【疫苗简史】宫颈癌疫苗背后的华人科学家_风闻

作者 | 王新宇

转载自公众号“华山感染”

宫颈癌是一种严重危害女性健康和生命的恶性肿瘤，然而，由于之前并不清楚什么是导致宫颈癌的真正元凶，预防措施只能局限于体检筛查，以期望发现早期肿瘤而提高治疗成功率。直到科学家发现了真正的元凶，这种疾病才可能从根本上得以预防。今天我们就来讲讲被大众称为“宫颈癌疫苗”的HPV疫苗以及其背后的研发故事。

宫颈癌：措手不及的红颜杀手

宫颈癌是全球女性中第4常见的癌症，每年约诊断530,000例浸润性宫颈癌病例，每年约260,000例宫颈癌死亡病例。

在中国，宫颈癌死亡率排在总癌症死亡率的第四位，占女性癌症的第二位。作为最常见的恶性肿瘤之一，我国每年新增宫颈癌发病数超过13万，占女性生殖系统恶性肿瘤发病总数的73%－93％，占全球新发病例的1/4。

特别需要警惕的是，这种以前高发于45岁至55岁间多产妇女的疾病，现在发现年轻女性也是高发人群，30岁左右的患者50年间增加了两倍多，发病率从20世纪50年代的9％上升到现在的24％。

1842年，意大利维罗纳的病理学家里戈尼-斯特恩（Rigoni-Stern）观察到，子宫癌是已婚妇女中最常见的疾病，单身妇女和修女中很少见，而他所检查的其他大多数癌症则相反。因此，他指出性活动在该疾病的病因中可能扮演的角色。他还指出，与乳腺癌不同，子宫癌是年轻女性的疾病。

整个19世纪和20世纪，随着外科手术和放疗技术的进步，宫颈癌的临床治疗不断发展。1950年代，帕潘尼考劳在许多国家倡导通过筛查进行预防。当时提出了许多假设，推断某种细菌和病毒原因，特别是疱疹病毒，可能是造成宫颈癌的罪魁祸首。但是由于可用于因果关系研究的科学工具有限，因此直到1970年代后期引入了表征DNA的分子技术后，该领域才得以显着发展。

HPV：导致宫颈癌的罪魁祸首

1970年代中期，两名独立的研究人员，巴黎巴斯德研究所的杰拉德·奥特和德国生物学家哈拉尔德·楚尔·豪森证明了人类皮肤和生殖器病变中存在多种HPV并显示其中一些与人类上皮癌有关。

随后，科学家进行的进一步研究确定了乳头瘤病毒DNA的存在并在宫颈癌和宫颈癌衍生的细胞系中表达了病毒蛋白。这一观察结果与许多实验室的工作相一致，证实动物乳头瘤病毒基因是能够在体外永生细胞培养的部分致癌基因。这些结果支持HPV有助于诱发宫颈癌的假说。随后通过流行病学研究证实了这一假说，该研究描述了HPV感染与子宫颈癌以及公认的恶性病前期宫颈上皮内瘤变（CIN）的关联，最终得出结论，超过99％的子宫颈癌是由以下原因引起的HPV感染。

豪森教授因为发现HPV病毒导致宫颈癌的直接证据，获得2008年的诺贝尔生理学或医学奖

人乳头瘤病毒（HPV）是一种致肿瘤性病毒，可引起良性肿瘤（生殖器疣）或恶性肿瘤（宫颈癌）。良性肿瘤形成疣，恶性肿瘤导致癌症。大约有100种不同的HPV血清型，其中大约30种引起生殖器粘膜感染。其中大约十几种会导致高风险感染，可能会导致侵袭性癌症。几乎所有宫颈癌病例都可归因于HPV感染，HPV 16型占大约50%的病例，HPV 18型占大约20%。估计HPV 31、33、45、52和58型导致另外19%的病例。

HPV 1和2型的皮肤感染与跖疣或手部寻常疣相关。HPV 6、11、16和18型的黏膜皮肤感染与生殖器疣和宫颈、外阴、阴道、阴茎、肛门和口咽部的癌前病变和癌性病变有关。

HPV的多面体结构

从豪森博士的发现开始，研究者们开始致力于研制HPV疫苗。其中澳大利亚免疫学家伊恩·弗雷泽和华人生物学家周健作出了重要贡献。他们利用新的实验手段，直接发明了原始型号的HPV疫苗。

