在导致艾滋病的病毒被确认后不久，时任美国卫生与公众服务部部长的玛格丽特·赫克勒告诉一群记者，这一发现将使科学家能够开发出预防艾滋病的疫苗。“我们希望大约两年后就能准备好进行疫苗测试，”她自豪地宣布。那是1984年。
政府官员当然在其他场合也曾错得离谱，但很少有像这次一样，如此大比例的科学界也过于乐观。在分离出 HIV 二十五年后，我们仍然没有有效的疫苗。一年前，默克公司的一项主要候选疫苗临床试验被终止，因为显而易见，该疫苗无效，甚至可能有害。今年夏天，另一种备受期待的疫苗也被搁置，其试验在开始前就被取消，因为没有理由相信其结果会更好。
在为研制抗 HIV 疫苗奋斗数十年后，这些事件使这项工作陷入混乱。我们这个领域的专家们已经意识到，如果经典的疫苗制造方法都对这种病毒无效，那么我们需要一种新的方法——一些尚未想象出的不寻常的创造性方法，或者对病毒本身的一些新见解，这些见解可能会揭示其弱点。我们必须回到基础，但这并不是说我们在过去 25 年里没有学到任何有价值的东西。事实上，每一次失败都揭示了这种病毒使用的伎俩，提出了对付它的新方法。这些教训已经在催生新的想法，并将科学家们聚集在一起，以解决关于这种独特病毒的剩余未解之谜。
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为什么疫苗有效——但对 HIV 无效
要了解如何解决制造抗 HIV 疫苗的问题，首先需要了解疫苗通常如何发挥作用。存在几种不同的疫苗制造方法，但在每种情况下，疫苗的有效性都取决于人体自身的自然免疫反应。例如，年度流感疫苗是通过灭活当年流行的流感病毒株，并将灭活的病毒通过手臂注射的方式接种到人体内制成的。皮肤深层的免疫细胞会将病毒蛋白识别为外来物质，并在几周内促使身体制造出针对该病毒株的微小分子，称为抗体。如果同种病毒在流感季节再次侵入人体，抗体将通过附着在病毒上，“中和”病毒，阻止其感染宿主细胞的能力。
1962 年，阿尔伯特·萨宾授权了一种用活的但减毒（失效）的脊髓灰质炎病毒制成的成功疫苗。由于这种活疫苗能够在一定程度上感染细胞，因此它不仅诱导抗体，还诱导来自称为 T 淋巴细胞的特殊细胞的所谓细胞免疫反应。如果以这种方式接种疫苗的人接触到脊髓灰质炎，T 细胞将迅速做出反应，摧毁任何被逃脱抗体的病毒感染的宿主细胞。
这两个例子代表了过去 50 年来一直是对抗传染病的主要防御手段的疫苗的基本原理。不幸的是，诱导抗体和 T 细胞的标准方法未能提供针对 HIV 的保护。本质上，所有疫苗都在模仿自然感染的各个方面，使免疫系统能够创建事件的“记忆”，并在下次更积极地做出反应。然而，关于 HIV 的一切似乎都几乎完美地适应于逃避或破坏这种自然免疫反应系统。
当 HIV 首次感染新宿主时，病毒开始在宿主细胞内快速复制自身，新病毒继续控制更多细胞。病毒复制非常密集，以至于有时感染者在感染后一个月内，每毫升血浆中可能含有 1 亿个病毒拷贝。通常，自然免疫防御的第一道防线是先天性或“非特异性”免疫系统，它由在体内巡逻以寻找入侵者的细胞组成。其中一些细胞会当场摧毁它们遇到的任何病毒感染细胞，尽管在大多数人中，该系统可能被复制 HIV 的最初攻击所压倒。然而，称为抗原呈递细胞的先天免疫细胞也正忙于吞噬一些病毒蛋白，以便它们稍后可以将其展示给更专业的免疫系统组件，目的是引发反应。
其中包括前面提到的 T 细胞，它们有两种重要的类型：“辅助性”和“杀伤性”。辅助性 T 细胞在发出警报以调动细胞免疫系统和协调其攻击方面发挥着关键作用。抗原呈递细胞首先使用主要组织相容性复合体 (MHC) 分子将它们采样的外来蛋白质（抗原）呈递给辅助性和杀伤性 T 细胞。反过来，T 细胞使用其 T 细胞受体来识别抗原-MHC 复合物。一旦杀伤细胞获得了入侵者的描述并收到来自辅助细胞的化学信号，它们就会繁殖，然后在搜寻和摧毁任务中散开。这种杀伤性 T 细胞反应在感染后大约三周开始发挥作用，它摧毁了大多数病毒感染细胞，从而降低了病毒水平。但这种反应通常为时过晚，而且终身慢性感染已经确立。
