由风疹引起的出生缺陷，一排排铁肺收容着被脊髓灰质炎致残的儿童，或者婴儿与百日咳抗争的可怕声音，仍然会在亲眼目睹过这些和其他疫苗可预防疾病造成的损害的人们心中唤起恐惧。幸运的是，对于一生都能获得疫苗的现代世代来说，这些灾难几乎是闻所未闻的。
200多年来，疫苗已被证明是预防传染病最成功、最挽救生命和最经济的方法之一，仅次于饮用水消毒。疫苗使数百万人免于早逝或致残疾病，并使1979年全球根除天花成为可能。健康专家现在承诺消除脊髓灰质炎、麻疹，甚至可能有一天消除疟疾——尽管，正如我们将看到的，疟疾疫苗需要创新的免疫接种方法才能成功。
广义上讲，疫苗接种的前提是，接触少量致病微生物会教会人体免疫系统识别它，并准备好在下次遇到它时进行抵抗。但经典疫苗并非总是对所有人有效，也不能预防所有疾病。某些人群，如老年人，可能免疫系统过于虚弱，无法对传统疫苗做出充分反应。某些致病生物体已经能够逃避疫苗引起的免疫防御——疟疾、肺结核和艾滋病是疫苗仍然无法可靠预防的疾病的例子。疫苗接种的原理也可以扩展到许多其他疾病，如癌症、过敏症或阿尔茨海默病，但这些应用将需要激发免疫系统对通常只能微弱识别或根本不识别的东西做出反应。
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在所有这些情况下，增强身体识别和响应疫苗能力的免疫系统刺激物可能会起到关键作用。这种免疫刺激物质通常被称为佐剂，源自拉丁语 adjuvare，意思是“帮助”。有些佐剂已经为人所知一个多世纪，并被用于增强疫苗和癌症疗法。然而，与疫苗本身的机制一样，直到最近，人们对佐剂如何与免疫细胞相互作用的确切细节仍然知之甚少。免疫学的巨大进步，尤其是在过去十年中，为佐剂如何产生作用提供了新的见解，并为设计精确定制的疫苗开辟了道路，以保护目标人群和对抗特定病原体。借助这些新工具，曾经不可能创造的疫苗现在正在开发中，现有疫苗也变得更加高效和有效。
模拟感染以避免感染
许多自然感染至少有一个好处，那就是一次疾病发作会赋予对致病病原体的终身免疫力。理想的疫苗也应提供这种持久的保护，最好只需一剂，甚至可能预防相关的威胁，例如不断进化的人类流感病毒家族的所有成员。为了实现这些目标，疫苗必须调动免疫系统中的多个细胞参与者，与真实感染期间受刺激的细胞相同。
当野生病原体首次进入人体时，它会立即遇到先天免疫系统的细胞，这些细胞不断巡逻以寻找入侵者。这些哨兵包括巨噬细胞和树突状细胞，它们吞噬和破坏病原体以及受感染的身体细胞。然后，警卫细胞分解它们摄取的物质，并展示入侵者成分的样本——称为抗原——以便适应性免疫系统的成员 T 细胞和 B 细胞能够熟悉病原体的外观。与此同时，抗原呈递细胞释放称为细胞因子的信号化学物质，这些物质会诱导炎症并警告 T 细胞和 B 细胞注意紧急情况。
一旦适应特定病原体的 T 细胞和 B 细胞群体成熟，B 细胞就会释放抗体分子，而杀伤性 T 细胞会寻找并摧毁已经被入侵者定植的细胞。与抗原呈递细胞相互作用以创建这些定制的 T 细胞和 B 细胞需要几天时间，但它们中的一部分可以作为“记忆”细胞留在体内——有时长达数十年——随时准备抑制同一生物体的任何再次感染企图。疫苗通过引入整个病原体或其片段来复制此过程，这些片段将被识别为外来入侵者。并非所有疫苗都能成功产生完整的免疫反应，但有些病原体可以仅通过抗体来阻止，因此不需要杀伤性 T 细胞来提供保护。
