自从科学家 30 多年前将 HIV 确定为 AIDS 的病因以来，我们仍然未能研制出一种有效的抗该病毒疫苗。一系列药物通常可以将感染控制几十年，但首先预防感染的疫苗将是最好的武器——尤其是在发展中国家，那里的药物成本和其他因素可能会使许多人无法获得有效的治疗。如果不进行治疗，HIV 感染通常会悄无声息地发展，并在几年内发展为严重的免疫缺陷（AIDS）和死亡。
疫苗开发的长期延误并非由于缺乏尝试甚至缺乏资金。问题在于，HIV 与科学家们以前处理过的任何其他病毒都不同。任何抗病毒疫苗要发挥作用，都必须唤醒免疫系统，使其在目标病毒侵入细胞并在体内传播之前对其进行攻击和摧毁。但 HIV 已经进化出许多防御人类免疫系统的方法。更糟糕的是，它会杀死或损害本应协调身体对抗它的反应的关键免疫细胞。而且，它还是一个无与伦比的伪装大师，迄今为止，疫苗制造者们一直努力教导身体如何快速识别和阻止其多种变体感染人类，但都以失败告终。
我们三人和我们的同事最近经过近二十年的尝试，成功地创造出一种合成蛋白质，它应该有助于克服疫苗制造者过去面临的困难。我们已经证明，这种分子可以在动物身上引发对 HIV 的强烈反应。要作为人类疫苗的基础，它需要进行改造，变得更强大，并能够预防更多种病毒株的感染。这项工作需要时间。但我们的实验室和许多其他实验室已经在努力应对剩余的挑战，并乐观地认为我们终于走上了正确的道路。
愿景
我们构建的蛋白质比以往任何时候都更完整地模仿了病毒蛋白，称为包膜蛋白或 Env。Env 从 HIV 表面像尖峰一样升起，并使病毒能够进入称为 CD4+ T 淋巴细胞的免疫系统细胞。这些 T 细胞通常通过各种蛋白质（包括两种称为 CD4 和 CCR5 的蛋白质）与其他免疫系统部分进行通信，这些蛋白质像堡垒墙上的信号塔一样点缀在它们的外表面。当 HIV 试图进入免疫细胞时，其包膜蛋白之一首先附着在 CD4 蛋白上，这使其随后也能与 CCR5 结合。接下来，包膜蛋白会扭曲并重新排列自身，使病毒和免疫细胞的外膜融合在一起。当膜融合时，病毒将其基因释放到细胞中，细胞产生数十亿个病毒拷贝；这些病毒颗粒反过来又从细胞中逸出并扩散到其他细胞，感染过程在那里重复进行。
研究人员长期以来一直梦想通过阻止包膜蛋白的动作来预防 HIV 感染。最合乎逻辑的方法是“教导”人体的免疫系统产生称为抗体的分子，这些抗体将特异性地识别并粘附到 HIV 上的包膜蛋白。理论上，这种抗体将具有两种理想的效果。它们将形成一道屏障，阻止 HIV 附着到 CD4 和 CCR5，从而进入 CD4+ T 细胞，并且它们将确保病毒的破坏或通过免疫系统的不同部分清除。大致相同的方法对其他病毒（如乙型肝炎）的疫苗效果良好：来自病原体表面的蛋白质通过基因工程在实验室中产生；当注入人体后，这些蛋白质本身不会引起疾病（因为病毒的其余部分不存在），但它们可以诱导免疫系统产生抗体，这些抗体将瞄准并摧毁任何显示相同或相似蛋白质的入侵病毒。
不幸的是，HIV 阻碍了开发疫苗的标准方法，因为它的包膜蛋白有一个讨厌的习惯，即一旦它们与完整的病毒分离就会分解。这些片段包括 gp120 亚单位（包膜蛋白中附着在 CD4 上的部分）和 gp41 亚单位，后者将包膜蛋白锚定在病毒膜中，并随后促进病毒和免疫细胞膜的融合。
现在你可能会认为包膜蛋白分解的趋势不会造成太大的问题。毕竟，如果没有 gp120 附着到 CD4 信号蛋白，病毒就无法感染细胞，而且免疫系统可以并且确实会产生针对单个 gp120 分子的抗体。事实上，多年来，研究人员一直试图使用 gp120 亚单位制造疫苗，但没有成功（而且有些人仍在尝试）。事实证明，针对单个 gp120 蛋白产生的抗体不会引发针对感染人类的病毒的强烈免疫反应。相比之下，对完整 Env 蛋白的研究表明，针对它们的抗体在靶向 HIV 以进行破坏方面更有效。
最终，在 1998 年，我们中的一人（Moore）决定，要生产出成功的疫苗，可能需要放弃 gp120 途径，转而专注于制造基于完整包膜蛋白的疫苗。制造这种疫苗将非常困难，原因有很多，其中最主要的原因是每个包膜蛋白都很复杂：它是一个三聚体，由 gp120 和 gp41 组件的三个拷贝组成。我们中的另一人（Sanders）在不久之后加入了这项工作，随后不久，我们的另一位合著者（Wilson）也加入了。
