中科大/中科院联合开发S-6P Omicron 新冠mRNA疫苗

2022年3月1号，中国科学技术大学生命科学与医学部王育才团队在BioRxiv上传预印本：Omicron-specific mRNA vaccine elicits potent immune responses in mice, hamsters, and nonhuman primates。他们开发出一款Omicron特异性的新冠mRNA疫苗—S_Omicron-6P，编码Omicron (B.1.1.529) Spike。为稳定Spike蛋白融合前构象（prefusion Conformation），提升Spike蛋白稳定性和翻译效率，在疫苗抗原设计上采用 Jason S. McLellan 设计 Hexapro的思路，将Omicron Spike 序列中的6个氨基酸酸替换为脯氨酸（Proline）。在小鼠模型中，S_Omicron-6P疫苗触发的Omicron中和抗体显著优于目前获批的灭活疫苗，蛋白亚单位疫苗以及BNT162b2（S_WT-2P）。更重要的是，Omicron假病毒中和试验和活毒试验分别证实，S_Omicron-6P疫苗触发的Omicron中和抗体活性要比S_WT-2P触发的强14.44-27.7倍和28.3-50.3倍。在仓鼠模型中，面对Omicron的侵染，S_Omicron-6P疫苗可以起到非常好的保护效果。在恒河模型中，S_Omicron-6P疫苗触发高滴度的中和抗体且存在剂量依赖效应。这项研究工作证实他们设计的S_Omicron-6P疫苗触发的Omicron中和抗体滴度和免疫保护效果要显著优于目前获批的基于原始株设计的疫苗，在几种动物模型中，均可以触发强烈的体液免疫和细胞免疫。

接下来，围绕这款疫苗，我们来看看基于结构的抗原设计以及此款疫苗触发的免疫反应。

抗原设计

脯氨酸突变锁定融合前构象

2013年，Jason S. McLellan在RSV疫苗的研发中，基于结构设计突变，将RSV F蛋白锁定在融合前构象，结果在恒河猴中产生强力中和抗体。此项工作被Science杂志评为当年十大科技突破，可以说是基于融合前构象设计疫苗的开山之作。到2017年，他们团队在PNAS发表文章，采用2个脯氨酸突变稳定MERS Spike蛋白融合前构象，能够触发靶向MERS-Cov高滴度中和抗体。新冠疫情爆发后，S-2P锁定Spike融合前构象的设计被广泛用于新冠疫苗的设计，包括Moderna/Pfizer 两款mRNA疫苗设计也采用这种设计。

在2020年，Jason S. McLellan在Science发表文章：Structure-based design of prefusion-stabilized SARS-CoV-2 spikes。在这篇文章中，他们为解决新冠蛋白Spike融合前构象的极度不稳定性，很难在哺乳动物细胞中重组表达的问题，在原来S-2P的基础上，继续进行结构上的修改，设计出100个Spike候选序列，从中进行优化组合，最终设计出6个脯氨酸突变的HexaPro，使得Spike蛋白的产量和稳定性得到显著提升，并且电镜结构证实6个脯氨酸突变能够将Spike锁定在融合前构象。

S_Omicron-6P疫苗抗原设计

回到正题，正是在前面的基础上，王育才团队以Omicron（B.1.1.529）Spike序列为骨架，引入6个脯氨酸突变，稳定Spike融合前构象。这6个脯氨酸突变分别是F817P、A892P、A899P、A942P、K986P和V987P 。

疫苗免疫原性和保护效果

小鼠模型

两针免疫小鼠，假病毒中和试验显示，三组不同剂量的S_Omicron-6P疫苗触发的Omicron血清中和抗体滴度均比S_WT-2P高出14.4-27.8倍。接下来，活病毒试验数据显示，三组不同剂量的S_Omicron-6P疫苗触发的Omicron血清中和抗体滴度均比S_WT-2P高出28.3-50.3倍。有意思的是，两剂灭活疫苗和蛋白亚单位疫苗均无法触发靶向Omciron的血清中和抗体。以上数据说明，S_Omicron-6P疫苗在小鼠模型可以强烈触发靶向Omicron特异性的中和抗体。

仓鼠模型

给仓鼠初始免疫S_Omicron-6P疫苗后，在第14天和第21天，靶向Omicron-Spike的IgG血清结合抗体滴度基本没有变化，而且不同剂量之间也没有呈现出剂量依赖效应。但是，在打完第二针疫苗后，在第28天，血清中靶向Omicron-Spike的血清结合抗体滴度要提升超过10倍。假病毒和活病毒试验均证实S_Omicron-6P疫苗可以强烈触发机体产生高滴度的靶向Omicron的血清中和抗体，而且具有剂量依赖效应。在第30天，进行Omicron攻毒试验，四天后处死解剖。接种疫苗组仓鼠肺部只检测到微量的病毒RNA，要比未接种疫苗组肺部的病毒RNA降低4-5个数量级。在肺部和鼻甲中均未检测到感染性病毒颗粒，这说明S_Omicron-6P疫苗为机体提供强效的预防Omicron感染的免疫保护。

猴子模型

在恒河猴模型中，接种20ug/100ug S_Omicron-6P疫苗，间隔21天，接种两次。接种第一针疫苗后，触发一定程度的靶向Omicron Spike的IgG 血清结合抗体，但是无法触发靶向Omicron 的血清中和抗体。在接种完第二针疫苗后，不仅血清结合抗体滴度得到进一步提升，而且产生大量的靶向Omicron 的血清中和抗体，并且中和抗体滴度可以一直维系到第35天不发生下降。但是，两针疫苗只能触发非常低水平的靶向原始株,Beta,Delta的血清中和抗体滴度要下降10-25倍。以上数据说明，S_Omicron-6P疫苗只能强烈触发靶向Omicron的高滴度血清中和抗体，而靶向其他VOCs的血清中和抗体滴度处于极低的水平。

总结

（2）在恒河猴模型中，S_Omicron-6P疫苗触发的靶向VOCs的血清中和抗体滴度显著差异，再次证实Omicron抗原并不是一个理想的疫苗抗原，只能够触发非常狭窄的血清中和能力。

（3）尽管在病毒试验数据显示，在小鼠模型中，三组不同剂量的S_Omicron-6P疫苗触发的血清中和抗体滴度均比S_WT-2P高出28.3-50.3倍，但是如果要说明S-6P的免疫原性要强于S-2P，应该在编码相同变异株Spike蛋白的情况下去比较。

（4）比较遗憾的是，在恒河模型中，并未比较S_WT-2P/S_Omicron-2P/S_Omicron-6P疫苗作为第3针加强触发的靶向VOCs血清抗体反应和细胞反应的差异。