几乎能够与所有HIV病毒株结合的“全能抗体”的发现彻底改变了艾滋病疫苗研究领域。
2006年，国际艾滋病免疫项目（International AIDS Vaccine Initiative, IAVI）启动了一个新的计划，他们要在全世界范围内寻找抗击HIV病毒的新卫士，不过这是一种非常罕见的分子，他们的目标是能够与所有已知HIV毒株结合的全能抗体。IAVI是美国纽约的一家非营利机构，他们给这个看起来似乎是不可能完成的任务起了一个非常恰当的名字，叫做G计划（Protocol G）。如果该计划获得成功，将会给屡战屡败的HIV疫苗开发工作带来极大的信心，并可能帮助科学家们设计出一种能够彻底终结艾滋病的秘密武器。
在此之前，HIV病毒可是让疫苗开发人员们伤透了脑筋，我们发明的各种方法一次又一次地在HIV前败下阵来。经过了20多年的努力，至今也没有开发出一种能够走向市场的HIV疫苗。不过我们也不是毫无取胜的希望，因为科学家们发现了一种抗体，他们称之为“广谱中和抗体（poadly neutralizing antibodies, bNAb）”。不过迄今为止也就只发现了几种bNAb，而且即便是其中最强大的抗体也只能够识别几十种HIV毒株，这在全世界已发行的HIV中只是很小的一个部分。
所以，G计划团队决定找出更多的bNAb。他们从赞比亚（Zambia）、南非（South Africa）、印度（India）、泰国（Thailand）、尼日利亚（Nigeria）、科特迪瓦（Côte dIvoire）、卢旺达（Rwanda）、乌干达（Uganda）、肯尼亚（Kenya）、澳大利亚（Australia）、英国（United Kingdom）和美国（United States）采集了1800多份HIV感染者的血样，并对这些血样进行了分析。经过了两年艰苦的梳理工作，由美国加利福尼亚州圣地亚哥Scripps研究所（Scripps Research Institute in San Diego, California）的免疫学家Dennis Burton带领的科研团队终于把目标锁定在了一个女人身上。通过对这名妇女体内3万多个B细胞（即负责分泌抗体的细胞）进行逐一排查，最后终于分离得到了两种不同寻常的抗体。
这两种抗体的特别之处在于他们能够与目前已经发现的162种HIV毒株中70%以上的病毒结（中）和，抑制病毒感染，哪怕是极低的用量都能够达到这种神奇的效果。Burton等人的这篇文章发表在2009年10月9日版的《科学》（Science）杂志上。几乎就在一夜之间，开发出一款广谱的HIV疫苗似乎变得不是那么遥不可及了。“我们也慢慢发现，我们的小圈子也发生了彻底的改变。” Burton这样说道。
他们的小世界的确发生了翻天覆地的变化，而且也给整个世界带来了影响。在很短的时间内，bNAb就成为了最热门的研究项目，不仅仅在HIV研究领域如此，在整个免疫学研究领域都是这样。2009年至今，科学家们已经新发现了50多种HIV bNAb抗体，其中有好几个都比G计划组发现的那两个抗体要好得多。
有好几个实验室都在研究HIV与免疫系统之间错综复杂的关系，了解bNAb的产生机理，因为科学家们也希望能够模拟体内的这种免疫反应，有朝一日用一种无害的HIV病毒作为抗原，也就是疫苗，刺激机体产生保护性的bNAb。HIV研究领域里干得热火朝天，其他几个研究领域也都没闲着，从事流感病毒、丙型肝炎病毒、登革热病毒、西奈病毒等研究的科研人员们也都在寻找属于他们自己的bNAb。但是科学家们太过乐观了，对面前的困难严重估计不足，忘记了这样一个问题——我们这么多人当中，为什么只有其中为数不多的几个人体内能够产生这种抗体，而且抗体的滴度还这么低呢？据诺贝尔奖得主，病毒学家David Baltimore介绍，如果有人拿着一个抗原找到你，说他手里的这种抗原能够刺激免疫系统分泌bNAb，那他一定是个骗子。Baltimore在加州理工学院（California Institute of Technology in Pasadena）的实验室也在尝试通过对干细胞进行改造的方法获得bNAb，不过他自己对前景也不太看好。