病原体的性质及其致病方式是疫苗设计者在选择使用哪种抗原时需要考虑的因素。标准疫苗中施用的物质可能是活的但已减弱（“减毒”）的细菌或病毒；整个生物体的灭活或灭活版本；或从原始病原体中提取的纯化蛋白质。每种选择都有优点和缺点。
活的减毒疫苗在体内繁殖非常缓慢，但由于它们确实会繁殖，因此会继续向免疫系统呈递抗原，因此它们可以触发强大而持久的免疫反应。然而，由于其固有的感染性，减毒疫苗不能用于免疫系统较弱的个体，这些个体可能会不堪重负。某些活病毒发生突变并恢复为毒性形式的危险也使得减毒疫苗对于 HIV 等致命病原体而言过于危险而无法使用。
更常见的是由整个病毒颗粒组成的疫苗，这些病毒颗粒已使用加热等方法“杀死”。颗粒无法复制，但病毒蛋白质仍然相对完整，并且容易被免疫细胞识别，尽管需要定期加强注射以增强免疫反应。
第三种形式是亚单位疫苗，它在不引入微生物（无论是完整的还是其他形式的）的情况下向免疫系统呈递抗原。这种抗原可以从病原体本身分离出来，也可以通过重组基因工程制造。然而，由于亚单位疫苗仅包含病原体的一部分，因此它们并不总是触发刺激最佳免疫反应所需的危险信号。
近年来，科学家们已经认识到抗原呈递细胞，特别是树突状细胞，在评估病原体构成的威胁程度和确定必要的反应方面发挥的关键作用。当树突状细胞在感染部位或疫苗注射部位加载抗原时，它们会成熟并迁移到附近的淋巴结，在那里它们开始发出信号和相互作用，从而引发保护性的 B 细胞和 T 细胞反应。如果没有整个微生物特有的危险指示器，树突状细胞就无法正常成熟和迁移，亚单位疫苗通常需要佐剂来提供刺激树突状细胞采取行动的危险信号。
美国使用的大多数疫苗已经包含最古老的佐剂之一，明矾，它是铝盐化学家族成员的简写术语。尽管明矾自 20 世纪 30 年代以来已用于人类疫苗，并且已证明其在许多现有疫苗中的有用性，但对于对抗需要抗体保护以上才能有效的疾病的疫苗而言，它是不够的。
各种可能导致危及生命的感染的病原体，如 HIV、丙型肝炎病毒、结核分枝杆菌和疟原虫寄生虫（疟疾的来源）可以逃避抗体，而对抗这些病原体的有效疫苗需要刺激强大的 T 细胞反应。事实上，对抗这些极具挑战性的生物体的努力激发了人们对疫苗佐剂的重新兴趣，同时推动了对免疫系统的理解的突破，这反过来又促成了更好的佐剂的出现。
佐剂的复兴
早在 19 世纪 80 年代法国化学家路易斯·巴斯德正在与一只狂犬病斗牛犬搏斗以提取唾液用于第一支狂犬病疫苗时，一位纽约骨科外科医生在不知不觉中发明了一种增强整体免疫反应的技术，可以被认为是佐剂的首次使用。纽约癌症医院的威廉·B·科利对肿瘤在感染了特定菌株的链球菌细菌（化脓性链球菌）的癌症患者中缩小或完全消失的报告很感兴趣。他凭直觉认为患者对细菌的免疫反应增强了他们对抗肿瘤的能力，因此他在 1881 年开始了一系列实验，向癌症患者施用活细菌，后来又输注灭活细菌。这些疗法，后来被称为“科利毒素”，取得了一些令人印象深刻的缓解，尽管它们的确切作用机制长期以来一直是个谜。