辅助性 T 细胞可能是人体对传染病原体反应的最重要调节器，因为它们在指导其他免疫细胞的活动方面起着关键作用。不幸的是，从一开始，HIV 就以辅助性 T 细胞自身为目标，在它们内部复制并在过程中摧毁它们。特别是，HIV 会攻击所谓的记忆辅助性 T 细胞，这些细胞充当免疫系统对过去接触病原体的记忆。在最初感染后的几周内，人体内这些记忆辅助性 T 细胞的供应量急剧减少，以至于整个免疫系统的指挥和控制系统瘫痪，并且永远无法完全恢复。
与此同时，病毒更擅长逃避杀伤性 T 细胞。在进入细胞后，HIV 将其 RNA 遗传物质复制到 DNA 中，这是一个容易出错的草率过程，会导致病毒拷贝发生突变。这些变化会传递下去，并在后代病毒每次复制自身时添加到其中。此外，如果两个病毒拷贝感染同一个细胞，它们可以在一个称为重组的过程中交换遗传物质，从而产生另一种病毒变体。
由于这种日益增长的多样性，受感染细胞呈递的病毒蛋白变得越来越难以被那些被启动以记住原始病毒版本的免疫细胞识别。当杀伤性 T 细胞摧毁所有呈递可识别抗原的细胞时，携带突变蛋白的病毒感染细胞就会接管。出于大致相同的原因，免疫系统在最初感染后三到四周产生的抗体无法识别感染后期宿主体内的大多数病毒颗粒。
这种免疫防御无法识别 HIV 变异版本的问题可能是疫苗开发人员最大的挫败感来源，因为它同样适用于疫苗产生的抗体和杀伤性 T 细胞。即使是对一种 HIV 毒株产生强烈疫苗诱导记忆反应的疫苗，对于后来侵入人体的毒株也可能无效，或者随着病毒变异而变得无用。
为了了解 HIV 巨大多样性带来的挑战规模，请注意，制造商每年都会更换流感疫苗，因为世界各地流行的流感病毒不断进化，略微改变其外层蛋白质，使得去年的抗体无法识别和抵抗今年的流感毒株。HIV 突变如此迅速，以至于据估计，一个人感染六年后的 HIV 颗粒表面蛋白质的多样性大于给定年份全球所有人类流感病毒毒株的多样性。实际上，使用传统方法产生抗体和其他针对 HIV 的免疫反应的疫苗必须是对抗数千种，甚至数十万种不同病毒的疫苗，而不仅仅是一种。
目标转移，失败的连篇累牍
解决 HIV 流行病的最佳长期解决方案是完全预防感染的疫苗，提供“无菌免疫”。至少，这可能需要一种能够诱导广泛反应性中和抗体的疫苗，该抗体能够识别所有形式的 HIV 并阻止其感染细胞。
一旦科学家发现 HIV 要进入辅助性 T 细胞，就必须附着在细胞表面的 CD4 受体以及通常称为 CCR5 的共受体上，阻止病毒与这些受体结合就成为疫苗研究的主要目标。这项工作的主要目标之一是病毒外壳上的糖蛋白，该糖蛋白在病毒与细胞融合之前与两个受体接触。这种蛋白质简称为包膜，但它的变异性甚至比病毒的其余部分还要大。
最早在人体试验的 HIV 疫苗之一，称为 AIDSVAX，旨在诱导针对包膜的抗体反应。在 1998 年开始的五年试验后，该疫苗被认为是失败的。疫苗产生的抗体没有阻止 HIV 进入 CD4+ T 细胞，因此没有预防接种者感染 HIV。
迄今为止，在人体试验的 HIV 疫苗中，没有一种能够诱导预防 HIV 进入细胞所需的广泛中和抗体。由于这种中和抗体问题仍然是安全有效疫苗的主要障碍，研究人员现在也在探索不太理想但仍然可以接受的选择，即不预防感染，而是降低患病或传播疾病可能性的疫苗。
