鳥類則釋放出更多的毒力最強的毒株。研究結果表明馬立克疫苗可以促使更多危險的病毒擴散。這種增加的毒力可能會使病毒得以克服禽類疫苗引發的免疫反應和感染疫苗的雞群。

大多數人都聽說過抗生素耐藥性。疫苗耐藥性不是很大。這是因為耐藥性是一個巨大的全球性問題，每年在美國和歐洲殺死近25,000人，是印度的兩倍多。另一方面，抵抗疫苗的微生物不是主要威脅。也許他們永遠不會：全球的疫苗計劃一直在並且繼續在預防感染和拯救生命方面取得巨大成功。

然而，最近的研究表明，一些病原體種群正在適應，以幫助他們在接種疫苗的世界中存活，並且這些變化以各種方式出現。正如恐龍滅絕後哺乳動物種群爆發，因為一個巨大的空白給了了它們爆發的機會，一些微生物已經席捲而來，取代了被疫苗淘汰的競爭者。

免疫也使得曾經罕見或不存在的病原體遺傳變異體更為普遍，大概是因為疫苗引發的抗體不能輕易識別和攻擊與疫苗株不同的形狀移位物。針對世界上一些更為複雜的病原體（瘧疾，艾滋病毒和炭疽病），正在開發的疫苗可能會鼓勵病原體變得更加危險。

賓夕法尼亞州立大學傳染病動力學中心的疾病生態學家Andrew Read（右）和他的研究助理Chris Cairns檢查了雞場，以追蹤疫苗抗性形式的禽類疾病的出現。

進化生物學家對這種情況並不感到驚訝。疫苗對病原體是一種新的選擇壓力，如果疫苗不能完全根除目標，那麼剩下的最適合的病原體-以某種方式能夠在免疫世界中生存下來-將變得更加普遍。路易斯維爾大學的進化生物學家保羅埃瓦爾德說：「如果你沒有這些病原體對疫苗的反應，那麼我們真的不了解自然選擇。」

然而，不要將這些發現誤認為疫苗是危險的或者它們肯定會失敗的證據-因為使用我們的自然選擇知識也會阻止不良結果。進化可能是不可避免的，但它可以在正確的方向上被哄騙。

快速變化的藝術家

疫苗科學令人毛骨悚然，但其基本機制很簡單。疫苗使你的身體暴露於活體病毒，但這種病毒是弱化的或已經死亡的病原體。這種暴露會誘發你的免疫系統產生免疫細胞的軍隊，其中一些分泌抗體蛋白質以識別並抵抗病原體，如果它們再次入侵的話。

也就是說，許多疫苗由於各種原因不能提供終身免疫力。每年開發一種新型流感疫苗，因為流感病毒自然迅速發生突變。隨著時間的推移，疫苗誘導的免疫力也可能減弱。例如，接種傷寒疫苗後，一個人的保護性抗體水平會在幾年內下降，這就是為什麼公共衛生機構建議那些生活在或正在拜訪傷寒地區的人定期打疫苗。研究表明，腮腺炎疫苗也會隨著時間的推移而出現類似的保護能力下降。

由疫苗誘導的進化引起的疫苗失敗是不同的。疫苗效力的下降是由疫苗本身直接導致的病原體群體的變化引起的。最近科學家開始研究這種現象的部分原因是他們終於可以：基因測序的進展使得觀察微生物隨時間變化的過程變得更加容易。許多這樣的發現加強了病原體突變和發展以響應環境線索的速度。

病毒和細菌的變化很快，部分原因是它們像瘋了一樣複製。被一隻攜帶西尼羅河病毒的蚊子咬了三天後，人體內一毫升血液含有1000億個病毒顆粒，大概是銀河系中的恆星數量。隨著每一次複製都有基因改變的機會。當RNA病毒複製時，複製過程每10,000個核苷酸就會產生一個新的錯誤或突變，突變率比人類DNA中的高10萬倍。病毒和細菌也會與相似的菌株重組或共享遺傳物質，為他們提供另一種快速改變其基因組的途徑。正如人們-除了同卵雙胞胎-都具有獨特的基因組，病原體群體傾向於由無數的遺傳變體組成，其中一些在與疫苗訓練的抗體的戰鬥中比其他人更好。

引起百日咳的細菌，更好地被稱為百日咳，說明了這種情況的發生。1992年，美國疾病控制和預防中心（CDC）的建議開始推廣一種新的疫苗來預防由百日咳博德特氏菌引起的感染。老疫苗是用完整的殺死的細菌製成的，這種細菌煽動了有效的免疫反應，但也造成了罕見的副作用，如癲癇發作。被稱為「無細胞」疫苗的新版本僅含有2至5種從病原體中分離出來的外膜蛋白。

不需要的副作用消失了，但被新的意想不到的問題所取代。首先，由於不清楚的原因，非細胞疫苗賦予的免疫保護能力隨著時間的推移而減弱。世界各地的流行病開始爆發。2001年，荷蘭的科學家提出了復甦的另一個原因：也許接種疫苗會煽動進化，導致缺乏靶向蛋白質或具有不同版本的細菌菌株優先生存。