尽管如此，20 世纪早期的研究人员还是扩展了细菌和其他物质可以改善人类自然免疫反应的想法。法国兽医加斯顿·拉蒙和英国免疫学家亚历山大·T·格莱尼尝试使用木薯和氢氧化铝等各种物质来提高给予动物的白喉和破伤风疫苗的有效性。在 20 世纪 30 年代，其他科学家发现，将抗原悬浮在油和水的乳液中可以增强疫苗效力，并且细菌提取物（如脂多糖 (LPS)，某些细菌细胞壁的成分）继续得到探索。许多这些添加剂都具有预期的效果，但不良反应（如过度炎症）往往使这种方法不可预测。
因此，对佐剂研究的兴趣逐渐消退，直到 20 世纪 80 年代，一种新的病毒挑战的到来呼唤部署一切可以想象到的策略。事实证明，HIV 远远超出了经典疫苗接种方法的范围。该病毒选择性地攻击 T 细胞，有效地使适应性免疫系统失效，并且它不断地变形，以至于抗体永远无法跟上它。从事重组 HIV 蛋白疫苗研究的研究人员不得不寻找方法来增强免疫系统对抗原的识别，从而引导他们尝试已知佐剂的组合，以及改进这些佐剂以塑造新的佐剂。
然而，佐剂研究的最大突破可能发生在 1997 年，当时发现树突状细胞表面和内部的专门模式识别受体专门用于识别微生物的基本组成部分，例如在许多不同细菌的尾巴中发现的蛋白质鞭毛蛋白。这些病原体检测受体提供危险信号，刺激树突状细胞采取行动，并提供有关存在何种类型威胁的信息。在这些新发现的细胞密钥中，一类被称为 Toll 样受体 (TLR) 的受体似乎对驱动树突状细胞的行为最为重要[参见 Luke A. J. O’Neill 的文章“免疫系统的早期预警系统”；《大众科学》，2005 年 1 月]。
迄今为止，已鉴定出 10 种功能性 Toll 样受体，每种受体都能识别病毒或细菌的不同基本主题。例如，TLR-4 识别 LPS，而 TLR-7 则记录某些病毒典型的单链 RNA。在这些发现之后，人们清楚地认识到，微生物提取物之所以充当免疫刺激佐剂，是因为它们通过 TLR 为树突状细胞提供了危险信号。这些机制的揭示意味着疫苗设计者可以使用一种或多种佐剂来靶向特定的 TLR。
下一代疫苗
20 世纪 80 年代和 90 年代发起的这项研究旨在鉴定和评估天然佐剂，以及合成或修饰的佐剂，这些佐剂可能用于调节对特定病原体或特定人群的免疫反应。这些成分包括传统佐剂，如明矾，以及油包水乳液，如 MF59 和 AS03，这两种乳液均已在欧洲获准用于某些流感疫苗。更广泛地说，佐剂也可以是任何通过作用于树突状细胞或其他免疫细胞类型来提高免疫反应的数量和质量的化合物。
实验和免疫学的进步使科学家能够消除早期佐剂中引起不良毒性的元素，并混合和匹配佐剂物质，以便优化它们的集体作用，从而引发所需的免疫反应。例如，一种新型佐剂，单磷酰脂质 A (MPL)，是通过对 LPS 分子中的一种脂质进行解毒和进一步纯化而产生的，从而产生了一种具有 TLR-4 刺激特性但没有不良毒性的佐剂。它已被纳入几种已上市或处于后期临床试验阶段的疫苗中，结果令人鼓舞。
其中一种疫苗是实验性疟疾疫苗，我们中的一位（Garçon）作为葛兰素史克生物制品公司疫苗佐剂中心的负责人，曾帮助开发了这种疫苗。疟疾是由疟原虫属的原生动物寄生虫引起的严重疾病，每年导致超过一百万人死亡，其中大部分是五岁以下的儿童。这些寄生虫能够隐藏在细胞内，逃避免疫机制。它们也会在生命周期中多次改变形态，因此很难找到一种抗原，使其能够在感染的所有阶段都充当有效的疫苗靶点。引发抗体和 T 细胞介导的免疫以抵抗这些寄生虫，从而阻止它们进入细胞并摧毁已经被感染的细胞，这一点非常重要。反过来，这些目标需要超越明矾的佐剂。