这种疫苗的目标是通过诱导已启动并准备摧毁受感染细胞的杀伤性 T 细胞，将病毒水平保持在非常低的水平，从而防止病毒水平在感染早期阶段飙升。在这个急性感染阶段抑制 HIV 复制可能有助于保护人体内的辅助性 T 细胞数量。它还可以降低病毒传播给他人的风险。在最初的病毒复制激增之后，未经治疗的 HIV 阳性受试者体内的病毒水平稳定在中位数约为每毫升血浆 30,000 个病毒拷贝，但在观察性研究中，那些病毒载量低于每毫升 1,700 个拷贝的人，将其病毒传播给 HIV 阴性伴侣的风险显著降低。因此，任何无法提供无菌免疫的 HIV 疫苗都应旨在限制病毒峰值水平，并将慢性病毒载量降低至 1,700 或更低。
来自人类 HIV 感染和实验感染类似猴免疫缺陷病毒 (SIV) 的猴子的研究数据也鼓励了这种方法，这些数据表明杀伤性 T 细胞在控制病毒载量方面非常重要。此外，在人类和猴子中都存在罕见的病例，它们的身体在没有疫苗或药物的情况下控制了艾滋病病毒的复制。这些个体中的大多数都具有编码某些 MHC 分子的基因的特定变异，这些分子充当启动杀伤性 T 细胞对外来抗原做出反应的重要中介。
此类证据构成了继续进行 T 细胞诱导疫苗的理由，研究人员对默克公司最近开发的一种旨在诱导抗 HIV 杀伤细胞的 HIV 疫苗的试验寄予厚望。该公司在 HIV 疫苗研究方面投入了巨资，并测试了许多不同的诱导杀伤性 T 细胞的方法。最终，它决定使用一种称为 5 型腺病毒 (Ad5) 的普通感冒病毒将三个 HIV 基因带入细胞，期望细胞制造 HIV 蛋白。然后，免疫系统会被欺骗，认为人体感染了 HIV，并会产生保护性反应。使用的蛋白质称为 Gag、Pol 和 Nef，它们相对保守——这意味着它们在不同的 HIV 变体中往往变化不大。
不幸的是，这种在人体试验的诱导杀伤性 T 细胞反应的最有希望的方法在试验中失败了。平均而言，个体志愿者受试者对疫苗产生了相对较弱的 T 细胞反应——仅为免疫系统正在控制病毒复制的 HIV 感染者所见反应的 10% 到 20%。此外，细胞反应仅针对病毒蛋白的三个区域具有特异性。相比之下，表现出一定程度病毒复制控制的 HIV 感染患者通常对仅 Gag 蛋白就产生三到六个特异性反应。
默克疫苗未能抑制 HIV 复制的原因可能是 Ad5 载体或其携带的 HIV 基因的选择，或者是这些因素的组合。Ad5 可能天生就无法刺激足够有效或广泛的细胞免疫反应来控制 HIV 感染。我们中的许多人已经感染了这种普通感冒病毒，并且已经对其产生了免疫反应。预先存在的感冒病毒特异性抗体会限制可以感染靶细胞的 Ad5 颗粒的数量，从而削弱疫苗的效果。同样，预先存在的腺病毒特异性杀伤性 T 细胞可能在最初的疫苗免疫反应中占主导地位，从而可能降低 HIV 特异性 T 细胞反应的效力和广度。最后，所选的三种 HIV 基因可能不足以控制病毒。
与 Ad5 疫苗产生的有限数量的 HIV 蛋白相比，活的、减毒的 SIV 疫苗产生除 Nef 蛋白部分以外的每种病毒抗原。与脊髓灰质炎疫苗一样，这种活病毒可以在免疫猴体内复制，尽管比天然病毒弱，并且它确实可以保护动物免受随后感染与疫苗病毒显着不同的 SIV 版本的感染。这种疫苗即使在免疫系统受到不同版本的病毒挑战时，也能够保护宿主免受感染，这当然是 HIV 疫苗研究人员的目标。但实验也表明，失效的疫苗病毒最终会自行修复，并继续产生全面的 SIV 感染，从而杀死猴子。此外，疫苗和实验性攻击病毒可以结合，产生致命的新毒株。因此，出于安全原因，活的、减毒的 HIV 不太可能在人类中用作疫苗。
未来的道路
默克疫苗的失败对该领域是一个巨大的打击，引发了关于是否有可能研制出有效对抗 HIV 的疫苗的公开讨论。这也导致了对当前候选疫苗的仔细反思。目前，一项在泰国进行的疫苗试验预计将于今年晚些时候结束，这是唯一正在进行的大规模人体疫苗候选疫苗测试，预计近期不会开始新的试验。美国国立卫生研究院开发的 DNA 质粒疫苗的大型国际试验原定于今年秋季开始。然而，今年 7 月，美国国家过敏和传染病研究所所长安东尼·S·福奇取消了该试验，理由是证据不支持如此大规模的测试。