多重挑战
为了预防 HIV 感染，任何疫苗（包括基于我们研究的疫苗）都必须应对许多挑战。首先，它必须刺激免疫系统产生特定类型的抗体。最有效的抗体是那些既能识别完整病毒（就 HIV 而言，特异性地通过瞄准包膜蛋白）又能以某种方式与其结合，从而阻止该病毒进入细胞的抗体。研究人员将这些关键的防御分子称为中和抗体，因为它们中和了病毒的感染性。
然而，为了在全球范围内预防感染，我们不能仅仅产生任何普通的中和抗体；我们需要那些“广谱活性”的抗体：能够识别多种不同的包膜蛋白变体，并阻止它们使用 CD4 和 CCR5 进入免疫细胞。理想的中和抗体大概会针对包膜蛋白中病毒株之间差异不大的部分。如果可能，产生针对 Env 几个不同部分的广谱活性中和抗体可能是一种更好的策略。
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来源：FALCONIERI VISUALS（主图）；JEN CHRISTIANSEN（疫苗示意图）
研究人员还希望疫苗产生的抗体即使在包膜蛋白被一层异常厚的糖分包裹的情况下也能做出反应，这些糖分基本上将 HIV 从免疫系统中掩盖起来。在未经治疗的 HIV 感染过程中，免疫系统设法产生反应（包括产生中和抗体），从而在数年内限制病毒复制，但这种反应太慢且太弱，无法完全根除 HIV。而且，身体可能需要数月或数年的时间才能弄清楚如何产生中和抗体，从而绕过或识别 HIV 的伪装糖分。与此同时，病毒会破坏越来越多的身体无法承受损失的免疫细胞。
反复试验
制造符合我们两个关键标准的三聚体——它不会分解并且会引发针对相关 HIV 毒株的中和抗体——我们的团队进行了多次尝试（全部由美国国立卫生研究院资助），并且花费了近二十年的时间才完成。
我们首先从特定 HIV 毒株中分离出 Env 基因，并使用它们合成 Env 蛋白。为此，我们去除了通常将包膜蛋白锚定到 HIV 表面的部分。我们的第一次尝试产生了一种仍然会分解的蛋白质。其他几个科学家小组试图通过基因工程改造包膜蛋白来解决这个问题，从而实际上保证了各个组分会保持在一起。果然，由此产生的分子并没有完全分解，但它们的结构与在 HIV 上发现的包膜蛋白的结构差异太大，因此证明它们无法引发必要的抗体。
现在是时候在其他与 HIV 有一些结构相似性的病毒中寻找线索了。我们意识到，其中一些病毒表面的蛋白质具有一种化学支柱，将它们相当于 gp120 和 gp41 蛋白的物质与一对硫原子连接起来。我们开始寻找可以将这种硫支柱添加到我们正在合成的 HIV 包膜蛋白中的位置，并利用已知的关于 HIV 三聚体的 gp120 和 gp41 组件如何组装在一起的知识，对将硫支柱放置在何处以更牢固地将所有东西连接在一起做出一些有根据的猜测。通过反复试验，我们找到了正确的位置，但由此产生的三聚体仍然崩溃了——只是崩溃的方式与我们之前的尝试不同。
然后，我们对 gp41 组件进行了一个小的调整。所有蛋白质都由各种氨基酸组成，氨基酸的电荷等特性使蛋白质呈现出独特的形状。Sanders 决定通过进行特定的氨基酸替换，迫使我们的人工三聚体的 gp41 部分呈现略微不同的形状。最终，他找到了一种替代成分（用脯氨酸代替异亮氨酸），使三聚体能够保持在一起。我们给我们的工程蛋白命名为“SOSIP”，以纪念使其成为可能的两个策略：前三个字母 (SOS) 指的是硫支柱，最后两个字母 (IP) 指的是我们在 gp41 蛋白中所做的关键调整。
多年来，情况一直如此。我们的三聚体是稳定的，但是当我们把它们放在液体中时，就像疫苗需要的那样，它们只是聚集在一起，使它们变得毫无用处。
两个关键进展最终使我们能够取得新的进展。首先，斯克里普斯研究所的 Andrew Ward（当时是一名助理教授）加入了确定 Env 三聚体物理结构的工作。Ward 用电子显微镜拍摄了我们 SOSIP 三聚体的高度详细的照片，并表明它们正在吸引脂肪球或脂质，这些脂质基本上使三聚体非常粘稠，导致它们像口香糖一样凝结。而且，虽然我们的一些人工三聚体看起来像病毒包膜蛋白，但另一些则呈现出非常奇怪的形状。显然，我们并没有始终如一地制造我们想要的尖峰模拟三聚体。