考虑到所有这些因素，我们的小组开发了一种基于抗原 RTS,S 的疫苗，该抗原连接了寄生虫表面在进入人类宿主血细胞之前和早期细胞感染期间存在的一种重组部分蛋白质，并将其与乙型肝炎表面抗原连接，以进一步刺激免疫识别。然后，将这种化合物分子与佐剂混合物一起施用，该混合物由油包水乳液、MPL 和 QS21（一种自 20 世纪 30 年代以来用于兽医学的植物衍生物）组成。在优化配方后，我们和我们在沃尔特·里德陆军研究所的合作者在涉及愿意将手臂伸入装有携带疟疾的蚊子的盒子中并被叮咬至少五次的志愿者的小型人体试验中尝试了该疫苗。七名疫苗接种者中有六名免受感染，而接种含有明矾版本的疫苗接种者则没有。
在持续暴露于寄生虫的现实生活条件下进行测试才是最终考验，在冈比亚成年人中进行的更大规模的试验表明，71% 的受试者在九周的随访期间免受感染。后来在莫桑比克疟疾流行地区的儿童中进行的试验表明，三剂疫苗可保护 30% 的儿童免受感染，并且该组在六个月内的严重疾病发生率降低了近 60%。一种包含脂质体的改良版疫苗即将完成对婴儿的后期（3 期）临床试验。作为有史以来第一种显示出对疟疾感染和严重疾病具有显着保护率的疫苗，它为控制该疾病带来了巨大的希望。
这种疫苗的成功说明了合理疫苗设计的潜力，即结合抗原和佐剂来产生所需的免疫反应——无论是制造新疫苗还是改进旧疫苗。许多通常成功的现有疫苗可能对某些人群不安全或无效，包括最需要它们的人群。季节性流感就是一个例子：老年人和婴儿最容易受到致命的流感感染，因为婴儿的免疫系统尚未完全发育，并且免疫反应也会随着年龄的增长而下降。在 65 岁以上接种标准流感疫苗的人中，只有大约一半的人会产生足够的抗体来预防感染。
相比之下，一种含有油包水乳液 AS03 的实验性季节性流感疫苗在 90.5% 的 65 岁或以上受试者中产生了保护性抗体水平。由于佐剂增强了免疫细胞对抗原的识别，因此它们也可以用于以更少的抗原制造有效的疫苗。在需要为潜在的庞大人口快速接种疫苗的大流行情况下，这种考虑尤其重要。另一种实验性 AS03 疫苗，这次是针对禽 H5N1 流感毒株的疫苗，仅使用典型季节性流感疫苗中三分之一的抗原量就引发了保护性抗体反应。
这些例子说明了那些接近广泛人类使用的新型疫苗，因为 20 世纪 80 年代和 90 年代佐剂的复兴和发展现在正在结出硕果。科学家在那时意识到树突状细胞的模式识别能力是先天免疫系统和适应性免疫系统之间至关重要的联系，这也使得新型佐剂的设计成为可能。这项工作尚处于早期阶段，但有可能创建一个佐剂成分库，疫苗设计者可以从中挑选和选择，以构建具有前所未有的精确度的疫苗。
新一代佐剂
随着免疫学和分子生物学的进步，材料科学为实现佐剂效果提供了许多新方法。脂质体载体已被用于封装药物和其他物质，将其内容物输送到体内的目标组织，同时保护它们免受降解。当用于携带疫苗抗原时，它们提供类似的保护，创建一个储存库，允许抗原长时间暴露于免疫细胞。这种原理的变体见于聚合物抗原笼，例如，既由天然多糖（如细菌细胞壁中发现的那些）制成，也由合成聚酯制成。这些材料还具有掺入天然或添加的免疫刺激化学物质的额外好处，这些物质可以触发所需的免疫细胞信号传导。
