如果讓你想象一個(gè)科學(xué)家在職業(yè)生涯中完成一次重大技術(shù)突破，這已經(jīng)足夠令人敬佩。但如果他不僅完成了一次，而是連續(xù)三次改寫整個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)規(guī)則，從B群腦膜炎球菌（MenB）到呼吸道合胞病毒（RSV），再到人工智能驅(qū)動(dòng)的疫苗設(shè)計(jì)——這個(gè)人就是Rino Rappuoli，一個(gè)用“反向思維”重新定義疫苗學(xué)的傳奇人物。

第一次革命：當(dāng)基因組學(xué)“反著來”

20世紀(jì)以前，疫苗研發(fā)遵循著一個(gè)簡(jiǎn)單直接的邏輯：找到病原體，把它殺死或減毒，然后注射到人體。對(duì)于能培養(yǎng)的細(xì)菌和病毒，這個(gè)方法確實(shí)管用。但有一個(gè)致命的缺陷：對(duì)于那些難以培養(yǎng)、或者表面抗原高度變異的病原體，傳統(tǒng)方法往往束手無策。

B群腦膜炎球菌（MenB）能引起腦膜炎和敗血癥，在幾小時(shí)內(nèi)奪走兒童和年輕人的生命。然而，它的莢膜多糖與人類自身組織中的分子結(jié)構(gòu)相似，無法直接用作疫苗。更棘手的是，它表面那些可誘導(dǎo)保護(hù)性免疫的蛋白質(zhì)，序列變化極大——就像流感病毒每年都要換“外套”一樣，MenB也在不斷改變自己的“面孔”。

在過去40年里，科學(xué)家們用傳統(tǒng)方法只找到了十幾種可能的抗原。而Rappuoli在2000年提出的“反向疫苗學(xué)”，徹底顛覆了這一模式。

傳統(tǒng)方法是“從菌到蛋白”：先培養(yǎng)細(xì)菌，再把細(xì)菌“拆解”成單個(gè)成分，逐一測(cè)試它們的免疫保護(hù)能力。而反向疫苗學(xué)則是“從基因到蛋白”：先測(cè)出病原體的全部基因序列，通過計(jì)算機(jī)分析預(yù)測(cè)哪些基因可能編碼表面蛋白，然后克隆表達(dá)、篩選鑒定。

這個(gè)“反向”思維帶來了幾個(gè)革命性突破：第一，不需要培養(yǎng)病原體，危險(xiǎn)細(xì)菌也能安全研究；第二，可以預(yù)測(cè)病原體在感染人體時(shí)表達(dá)的抗原，而不只是在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中表達(dá)的；第三，能在極短時(shí)間內(nèi)篩選出大量候選抗原。

當(dāng)Rappuoli的團(tuán)隊(duì)將這種方法應(yīng)用于MenB時(shí)，結(jié)果令人震驚：在18個(gè)月內(nèi)，他們發(fā)現(xiàn)了85種新型表面蛋白，其中25種能誘導(dǎo)殺菌抗體——這個(gè)數(shù)字是過去40年傳統(tǒng)方法發(fā)現(xiàn)數(shù)量的數(shù)倍。更重要的是，這些新發(fā)現(xiàn)的抗原大多是高度保守的球形蛋白，不受序列變異的影響。

這一成果最終催生了4CMenB疫苗——全球首個(gè)基于反向疫苗學(xué)技術(shù)獲批的疫苗，也是目前唯一能廣泛覆蓋B群腦膜炎球菌的疫苗。它包含了三種重組蛋白抗原（fHbp、NadA、NHBA）和外膜囊泡（OMV），能誘導(dǎo)針對(duì)78%流行菌株的殺菌抗體。

第二次革命：結(jié)構(gòu)生物學(xué)精準(zhǔn)鎖定RSV

如果說反向疫苗學(xué)解決的是“找抗原”的問題，那么第二次革命則是回答“如何讓抗原呈現(xiàn)最佳保護(hù)構(gòu)象”。

呼吸道合胞病毒（RSV）的F蛋白會(huì)“變形”：感染前是融合前構(gòu)象，進(jìn)入細(xì)胞后轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的融合后構(gòu)象。2013年研究發(fā)現(xiàn)，人體自然感染后產(chǎn)生的保護(hù)性抗體，絕大部分針對(duì)的是不穩(wěn)定的融合前構(gòu)象——這正是傳統(tǒng)疫苗屢屢失敗的關(guān)鍵。

Rappuoli團(tuán)隊(duì)“反著來”：從康復(fù)者體內(nèi)找到最有效的保護(hù)性抗體D25，其中和能力是當(dāng)時(shí)唯一獲批抗體的10到100倍。通過解析抗體與F蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)D25識(shí)別的是一個(gè)位于蛋白頂端的“超敏感位點(diǎn)”：抗原位點(diǎn)?。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為后續(xù)穩(wěn)定融合前構(gòu)象、設(shè)計(jì)RSV疫苗奠定了基礎(chǔ)。