并不顺利的开始
科学家们在1984年证实了HIV病毒就是导致艾滋病的罪魁祸首，之后没多久，他们就碰上了开发HIV疫苗的难题。HIV拥有惊人的复制速度，但是每一次复制都会发生一些错误。可还是有很多突变株得以存活下来，它们就能够编码出之前没有的新蛋白抗原。所以我们体内的抗体永远都跟不上HIV抗原突变的节奏。因此不论是天然的免疫反应，还是传统的疫苗都无法有效地控制HIV病毒。
HIV和我们之前成功用疫苗克制过的病毒有很多不同之处。比如麻疹病毒（Measles virus）发生抗原变异的机会就非常少，所以能够针对一种麻疹病毒的疫苗基本上就足以预防其它麻疹病毒了。哪怕是和HIV病毒一样都属于RNA病毒，而且突变速度也一样的脊髓灰质炎病毒（polio）也都能够用源自3种不同毒株的抗原混合疫苗克制住。与HIV不同的是，这些病毒如果发生抗原突变，将会付出极大的代价，所以我们能够用疫苗对付它们。
早在1990年，美国马萨诸塞州一家名叫Repligen的生物技术公司的科研人员们就在《科学》杂志上发表了一篇文章，报道了第一例针对HIV病毒的bNAb抗体，该抗体的中和能力远远胜过了同期的其它抗体，该论文一经刊出立刻就轰动了整个艾滋病研究界。更加令人吃惊的是，他们在论文中还详细描述了HIV病毒的抗原表位（epitope）。动物实验证明，这种表位能够刺激免疫系统形成抗体。这就是HIV表面蛋白gp120，该蛋白仅仅由6个氨基酸组成，但这足以告诉免疫系统，应该如何阻止各种HIV病毒感染并复制。
这是一个bNAb（图中蓝色所示）与gp120蛋白（图中红色所示）结合而成的复合体的三维低温电子x线断层摄像（cryoelectron tomography）结果，形似一个“三叉戟”。
最后证实，这个bNAb抗体其实是他们实验室自己制造的产物，而且只能够与他们实验室自己培养的HIV病毒结合，对直接取自感染者的HIV病毒毫无作用。该结论于1993年的11月12日发表在了《科学》杂志的第980页上。这篇文章一刊出，立刻就击碎了大家对Repligen公司给予的厚望。不过到了1994年，Scripps研究院的Burton等人从取自一名HIV感染者的骨髓当中发现了编码bNAb抗体的基因，随即又分离到了可以中和取自HIV感染者体内HIV病毒的bNAb抗体。
为了建立感染，HIV病毒首先需要让其表面的gp120蛋白与人体白细胞表面的CD4受体结合。某些抗体也能够与gp120蛋白结合，从而起到中和作用，阻止HIV病毒进入CD4+ T细胞。但是如果HIV病毒发生突变，gp120蛋白的形状也会随之发生改变，从而逃避抗体的拦截作用。但是Burton等人发现的这种bNAb抗体却可以与gp120蛋白的保守区结合，之所以称其为保守区是因为这些区域不能发生突变，否则就不能与CD4受体结合。研究发现，这种抗体能够与24种取自感染者体内的HIV病毒中的17种结合，而且只需要一点点就够了（Science, 11 November 1994, p. 1024）。
捕捉抗体的人。图中就是Scripps研究院的Dennis Burton，他手里拿着的就是他发现的一种bNAb抗体的三维立体模型。
几乎就在同一时刻，奥地利的另外一个课题小组也发现了bNAb，不过这种抗体针对的是HIV病毒的另外一个部位。奥地利维也纳应用微生物学研究所（Institute of Applied Microbiology in Vienna）的Hermann Katinger带领他的课题组发现有两种bNAb能够与HIV病毒的gp41蛋白（这是一种跨膜蛋白，与gp120蛋白结合）发生作用，也能对多种HIV病毒起到中和作用。这一发现也提示我们，HIV病毒上面可能不止一个阿喀琉斯之踵。