有研究支持這個想法。澳大利亞的大學研究人員收集和測序百日咳桿菌樣本320例2008年至2012年是沒有細菌的百分比之間不表達疫苗，一種無細胞疫苗靶向的蛋白質，從2008年的5％躍升至2012年的78％，這表明疫苗的選擇壓力使不含pertactin的毒株變得更加普遍。根據2017年CDC論文，在美國，幾乎所有的循環病毒都缺乏pertactin。「我認為幾乎每個人都同意百日咳菌株變異是通過疫苗接種而形成的，」蘭說。

乙型肝炎是一種導致肝臟損傷的病毒，它講述了一個類似的故事。目前的疫苗主要針對的是乙型肝炎表面抗原的部分病毒，1989年在美國引進。一年後，在「柳葉刀」上發表的一篇論文中，研究人員描述了義大利疫苗試驗的奇怪結果。他們已經在44個接種疫苗的受試者中檢測到循環的乙型肝炎病毒，但是其中一些病毒缺少部分靶向抗原。然後，在台灣進行一系列的研究，研究人員測試了感染乙型肝炎病毒陽性的兒童的病毒。他們報告說，這些病毒「逃逸突變體」的流行率，由於缺乏表面抗原，從1984年的7.8％上升到2003年的23.1％。

然而，一些研究表明，這些突變株不穩定，並且可能不會構成很大的風險。事實上，全世界每年都有越來越多的人感染乙型肝炎。正如紐約西奈山伊坎醫學院的醫生在2016年的一篇論文中總結的，「乙型肝炎表面抗原逃逸突變的臨床意義仍然存在爭議。」

空龕

科學家通常必須設計自己的實驗。但在2000年左右，比爾哈納奇認為社會正在為他設計一個。Hanage剛剛完成他的博士學位。在病理學中，一直被細菌和進化生物學著迷。美國的細菌正在發生深刻的變化。

不久將向所有美國兒童推薦一種名為Prevnar 7的新疫苗，以預防由肺炎鏈球菌造成的感染，這是造成老年人和幼兒中許多肺炎，耳部感染，腦膜炎和其他疾病病例的細菌。迄今為止，科學家已經發現了90多種不同的肺炎鏈球菌血清型-細胞表面具有獨特的免疫學特徵的群體- Prevnar 7針對導致嚴重感染的首要疾病的7種血清型。但Hanage和研究人員想知道80多人會發生什麼事情。「這讓我感到震驚，因為我幾乎完全缺乏對進化生物學的正式培訓，這是一個非同尋常的進化實驗，」他說。

屏幕上會顯示雞場中灰塵樣本中病毒數量的測量結果。樣本通過稱為實時定量聚合酶鏈式反應（Real-Time qPCR）的過程進行測試。每條曲線代表一個樣本;在紅色水平線上方的曲線越多，樣本所含的病毒就越多。

Hanage與最近離開埃默里大學去哈佛的流行病學家和微生物學家Marc Lipsitch合作，現在兩位哈佛大學的科學家一直在觀察適應這種新選擇壓力的肺炎球菌種群。他們和其他人報告說，儘管Prevnar 7幾乎完全消除了七種靶血清型的感染，但另一種較罕見的血清型迅速席捲了他們的位置，包括19A型血清型，這種血清型開始導致嚴重的肺炎球菌感染的很大比例。作為回應，在2010年，美國引入了一種新的疫苗Prevnar 13，它針對19A和5種額外的血清型。以前看不見的血清型再次蓬勃發展。2017年兒科學論文將這種情況比作一場重磅炸彈遊戲。實質上，疫苗接種已經完全重建了兩次病原體群體。

總體而言，在Prevnar 13的疫苗注射下，美國侵入性肺炎球菌感染的發病率大幅下降，它拯救了許多美國人的生命，大概是因為它針對的是最有可能引起感染的血清型。但是英格蘭和威爾士的數據並不樂觀。雖然小孩的感染率已經下降，但老年人侵襲性肺炎球菌感染持續增加，現在比之前引入Prevnar 7的感染率要高得多。至於為什麼發生這種情況，「我不認為我們知道，」Hanage說。「但我確實認為我們可能有點合理地表明，現在由兒童攜帶的血清型無意中更容易在成人中引起疾病，這是我們以前不知道的，因為它們相對較少。」

加拿大安大略省女王大學的數學進化生物學家Troy Day認為，人們可以將接種疫苗視為一種篩選方法。這個篩子可以防止許多病原體通過並存活，但如果少數病原體被擠壓，那些非隨機樣品中的那些將優先存活，複製並最終改變病原體群體的組成。擠壓的可能是具有遺傳差異的逃逸突變體，這些突變體可以讓他們擺脫或躲避疫苗引發的抗體，或者它們可能僅僅是血清型，而不是首先被疫苗靶向的血清型，如同幸運的罪犯窩點在全市範圍警方襲擊的夜晚被忽視。無論如何，疫苗悄然改變了病原體群體的遺傳圖譜。