随着免疫细胞语言被破译，科学家们逐渐认识到，树突状细胞发出的早期信号以发出警报，也指导了反应的性质，具体取决于手头的威胁类型。因此，疫苗设计者理论上可以定制佐剂组合，以召唤强调抗体产生的免疫反应，或者优先刺激某些 T 细胞亚群的免疫反应。事实上，信号分子本身就是正在实验性地尝试作为佐剂的物质之一。一类称为白细胞介素 (IL) 的细胞因子长期以来一直用于增强癌症和艾滋病治疗中的免疫力，但白细胞介素是树突状细胞自然产生的，细胞的信号混合物可以决定哪些免疫细胞会做出反应——例如，IL-4、IL-5 和 IL-6 增强杀伤性 T 细胞的产生，而 IL-2 和 IL-12 将有利于抗体反应。
可以通过 TLR 激活剂的组合实现类似的效果。各种 TLR 识别微生物产物，其中之一 TLR-4 也识别身体在压力下释放的分子，称为热休克蛋白。一些 TLR 激活剂与非 TLR 佐剂（如油乳液）的组合在激活树突状细胞方面显示出特别强的协同作用，并且可能在一些最具挑战性的疫苗应用中证明有用。
其中之一是癌症，这是一种不寻常的疫苗靶点，因为癌细胞不是外来入侵者，而是从受害者自身体内产生的。因此，免疫系统确实会对肿瘤细胞产生一些反应，但这很少足以对抗癌症。刺激对肿瘤细胞的免疫反应的治疗性疫苗的尝试遇到了令人失望的结果；然而，正确的佐剂组合可能会有所作为。各种采用不同佐剂组合的实验性癌症疫苗已产生有希望的结果。
其中一种疫苗目前正处于后期临床试验阶段，它将一种高度特异于某些肿瘤细胞的抗原 (Mage-A3) 与 AS15（一种由稳定脂质体、MPL 和 QS-21 以及称为 CpG 的细菌成分组成的佐剂混合物）相结合。在非小细胞肺癌患者的试验中，96% 的接受疫苗者表现出强烈的 Mage-A3 抗体反应，并表明已触发了理想的白细胞介素信号传导。几乎三分之一的患者经历了肿瘤的稳定或消退。另一项正在进行的试验正在将 CpG 与化学疗法和放射疗法一起用于对抗多种类型的癌症。CpG 是一种独特的细菌 DNA 基序，可被 TLR-9 识别，并刺激树突状细胞激活强大的 T 细胞反应。因此，它作为佐剂的用途与威廉·科利很久以前对癌症患者进行的细菌治疗相呼应。恰如其分地，为开发 CpG 作为佐剂而创建的公司被命名为 Coley Pharmaceuticals。
我们描述的各种佐剂系统正在推动通过疫苗接种预防疾病的极限，并在未满足医疗需求的领域带来巨大的希望。将 CpG 添加到豚草抗原的早期临床试验已显示出作为花粉热疫苗的前景。佐剂诱导免疫防御以识别相关流感毒株的能力为创建更广泛保护性的流感疫苗提供了可能性。对于那些免疫系统因疾病或化疗而受损的人来说，他们可能首次有机会获得能够引发免疫保护的疫苗。佐剂可能不是解决现代疫苗库所有缺点的答案，但它们肯定会提供部分解决方案。
当然，调节免疫系统是一项细致的工作，并且持续的关键疫苗安全性评估以及关于下一代疫苗和佐剂的准确信息的透明传播至关重要。详细了解新疫苗中掺入的佐剂的作用模式正在指导其开发，并将指导其使用和监测。令人鼓舞的是，最先进的佐剂预防性疫苗尚未显示出任何值得关注的问题迹象，但开发人员必须保持警惕。
随着该领域的不断发展，疫苗将更好地为特定亚人群服务，并以合理的方式靶向疾病，从而在平衡安全性和有效性的同时，引发最佳的免疫保护。这就是未来的疫苗开发。而那个未来即将到来。
注：本文最初以标题“增强疫苗的力量”印刷。