周健在HPV研究中的重要贡献

周健，1957年出生于中国浙江省杭州市。1982年从温州医科大学毕业获得医学学士学位。1988年，在获得博士学位后，周健在北京医科大学从事博士后研究。在此期间，他使用痘苗病毒作为载体在体外表达特定蛋白质，从而为他后来的发明奠定了技术基础。同年，他被邀请到剑桥大学病理学系肿瘤病毒实验室继续工作，在Lionel Crawford教授的指导下，从事人乳头瘤病毒的分子生物学研究。1990年，周健受昆士兰大学的免疫学家弗雷泽教授邀请赴澳大利亚，开始了周健研究生涯中最重要的一章。

弗雷泽和周健的合影

研究人乳头瘤疫苗最重要的步骤就是获得HPV病毒。一般情况下，疫苗都是这样研制的：通过改造或弱化某种病毒，让它丧失引发疾病的能力但却能激发身体的免疫系统产生抗体。这样，当真正的病毒侵犯时，免疫系统就可以用已有的抗体来对付这种病毒。

可是HPV病毒是一种特殊的小DNA病毒，它只能在活细胞体内繁殖，并且会把自己的基因组整合到细胞的基因组中。所以，那时候科学家们既没办法在实验室中培育出HPV病毒，也无法获得HPV病毒的纯基因组。可若是无法获得HPV病毒颗粒，那疫苗之类的想法都是空谈。

那时候，全世界有2000多名科学家在研究HPV与宫颈癌。他们冥思苦想，希望找到提取或制作HPV病毒的方法。而周健与弗雷泽，也是其中的两位。

分子生物学的研究早已发现，HPV有70多种类型。而它们都具有相似的颗粒状结构，一层有20个面的蛋白质外壳。

周健试图通过重组DNA的技术将HPV的外壳做出来。他想要做出外表类似HPV的蛋白质颗粒，让这样一个颗粒代替HPV病毒在体内产生免疫反应。可HPV的基因组很大，有约8000个碱基对，几乎是乙肝病毒的3倍。这给周健的研究带来了很大的阻碍。最终，周健将现有的L1、L2（HPV晚期蛋白、病毒壳膜的主要构成成分）表达纯化后放到同一试管里，成功合成了这个和HPV外形相似的蛋白质颗粒，颗粒可以引起体内的免疫反应，但却不会导致疾病。

周健的重要发现表明真核表达系统的可用性使得能够在体外生产出具有序列真实性的衣壳蛋白。虽然痘苗病毒作为表达载体的初步努力仅产生低水平的蛋白质表达，但证明衣壳蛋白可以自组装成空衣壳或病毒样颗粒（VLP）意义非凡。

首款HPV疫苗问世

一旦突破了这个难题，HPV疫苗的研制也已经突破了最大障碍，变得水到渠成。1991年年7月，周健和弗雷泽教授在美国西雅图举行的人乳头瘤病毒国际会议上报告了他们的结果。大会主席豪森教授说，“这是HPV研究中的重大突破，一定会有灿烂的明天” ，这一成就被认为是人类医学史上的重大突破。 

在合成“病毒样颗粒”后，科学家们最担心的问题是：“病毒样颗粒”所产生的免疫反应是否足以让它制成疫苗？不同的科学家利用不同的表达系统（在昆虫细胞系表达的杆状病毒载体，永生化细胞系和重组酵母包装系统）产生了大量的VLP。并且证明至少一个HPV16 L1基因的循环克隆具有防止突变的VLP装配体。

体外产生的VLP在免疫学上类似于天然病毒粒子，并且刺激的抗体可以结合天然病毒粒子，并且在存在感染系统的地方，也可以中和病毒。为几种动物乳头瘤病毒生产了VLP，并显示在狗和兔子中诱导宿主抵抗活病毒攻击的宿主保护性免疫，为HPV预防性疫苗的成功提供了进一步的保障。

当这一目标实现后，昆士兰大学开始与投资公司和有疫苗研发能力的制药公司联系。在获得默克公司支持后，大规模的动物试验和临床试验开始了。澳大利亚医疗公司CSL和美国默克公司进行了大规模的动物和人体临床试验，最终证实了人乳头瘤病毒样颗粒对预防宫颈癌的作用。

1999年3月9日，周健在回国学术访问时突发疾病去世，年仅42岁。周健对科学和人文的杰出贡献得到了认可和纪念。昆士兰大学迪亚曼蒂纳癌症，免疫学和代谢医学研究所建立了一年一度的建周纪念仪式，世界知名科学家在这里举办讲座，纪念周健。迪亚曼蒂纳研究所还将其中一间会议室以周健命名。

