2020 年武汉肺炎（新冠肺炎，COVID-19）肆虐全球，与此同时，人类与流感病毒的战争也没有停过，因为传统疫苗无法对付年年变异的流感病毒。中央研究院基因体研究中心翁启惠院士和马彻研究员的研究团队，成功利用鸡蛋制造单糖化的流感疫苗，可对抗异株的流感病毒，保护效果比传统疫苗高 3~4 倍，研究成果于 2019 年 2 月获刊于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。
流感病毒知多少？
流感是由病毒引发的传染病，几乎每个人都得过流感，但你亲眼看过这些磨人的小东西吗？
流感病毒直径约 80~120 奈米，入侵细胞全靠外套膜的两种糖蛋白：一种是血凝集素（Hemagglutinin，HA），能帮助病毒黏附宿主细胞，一种是神经胺酸酶（Neuraminidase，NA），帮助病毒在宿主细胞内繁殖后离开、持续在宿主体内扩散。
会感染人类的流感病毒又分为 A、B、C 三型：
A 型病毒的 HA 共 18 种（H1~H18），NA 共 9 种（N1~N9），不同的 HA 和 NA 可组成不同亚型（subtype），如 H1N1 表示有 HA1 和 NA1 两种蛋白质，常感染人类的有 H1N1、H3N2 两种。
A 型流感病毒的变异很快，且可能在人群迅速传播造成严重疫情，像 1918 年西班牙 H1N1 流感大流行，导致全球至少 2 千万人死亡，宛如中世纪黑死病。
B 型病毒没有亚型，也不会快速变异，虽会导致大流行，不会导致严重疫情。C 型也没有亚型，感染后只出现轻微症状，不会导致大流行。
人类在 1944 年发明第一剂 A 型流感疫苗，终于有了武器控制流感大流行，但这场人与病毒的战争并未真的完结。因流感疫苗可是唯一需要年年改换病毒株的人用疫苗。
WHO 年年选株，是在选什么？
流感病毒在全球传播后，在不同的地区可能变异成新的病毒株（strain），如 B 型流感有维多利亚株、山形株，A 型流感有 H1N1 加州株、H3N2 维多利亚株等，导致旧的疫苗失效。
为了对抗不断变化的流感病毒，世界卫生组织（WHO）在各国设有侦测中心，从各处的病患和鸟类身上采样、搜集流感病毒资讯，然后每年召开北、南半球的季节性流感疫苗选株会议，预测明年可能流行的两种 A 型病毒株、两种 B 型病毒株，通常于来年 2 月公布北半球的选株结果，以利制作当年流感疫苗，台湾地区通常于 10 月开打。
▲ WHO 每年会从 B 型流感病毒、A 型流感病毒第一群、第二群的病毒株中，分别选出可能流行的病毒株，将它们放进鸡蛋培养，再经过纯化、去活性、提炼等等步骤，制作成流感疫苗。如果猜对了，人们只要打过疫苗，就能不致染病或减轻病情，但如果猜错了，疫苗保护力大减，恐将引发大流行。
如果猜对了，打疫苗约有 70% 保护力。但预测常赶不上病毒变化。一旦猜错，只剩 20%~30% 保护力，恐导致全球大流行。因此全球科学家一直希望找出广效性流感疫苗，可对抗所有流感病毒株。
这件事异常困难，因为病毒的 HA 和 NA 太常发生突变，同一亚型、不同株的变异程度只要有 5%~20%，即可能让疫苗保护力失效。如何解决病毒一直变异、疫苗无法有效保护的问题？翁启惠与马彻的研究团队发现，可从破解 HA 的构造开始。
戴着糖面具的流感病毒
仔细观察，HA 的外型像蘑菇，分为膨大的“顶部”和固定在外套膜的较细“茎部”，通常免疫系统只能辨识 HA 顶部，目前流感疫苗多半也是利用 HA 顶部为抗原，诱发免疫系统生产抗体。但 HA 顶部非常容易发生突变，所以选株才会这么困难。马彻团队则另辟蹊径，从 HA 不容易变异的茎部下手。
原来流感病毒很狡猾，会奴役宿主细胞帮忙做出一颗颗糖，黏在自己的 HA 上，通常茎部的糖分子比顶部更多。病毒利用这些糖分子为伪装，好像戴上糖面具，让免疫系统误以为病毒是“自己人”。
▲ HA 糖蛋白结构，蓝色部分即为糖面具，左为原本布满糖分子的结构，右为研究员拿掉大多数糖分子后、还原 HA 的真面目。
“病毒传播时，HA 茎部有许多糖盖住形成保护膜，不易被宿主侦测，因此这些部位变异的压力小，氨基酸序列的变异也较小。”马彻点出关键：“换句话说，不同病毒株的 HA 茎部变异应该不大。”
马彻团队进一步发现，如果将流感病毒 HA 茎部附近的糖拿掉，将这部分片段制成疫苗，如同揭去病毒的“面具”（糖），让宿主的免疫系统辨识病毒的“脸”（HA 的茎部 ）。
这么一来，即使病毒换几顶新款式的帽子（HA 的顶部变异）也无妨，免疫系统依然能认出病毒的脸（HA 的茎部）。