与此同时，福奇宣布他的机构将把 HIV 疫苗研究工作的资金重新导向基础科学，以解决关于 HIV 及其在体内行为的基本问题，这些问题可能会揭示解除病毒武装的新方法。开发下一代改良的候选疫苗将需要科学家们解决许多重要问题。
HIV 多样性仍然是疫苗诱导的抗体或杀伤性 T 细胞反应能够在感染早期建立有效防御的巨大障碍。由于每个感染者体内的突变和重组，个体接种者很可能接触到与用于制造疫苗的病毒差异超过 10% 的病毒。例如，编码病毒包膜糖蛋白的高度可变 env 基因内累积的变化对于将 HIV 分类为不同的组（标记为 M、N 和 O），然后再分类为亚型或进化枝非常重要。对构成包膜的氨基酸序列的分析表明，它们在不同进化枝之间可能相差高达 35%。即使在同一个进化枝内，包膜序列多样性也可能达到 20%。
因此，许多基于 T 细胞的 HIV 疫苗设计已经放弃了使用包膜来诱导免疫系统反应的想法，而是专注于病毒的更保守区域，例如 Pol 和 Gag 蛋白。然而，这些蛋白质中相对较小的变异可能仍然对疫苗功效产生严重影响。病毒蛋白中的单个氨基酸差异可能会损害甚至消除疫苗诱导的抗体或杀伤性 T 细胞识别病毒的能力。弄清楚如何制造广泛中和抗体仍然是 HIV 疫苗领域最重要的目标。
一个相关的问题与宿主杀伤性 T 细胞在自然感染期间对 HIV 的反应有关：我们应该寻求模仿或增强所有这些反应，还是应该只关注某些类型的反应？杀伤性 T 细胞根据病毒片段的氨基酸序列选择各种 HIV 部分进行反应，并且某些病毒区域比其他区域更频繁地引发反应。越来越明显的是，并非所有杀伤性 T 细胞反应在功能上都是等效的——有些比其他反应更有效地控制病毒复制。最近开发的新实验室检测方法应有助于我们首次确定，在众多细胞反应中，哪些实际上可以在实验室中控制 HIV 复制。如果事实证明，在自然感染中看到的一些最罕见的反应是最有效地控制病毒的反应，那么最好的疫苗方法可能是通过改变 HIV 特异性杀伤性 T 细胞反应的自然频率模式来增强这些反应。
同样，了解某些被称为精英控制者的罕见个体如何自然地抑制 HIV 或 SIV 复制应有助于为疫苗设计提供信息。少数人和猴子在感染后自发地控制病毒复制，就像有效的杀伤性 T 细胞诱导疫苗旨在做的那样。在这些情况下，病毒复制的抑制发生在最初的急性感染消退后，因此研究该过渡阶段应能为病毒最初如何受到控制提供线索。我们已经知道，其中一些个体具有基因变异，这些变异会增加其免疫细胞的数量或功能，或降低病毒进入细胞上 CCR5 受体的能力。一个由人类控制者组成的大型群体目前正在组建中进行研究，广泛的遗传、免疫学和病毒学分析可能会为这些人为何能够抑制病毒复制提供重要的线索。这些发现反过来将产生新的疫苗概念，可以在猴子身上直接进行测试。
进一步研究猴子对减毒活 SIV 疫苗的反应也将非常有价值，因为这些强效疫苗使猴子能够抵御高度致病性病毒，即使是那些与疫苗毒株显着不同的病毒，也能在相当长的时间内做到这一点。尽管安全问题意味着减毒病毒方法永远不会在人类中使用，但准确理解它为何如此有效可能会产生新的见解。
最后，科学家找到创造 HIV 疫苗新方法的能力也将受益于我们在工作中采取新方法。研究人员小组首次聚集在一起组成联盟来解决这些关键问题，这些合作努力的资金来自比尔及梅琳达·盖茨基金会、国际艾滋病疫苗倡议组织和美国国立卫生研究院。通过共同努力，这些联盟比以往任何时候都更有可能找到有助于发现 HIV 疫苗的所有重要线索。
HIV 疫苗研究人员远未放弃，他们正在为一场新的战斗做好准备。我们永远无法想象在玛格丽特·赫克勒的时代，这种病毒会多么顽固地抵抗传统的疫苗技术，但我们也是一群顽固的人，只要给予时间，科学终将找到防御 HIV 的方法。
注：本文最初印刷时的标题为“疫苗探索仍在继续”。