在大流行之前，斯坦福大学(Stanford University)生物化学家彼得·s·金(Peter S. Kim)的实验室专注于开发艾滋病毒、埃博拉病毒和大流行性流感的疫苗。但是，在关闭校园实验室作为COVID-19预防措施的一部分的几天内，他们将注意力转向了导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒的疫苗。尽管冠状病毒不在该实验室的专门领域，但他们和他们的合作者已经成功构建和测试了一种有希望的候选疫苗。
铁蛋白纳米颗粒与缩短的冠状病毒刺突蛋白的可视化示意图，这是来自斯坦福大学的SARS-CoV-2候选疫苗的基础。(图片来源:许多)
“我们的目标是制造一种不需要冷藏链来储存或运输的单针疫苗。如果我们能成功地把它做好，它也应该很便宜，”金说，他是弗吉尼亚和路德维希生物化学教授。“我们疫苗的目标人群是中低收入国家。”
他们的疫苗在1月5日发表在ACS中央科学杂志上的一篇论文中有详细介绍，该疫苗含有纳米颗粒，这些纳米颗粒与构成病毒独特的表面刺突的蛋白质相同。除了这些被称为冠状病毒的原因之外——冠状病毒在拉丁语中是“冠状”的意思——这些尖刺通过与宿主细胞融合，为病毒基因组创造一个通道进入细胞并劫持细胞机制来制造更多的病毒，从而促进感染。这些刺突也可以用作抗原，这意味着它们在体内的存在可以触发免疫反应。
纳米颗粒疫苗平衡了病毒疫苗的有效性与亚单位疫苗的安全性和生产方便性。使用病毒来传递抗原的疫苗通常比只包含病毒分离部分的疫苗更有效。然而，它们的生产需要更长的时间，需要冷藏，而且更有可能产生副作用。核酸疫苗——就像辉瑞和Moderna mRNA疫苗一样，最近被FDA批准用于紧急使用——比纳米颗粒疫苗生产速度更快，但生产成本较高，可能需要多次使用。在小鼠身上进行的初步试验表明，斯坦福大学的纳米疫苗只要注射一剂就能产生对COVID-19的免疫力。
研究人员也希望它能在室温下储存，并正在研究它是否能以冻干的粉末形式运输和储存。相比之下，在美国研发时间最长的疫苗都需要在大约8到-70摄氏度(46到-94华氏度)的低温下储存。
“这是真正的早期阶段，还有很多工作要做，”前金实验室博士后学者、这篇论文的第一作者阿比盖尔·鲍威尔(Abigail Powell)说。“但我们认为这是一个坚实的起点，可以成为单剂疫苗方案，不依赖于使用病毒在接种后产生保护性抗体。”
研究人员正在继续改进和微调他们的候选疫苗，目的是使其更接近于在人体上进行初步临床试验。
峰值和纳米粒子
SARS-CoV-2的刺突蛋白非常大，所以科学家们经常会制作出更容易制作和使用的缩略版本。在仔细检查了钉子后，金姆和他的团队选择移除底部附近的一部分。
为了完成他们的疫苗，他们把这个缩短的脉冲和铁蛋白的纳米颗粒结合起来——铁蛋白是一种含铁的蛋白质——此前已经在人类身上测试过。在大流行之前，鲍威尔一直在利用这些纳米粒子开发埃博拉疫苗。与SLAC国家加速器实验室的科学家们一起，研究人员使用低温电子显微镜获得了spike铁蛋白纳米颗粒的3D图像，以确认它们具有正确的结构。
在老鼠实验中，研究人员将他们缩短的尖峰纳米颗粒与其他四种可能有用的变体进行了比较:全尖峰纳米颗粒、全尖峰纳米颗粒或不含纳米颗粒的部分尖峰纳米颗粒，以及一种只含有在感染期间与细胞结合的尖峰部分的疫苗。测试这些疫苗对抗真正SARS-CoV-2病毒的有效性需要在生物安全级别为3的实验室中进行，所以研究人员转而使用了一种更安全的伪冠状病毒，这种病毒经过修改，可以携带SARS-CoV-2的峰值。
研究人员通过监测中和抗体的水平来确定每种疫苗的潜在效力。抗体是针对抗原产生的血液蛋白;中和抗体是一种特殊的抗体亚群，它可以阻止病毒入侵宿主细胞。
一剂后,两个纳米候选疫苗导致中和抗体水平至少两倍的人COVID-19,和缩短飙升纳米疫苗生产中和反应显著高于绑定高峰或完整的斯派克(non-nanoparticle)疫苗。在第二次注射后，接受了短脉冲纳米颗粒疫苗的老鼠产生了最高水平的中和抗体。
回顾这个项目，Powell估计从开始到第一次老鼠研究的时间大约是四周。“每个人都有大量的时间和精力致力于同一个科学问题，”她说。“这是一个非常独特的情况。我真的不希望在我的职业生涯中还会遇到这种情况。”
金姆是这篇论文的资深作者，他说:“过去一年发生的事情真是太神奇了，因为科学进步了，而且能够生产出多种不同的疫苗，看起来像y’re对这种病毒有效。”“即使成功了，通常也需要十年的时间来制造疫苗。这是前所未有的。”
疫苗的访问
尽管该小组的新疫苗是专门针对那些可能更难获得其他SARS-CoV-2疫苗的人群的，但考虑到其他候选疫苗的迅速进展，有可能不需要它来应对当前的大流行。在这种情况下，研究人员准备再次转向，寻求一种更通用的冠状病毒疫苗，以免疫SARS-CoV-1、MERS、SARS-CoV-2和未来未知的冠状病毒。
“疫苗是生物医学研究中最具深远意义的成就之一。这是一种极具成本效益的方式，可以保护人们免受疾病和拯救生命。”“这种冠状病毒疫苗是我们已经在做的工作的一部分，我们正在开发历史上很难或不可能开发的疫苗，比如艾滋病毒疫苗。很高兴我们现在处于这样一种情况，如果世界需要，我们可以为之付出。”
斯坦福大学生物工程研究科学家张开明;Mrinmoy Sanyal，生物化学研究员;唐绍耕，生物化学博士后;化学研究生佩顿·魏登巴赫;李珊珊，生物工程博士后;斯坦福医学院病理学临床助理教授Tho Pham(也隶属于斯坦福血液中心);以及斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室瓦伦堡- bienenstock教授、生物工程、微生物学和免疫学教授华超(Wah Chiu)。陈·扎克伯格生物中心(Chan Zuckerberg Biohub)的一名研究人员也是本文的合著者。Kim是斯坦福Bio-X的成员。儿童健康研究所(MCHRI)和吴蔡神经科学研究所，以及斯坦福化学h。他还隶属于陈-扎克伯格生物中心(Chan Zuckerberg Biohub)。他是斯坦福Bio-X和吴蔡神经科学研究所的成员，也是斯坦福化学h研究所的教员。
这项工作得到了MCHRI、达蒙·鲁尼恩癌症研究基金会、美国国立卫生研究院、维吉尼亚和路德维希癌症研究基金以及陈·扎克伯格生物中心的资助。
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