全糖、微糖，还是半糖？
他与研究团队随即展开新型流感疫苗的研发，选择一般流感疫苗制程──以鸡蛋培养病毒，只修改两个步骤：鸡蛋里加入抑制剂，打断病毒制糖过程、做到一半就停止，再加入像剪刀的酵素，剪去多余糖，使 HA 只剩一颗单糖。经过不断尝试，终于成功研发出单糖化的流感疫苗。
细心的读者可能会发现：既然要去除病毒的伪装，为何不干脆把全部糖分子去掉，留一颗“单糖”呢？翁启惠院士在糖分子研究曾发现，细胞不是做完蛋白质才开始装糖分子，而是一边做一边装，第一颗糖分子对糖蛋白的折叠过程很重要，能决定糖蛋白结构。马彻也发现如果把糖全部切掉，HA 稳定度不好，所以决定让病毒先制作糖，HA 折叠正确，再加入抑制剂和酵素，剪去多余糖，只留下一颗。
他们将单糖流感疫苗打到小鼠、雪貂身上，证实诱发的免疫反应变好，不但抗茎部抗体 （anti-stem antibodies） 变多，抗体媒介细胞毒杀作用 （Antibody-dependent cellular cytotoxicity，简称 ADCC，指抗体能和巨噬细胞、杀手细胞结合，把被病毒感染的细胞清除）的效果也提高。
马彻表示，“虽然只把现有疫苗做小修改，却能获得更大保护力。同亚型但不同病毒株的茎部变异较小，单糖流感疫苗对于同一亚型可通用，未来如果把流感疫苗的四价（4 种病毒株）都开发单糖化，就不用每年改成分，只要等病毒变化很大再更新即可。”研究成果于 2019 年 2 月获刊于《美国国家科学院院刊》。
2020 年 7 月，团队再传捷报。博士后研究员廖心瑜将两种不同病毒株 （H5 和 H1）的蛋白质，结合成一个头部含有共通 H5 序列、茎部含有共通 H1 序列的嵌合蛋白，再辅以上述的单糖化技术，研发出“单糖化嵌合血凝集素蛋白疫苗”，可预防各种异株和亚型的 A 型流感病毒感染人体，同样获登《美国国家科学院院刊》。相信未来翁启惠和马彻团队还有更多的好消息，逐步实现广效性流感疫苗的梦想。
▲ 博士后研究员廖心瑜将来自两种不同病毒株（H5 和 H1）的蛋白质，结合成一个头部含有共通 H5 序列、枝干含有共通 H1 序列的嵌合蛋白，再辅以上述的单糖化技术（蓝色为糖类），研发出“单糖化嵌合血凝集素蛋白疫苗”，可预防各种异株和亚型的 A 型流感病毒感染人体。
意外的发现＋科学家的洞见
回首这些突破性研究的灵感来源，马彻微笑“老实说”：“其实一开始，我压根没想到这可开发出流感疫苗。”
马彻博士班的研究领域为蛋白质结构学，对流感病毒并不熟悉。2004 年他进入中研院，那时基因体研究中心刚成立，时任主任的翁启惠召集各实验室研究流感、抗药性细菌感染和癌症，马彻才开始接触流感病毒，并负责研究蛋白质结构。
一次偶然的发现，他注意到 HA 这种糖蛋白很怪异：“ HA 会跟宿主的糖分子结合，但自己的表面又有一堆糖，这些糖是要做什么用？对 HA 的功能有什么影响吗？”出自好奇心的驱使，他把 HA 上的糖从外面依序越切越短，有的切到只剩下一颗糖，观察带有不同数量糖分子的 HA 跟细胞结合的状况。
结果发现，当 HA 的糖越少，跟细胞结合力越好。这个结果引起他更大疑惑：“既然如此，HA 干么要装那么多糖呢？”继续研究后发现：HA 的糖分子能形成伪装、躲避免疫系统攻击。于是他尝试在实验室制造两种 HA，一个带糖，一个不带糖，送去生产抗体试剂，再进行简单测试，果然发现不带糖的 HA 抗体反应性很高。
当马彻在会议报告完这项“有趣的”实验发现，翁启惠立刻说：“这会是个好疫苗！”“那次翁老师说完后，现场二、三十个人包括我，根本不知道他在讲什么，全场都傻眼。”但马彻想了一下，终于恍然大悟：病毒利用糖分子伪装自己，如果去掉这些糖分子，应该能诱发更好的免疫反应。马彻回忆：
那次经历让我真正感受到科学家见微知著的能力 ，翁启惠老师只看到一点点线索，就能跳跃好几步思考。
“中研院最重要的角色就是做基础研究，但所有应用都从基础研究来的。有时并不是计划或预期的发现，却可能有很棒的应用。”马彻总结：“我觉得当科学家很幸运好玩，即使研究流感已十几年，仍有许多未知等待被发现。”
正是马彻永无止尽的好奇心、翁启惠专业知识累积来的深刻洞见，共同催生这场流感疫苗的大革命。
▲ 中研院基因体研究中心研究员暨化学生物学组首席执行官马彻，为翁启惠院士领导研究团队重要成员，致力开发广效性流感疫苗。
（作者：欧宇甜、黄晓君；本文由 研之有物 授权转载；首图来源：shutterstock）
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