傾斜的比例

正如病原體感染和影響我們的方式不同，科學家開發的疫苗採用不同的免疫策略。我們在兒時獲得的大部分疫苗可以防止病原體在我們體內複製，從而也防止我們將感染傳播給其他人。但是迄今為止，科學家們還無法為HIV，炭疽和瘧疾等複雜病原體製造這種滅菌疫苗。為了克服這些疾病，一些研究人員一直在開發預防疾病而不實際預防感染的疫苗-所謂的「泄漏」疫苗。這些新疫苗可能會引發一種不同的，可能更可怕的微生物進化。

作為一個特徵，毒力與複製直接相關：一個人身體所有的病原體越多，這個人通常會變得越病態。高複製率具有進化優勢-身體內的微生物越多，鼻涕或血液或糞便中的微生物就越多，這給微生物更多感染他人的機會-但它也有成本，過多複製會導致直接殺死寄主導致沒法傳染。Read說，漏出疫苗的問題在於，它們可以使病原體不受限制地複製，同時還可以保護宿主免受疾病和死亡，從而消除與毒力增加相關的成本。那麼隨著時間的推移，在一個漏接種疫苗的世界裡，病原體可能會演變成對未接種疫苗的宿主更加致命，因為它可以在沒有成本的情況下從毒力中獲益-就像馬立克病對未接種疫苗的雞慢慢變得更加致命一樣。這種毒力還可能導致疫苗開始失敗，導致疫苗接種的宿主生病。

除了馬立克氏病之外，瑞德一直在研究瘧疾，這是目前正在開發的幾種泄漏疫苗的目標。在2012年論文發表在PLOS生物學，閱讀和當時的博士後，Vicki Barclay，接種了幾種目前正在臨床試驗中測試的瘧疾流行性瘧疾疫苗的成分。然後他們使用這些感染但未病的小鼠感染其他疫苗接種的小鼠。在寄生蟲通過21輪接種疫苗的小鼠後，巴克萊和雷德研究了它們，並將它們與通過21輪未接種疫苗的小鼠循環的瘧疾寄生蟲進行了比較。他們發現，疫苗接種小鼠的毒株變得更加致命，因為它們更快地複製並殺死了更多的紅細胞。在21輪感染結束時，這些更快速增長的致命寄生蟲是唯一剩下的。

演化工程

如果這一切聽起來非常可怕，請記住一些事情。包括麻疹在內的許多病原體似乎並不是作為疫苗的回應群體而演變的。其次，實驗室的實驗數據，如上述的瘧疾研究，並不一定能預測真實世界更複雜的情況會發生什麼。第三，關注疫苗驅動型進化的研究人員強調，這種現象絕不是針對疫苗接種或其價值的論點;這只是一個需要考慮的結果，而且可能會被避免。通過考慮病原體群體如何對疫苗做出反應，科學家可能會在發生疫苗之前做出調整。他們甚至可以設計疫苗，鼓勵病原體隨著時間的推移變得更加危險。

當RNA病毒複製時，複製過程每10,000個核苷酸就會產生一個新的錯誤或突變，突變率比人類DNA中的高10萬倍。

2017年3月，Read和他的賓州州立大學同事David Kennedy在皇家學會會刊B上發表了一篇論文其中他們概述了疫苗開發人員可以使用的幾種策略，以確保未來的疫苗不會被進化力量所打擾。一個首要的推薦是疫苗應該誘導針對多個靶標的免疫應答。許多成功的，似乎進化證明的疫苗已經以這種方式發揮作用：例如，在人們接種破傷風疫苗後，他們的血液含有100種獨特的抗體，所有這些抗體都以不同的方式與細菌作用。在這種情況下，病原體難以積累生存所需的所有變化。如果疫苗針對特定病原體的所有已知亞群，而不僅僅是最常見或危險的亞群，這也有幫助。理查德馬利和波士頓兒童醫院的其他研究人員正在試圖開發一種不是血清型特異性的通用肺炎球菌疫苗。

疫苗還應該禁止病原體在接種的宿主內複製和傳播。Read和Kennedy認為，疫苗導致病原體的抗性不如抗生素抗性問題的原因之一是抗生素在感染已經持續之後傾向於給予-當宿主內的病原體群體已經很大且具有遺傳多樣性並且可能包括可以抵抗藥物效應的突變體。另一方面，大多數疫苗在感染前施用並限制複製，這最小化了進化機會。

但目前最關鍵的需求是疫苗科學家認識到進化生物學與其領域的相關性。上個月，當時有超過1000名疫苗科學家在華盛頓召開世界疫苗大會，疫苗誘導進化的問題不是任何科學會議的重點。Read說，問題的一部分是研究人員害怕：他們很擔心地談論並提請注意潛在的進化影響，因為他們擔心這樣做可能會加劇公眾對疫苗的恐懼和不信任-即使目標當然是確保疫苗的長期成功。儘管如此，他和肯尼迪仍然覺得研究人員開始意識到在談話中包含進化的必要性。肯尼迪說：「我認為科學界越來越認識到疫苗抗性是一種真正的風險。

「我也這麼認為，還有很長的路要走。」

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