在电子显微照片的指导下，我们找到了一种方法来切除我们工程三聚体末端的一部分，该部分正在吸收多余的脂质分子。我们将这些截短的三聚体称为 SOSIP.664，因为我们现在在何处切除它们：三聚体的每一部分都由一个长长的氨基酸链组成，我们将它们在链中的第 664 个氨基酸处切除。Ward 通过电子显微镜观察这些稍微短一些的三聚体，发现它们都与在感染性 HIV 毒株上发现的尖峰结构的可见部分非常相似。
此时，SOSIP.664 具有来自一种 HIV 毒株的一种变体的包膜蛋白的氨基酸组成，但我们想要构建一种最有可能引发对多种毒株具有广泛活性的中和抗体的三聚体。
即使是现在，也没有人真正知道如何制造一种会在人体内诱导广谱中和抗体的三聚体。但我们这样做的最佳机会是至少确保三聚体可以被识别——即在实验室测试中与从一些感染 HIV 多年的人身上收集的一系列广谱中和抗体结合。换句话说，为了让现有的广谱中和抗体完全附着到特定的三聚体上，从生化角度来看，它必须看起来与天然存在的 Env 蛋白非常相似。因此，将这种密切匹配的三聚体注入未感染的人体内很可能会促使免疫系统产生类似强大的抗体。
由于我们无法预测 Env 蛋白的哪种氨基酸组成会给我们想要的特性，因此我们别无选择，只能筛选来自世界各地患者的大约 100 种不同病毒株的包膜蛋白。然后，我们从所有这些病毒株中制造了 SOSIP 蛋白，以找到一种在电子显微镜下模拟尖峰的变体，并且可以在我们的实验室测试中与从人体中提取的广谱中和抗体结合。
最终，我们在从肯尼亚内罗毕一名出生时感染 HIV 的六周大婴儿身上采集的样本中找到了我们正在寻找的东西——该婴儿的代号为 BG505。这种特殊的病毒株是由西雅图弗雷德·哈钦森癌症研究中心的 Julie Overbaugh 和她在内罗毕大学的同事分离出来的，有关其基因序列的信息——以及因此其蛋白质的氨基酸组成——已通过国际艾滋病疫苗倡议组织 (IAVI) 传递给我们进行筛选。
第二个进展是发明了一种尽可能纯净地大量生产这种特定三聚体（我们将其命名为 BG505 SOSIP.664，简称 BG505 三聚体）的方法。除其他外，这项成就使我们能够用该材料制造晶体，我们可以通过晶体发射 X 射线来确定其分子结构。这也意味着我们可以制造足够的量在动物身上进行测试，并最终在人体中进行测试。尽管我们三聚体的实验室测试看起来很有希望，但我们仍然需要在动物身上证实结果。
我们将 BG505 三聚体注射到兔子和猴子体内，并收集了它们产生的抗 HIV 抗体。当我们将抗体添加到由人体细胞组成的组织培养物中时，我们发现它们确实可以保护这些细胞免受 BG505 病毒的感染，但不能免受其他毒株的感染。尽管抗体不具备最终需要的广谱中和活性，但我们已经迈出了良好的一步。
接下来的步骤之一是在人体中重复这些实验。我们迄今为止的大部分蛋白质生产研究都得到了比尔及梅琳达·盖茨基金会和 IAVI 的支持。我们还在与 IAVI 和 NIH 讨论设计和资助一项探索性临床试验，该试验应招募约 50 名志愿者。我们不会立即从这种第一代人工三聚体（至少在其当前配置中）开发出保护性疫苗。尽管来自动物实验的结果在合理程度上可以预测人体中会发生什么，但它们并非万无一失。人体临床试验将教会我们人类免疫系统如何对我们的人工三聚体做出反应。这种信息以及来自 Wilson 实验室的关于三聚体与天然存在的包膜蛋白有多么相似的数据，应该有助于我们重新设计我们的蛋白质以开发保护性疫苗。我们将不得不调整我们创造的东西，可能不止一次。我们还将利用最近在理解人类免疫系统如何产生广谱中和抗体方面的进展，来改进我们向人们输送当前和新型三聚体的方式。
本质上，我们创造了一个可工作的第一代原型，我们可以通过不同的方式对其进行修改，以确定哪种配置最有可能产生最有效的抗体。我们最终的目标——制造一种在人体内诱导针对最常见 HIV 毒株的广谱中和抗体的疫苗——仍然远未得到保证。但迄今为止，我们在动物和细胞测试中使用我们的方法取得的良好结果表明，这个问题并非无法解决。
现在，研究界拥有 SOSIP 工具包和方法，可以帮助创造出最好的蛋白质，用于疫苗。许多不同的研究小组目前正在制造他们自己版本的这些尖峰模拟三聚体，以测试他们各自的疫苗设计。未来的几年最终应该是富有成效的几年，对于一个长期以来一直在这个棘手问题上苦苦挣扎的领域来说。