温州医科大学中的周健纪念塑像

自2000年以来，每年的国际HPV会议都为周健举办了多次纪念活动。亚洲 - 大洋洲生殖器感染和瘤形成研究组织（AOGIN）于2006年将AOGIN Dr. Jian Zhou奖评为最佳口头报告三项奖项之一。 

2006年，默克制药公司和葛兰素史克公司宣布生产的第一款人乳头瘤疫苗产品问世。同年8月28日，弗雷泽在昆士兰的亚历山大医院为一对姐妹接种了世界第一支人乳头瘤疫苗。

弗雷泽为一对姐妹接种了世界第一支人乳头瘤疫苗

作为人乳头瘤疫苗的共同发明者，伊恩·弗雷泽在2006年被评为“年度澳大利亚人”，同时，他还获得了总理科学奖和巴尔赞奖。人乳头瘤疫苗的研发成为2006年世界十大科技成果之一。

2015年6月，欧洲专利局主办的2015年欧洲发明奖颁奖仪式在法国巴黎举行，周健和弗雷泽教授凭借成功研发全球首个人乳头瘤疫苗，获得“最受欢迎发明奖”。欧洲专利局局长伯努瓦·巴蒂斯泰利在颁奖时评价，“周健和弗雷泽是现代医学领域的无名英雄，这一奖项也是人们对他们的开创性发明无限感激的表现”。

二价、四价和九价：都能获得良好的保护效果

2016年7月，HPV疫苗16型和18型获中国食品药品监督管理总局的上市许可，成为国内首个获批准的预防宫颈癌的人乳头瘤疫苗。此后，四价HPV疫苗和九价HPV疫苗分别于2017年5月和2018年4月在我国获批上市。至此，目前全球已经上市的三种HPV疫苗均已经在国内可及。

三种疫苗在制造工艺上有所不同：四价和九价HPV疫苗是用具有全长 L1 的重组酵母制成的，并结合使用了多年的专有明矾佐剂；二价HPV疫苗是在感染了重组杆状病毒的昆虫细胞中制成的，使用了HPV16的截短的L1蛋白序列，并采用了一种更新且更有效的佐剂单磷酰脂质A，该佐剂在免疫后可提高针对VLP的抗体水平。

三种HPV疫苗的特性比较

这三种HPV疫苗均可抵御HPV16亚型与HPV18亚型病毒感染，而这两种也是致子宫颈癌风险最高的亚型。据估计，人乳头病毒疫苗可防止70%的子宫颈癌、80%的肛门癌、60%的阴道癌、40%的外阴肿瘤，以及一些口咽癌的发生。四价HPV疫苗也已被证明可以预防 HPV6 和 11 相关生殖器疣。九价的HPV疫苗可抵御HPV4亚型与HPV9亚型的疫苗可增加预防尖锐湿疣的机率。

必须认识到HPV疫苗是预防性的，不是治疗性的，可以预防感染，但对已经发生感染的个体无效。生殖器HPV感染通常是通过性传播的，而获得生殖器HPV的最重要的风险期是在性活动开始后不久。各个社会的初次性行为的平均年龄差异很大，但是要确保疫苗接种者得到保护，应该针对9-14岁年龄段的青少年。HPV疫苗青春期前的免疫接种在免疫学上是最佳的，与15-23岁的女性相比，三剂量方案中9到13岁的青少年获得的抗体应答高2倍。在大多数国家（无论是在发展中国家还是在发达国家）中，针对人乳头瘤病毒疫苗的建议都已认识到这一点，并且在针对12至14岁女性作为主要的免疫人群方面具有明显的统一性。

HPV疫苗的故事是一个非凡的科学成就，创业动力以及商业和科学互动的故事。周健是我国改革开放后自己培养的优秀青年科学家的代表之一。在HPV疫苗的研发过程中，周健的发现起到的重要作用，应该被世界所铭记。周健走了，可他留下的宝贵财富，会永远铭刻在人们的心中，他是一位对科学以及全世界妇女的健康和幸福做出过杰出贡献的中国科学家。

参考文献

Margaret Stanley (2016) Human Papillomavirus Vaccines in: The Vaccine Book. Academic Press, London. UK

Ian H. Frazer (2010) Human Papillomaviruses In:Artenstein A(ed) Vaccines: A Biography. Springer, New York

John T. Schiller and Douglas R. Lowy (2011) Developmental History of HPV Prophylactic Vaccines In:Plotkin S.(ed)History of Vaccine Development. Springer , New York

John T. Schiller, Lauri E. Markowitz, Allan Hildesheim, and Douglas R. Lowy（2018）Human Papillomavirus Vaccines In:Plotkin’s Vaccines (7th ed) Elsevier， PA. USA