接下來的挑戰(zhàn)是：如何在沒有D25抗體存在的情況下，讓F蛋白自己穩(wěn)定在這個(gè)融合前構(gòu)象？

團(tuán)隊(duì)在F蛋白中引入了一系列突變：有的形成二硫鍵把蛋白“鎖住”，有的填充疏水空腔讓結(jié)構(gòu)更緊密。經(jīng)過上百次嘗試，他們篩選出DS-Cav1組合——一個(gè)能耐受極端pH、溫度和滲透壓變化的穩(wěn)定融合前構(gòu)象。

當(dāng)用DS-Cav1免疫小鼠和恒河猴時(shí)，誘導(dǎo)的中和抗體滴度是融合后構(gòu)象疫苗的5-10倍，是保護(hù)性閾值的40倍。更重要的是，這些抗體同時(shí)能有效中和RSV的A和B兩個(gè)亞型。

2023年，基于這一技術(shù)研發(fā)的RSV疫苗（Arexvy）獲得FDA批準(zhǔn)上市，成為全球首個(gè)獲批的RSV疫苗。從發(fā)現(xiàn)D25抗體到疫苗獲批，歷時(shí)10年——這在傳統(tǒng)疫苗研發(fā)史上已經(jīng)算“光速”，但Rappuoli的第三次革命，將這個(gè)時(shí)間壓縮到了幾天。

第三次革命：AI讓疫苗設(shè)計(jì)進(jìn)入“天”時(shí)代

2022年，猴痘病毒在全球蔓延。雖然天花疫苗對(duì)猴痘有一定交叉保護(hù)，但全球大多數(shù)年輕人從未接種過，且傳統(tǒng)疫苗效力有限。

Rappuoli團(tuán)隊(duì)決定用人工智能加速研發(fā)，提出了“反向疫苗學(xué)3.0”：將反向疫苗學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)與AI蛋白預(yù)測(cè)技術(shù)深度融合。

傳統(tǒng)反向疫苗學(xué)始于基因組序列，預(yù)測(cè)表面抗原。而3.0版本更進(jìn)一步：直接從感染康復(fù)者的記憶B細(xì)胞中分離抗體，通過高通量篩選找到最有效的廣譜中和抗體，再用AI預(yù)測(cè)這些抗體識(shí)別的是哪個(gè)抗原。

團(tuán)隊(duì)從猴痘感染者或疫苗接種者的外周血中分離記憶B細(xì)胞，用混合病毒顆粒篩選出能同時(shí)中和成熟病毒和包膜病毒的抗體。最終，他們獲得了一組前所未有的廣譜中和抗體，能交叉中和猴痘的不同進(jìn)化支，甚至能中和天花病毒。

接下來是關(guān)鍵一步：用AlphaFold 3預(yù)測(cè)這些抗體識(shí)別的抗原。輸入抗體序列和猴痘病毒所有表面抗原序列后，AI模型在5天內(nèi)給出了兩個(gè)高置信度預(yù)測(cè)——OPG153，一個(gè)此前從未被發(fā)現(xiàn)的病毒蛋白。隨后，冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析證實(shí)了AlphaFold 3的預(yù)測(cè)完全正確。

用純化的OPG153蛋白加佐劑免疫動(dòng)物，誘導(dǎo)的中和抗體滴度與活減毒疫苗相當(dāng)，不遜于任何多價(jià)mRNA疫苗。更令人驚訝的是，這個(gè)單價(jià)的抗原就達(dá)到了多價(jià)疫苗的效果。

從抗體篩選到抗原發(fā)現(xiàn)，整個(gè)過程僅用幾個(gè)月，而AI預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)只用了5天。

未來已來：AI正在重新定義疫苗

從2000年反向疫苗學(xué)，到2013年結(jié)構(gòu)疫苗學(xué)，再到今天AI驅(qū)動(dòng)的第三代，Rappuoli三次改寫了疫苗設(shè)計(jì)規(guī)則。每一次變革，都是對(duì)前一階段的反思與超越。

如今，AI不僅加速抗原發(fā)現(xiàn)，更重塑了整個(gè)設(shè)計(jì)流程。當(dāng)然，挑戰(zhàn)依然存在——AlphaFold 3對(duì)猴痘抗原的預(yù)測(cè)成功率只有25%，AI模型嚴(yán)重依賴高質(zhì)量數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)疫苗學(xué)、佐劑機(jī)制等領(lǐng)域，這樣的數(shù)據(jù)集遠(yuǎn)未形成。

但方向已經(jīng)清晰：疫苗研發(fā)正從“試錯(cuò)”轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚T“設(shè)計(jì)”的科學(xué)。正如Rappuoli所說：“我們不再等待感染發(fā)生，再觀察誰產(chǎn)生了保護(hù)性抗體。我們可以直接問：什么是完美的免疫原？然后去設(shè)計(jì)它?！?/p>

不是被動(dòng)等待，而是主動(dòng)創(chuàng)造——這才是“反向疫苗學(xué)”最深刻的啟示。

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11257410/

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22607904/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4821650/

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24179220/

https://www.nature.com/articles/s41579-026-01286-y

主編微信

注：添加微信請(qǐng)備注昵稱+單位+研究

微信學(xué)科討論群：病毒學(xué)群，神經(jīng)科學(xué)群、臨床醫(yī)學(xué)、腫瘤學(xué)科群、碩博交流群和醫(yī)藥投資交流群（微信群審核要求較高，請(qǐng)各位添加主編后主動(dòng)備注單位研究方向）