又过了十年，Scripps研究院的Ian Wilson和美国变态反应及感染性疾病研究院（U.S. National Institute of Allergy and Infectious Diseases, NIAID）的Peter Kwong等结构生物学家得到了高分辨率的结构图谱，详细展示了bNAb抗体如何与gp120蛋白以及gp41蛋白结合。有了这些结构图，科学家们就可以准确地确定抗体与病毒相互作用的机制，也能够清楚为什么有些抗体就没有那么强的中和作用。但是这十年来却没有发现更多的bNAb抗体，也没有人发现能够刺激动物或者人体内产生这种抗体的抗原。另外，疫苗研究人员也慢慢对抗体失去了兴趣，将更多的精力放在了如何刺激杀伤T细胞上面。我们知道抗体可以阻止病毒感染细，而杀伤细胞则可以发现并消灭病毒想要侵入的细胞。很多科研人员都相信，T细胞疫苗就可以完全控制住HIV病毒，不过也有一些人在开发T细胞与抗体组合的疫苗。有一部分科学家不相信疫苗人工设计理论，因为长久以来，疫苗专家们都是通过不停的尝试才最终取得成功的，他们对于机制都不太关心。
从头再来
不过两个事件彻底扭转了bNAb研究的局面。
第一个事件就是一直以来都非常高调的T细胞疫苗终于失败了（Science, 10 September 2004, p. 1545 和5 October 2007, p. 28）。于是大家又都把目光转回了抗体。第二件事就得感谢G计划等一干类似的科研项目，由于他们的努力，bNAb抗体的数量有了大幅度的提升。Burton等人觉得，他们的成功应该感谢更好的技术手段，所以他们才能从抗体的大海中钓到那几条bNAb抗体。他们还自己改良了一种技术，能够利用B细胞单克隆获得大量的抗体。他们的方法是先扩增出抗体编码基因，然后将这些基因转到病毒载体里，表达出大量的抗体。这也是我们都一次清清楚楚地拿到这些微量的抗体。“单细胞抗体克隆技术改变了整个世界。否则，你根本都不知道我们体内有这些抗体存在。”美国纽约洛克菲勒大学（Rockefeller University in New York City）的免疫学家Michel Nussenzweig这样评论道，他的实验室也率先将这项技术应用到了制备针对HIV病毒的bNAb抗体的工作当中。IAVI下属的中和抗体协会（IAVI’s Neutralizing Antibody Consortium）以及NIAID下属的HIV、艾滋病疫苗免疫及抗原发现中心（Centers for HIV/AIDS Vaccine Immunology and Immunogen Discovery,CHAVI-ID）等多家科研机构的合作也进一步推动了这项技术的发展和应用。
由于有了这些科研进展，所以我们现在也能够发现含量非常少的bNAb抗体，不过在HIV病毒感染人群中最多也就有25%的人体内携带这种抗体。可是这种bNAb抗体对已经感染了HIV病毒的人帮助不大，因为已经太迟了，如果大量的组织和细胞都已经被病毒侵入，那么这么一点bNAb抗体是起不到太大作用的。但是如果在恰当的时机用一种疫苗刺激机体产生大量的bNAb抗体，那么就有可能阻止病毒感染。于是科学家们开始研究我们人体的免疫系统是如何产生这些抗体的，又是因为什么原因才让这些抗体拥有如此神奇的中和力量。
与其它抗体一样，这种针对HIV病毒的bNAb抗体也是在B细胞初次接触HIV病毒之后出现的，也是慢慢开始对HIV病毒形成亲和力的，我们将这个过程称作“亲和成熟过程（affinity maturation）”，这其实就是一个不断成熟、不断选择的过程，直至最终筛选出抗体亲和力最强的B细胞克隆。但是与其它抗体不同的是，bNAb抗体的这个成熟过程非常慢，通常都需要好几年的时间，直至累积了足够多的突变（是普通抗体的3倍）之后才能具备这么强大的中和能力。在这个成熟过程当中，多个不同的抗原表位可以同时在多个不同的位点刺激抗体成熟。“这就是一场发生在HIV病毒与人体免疫系统之间的军备竞赛。抗体在包围病毒的同时也在不断的发生变化，只有不断的积累突变才能够最终打赢这场战争。” Nussenzweig这样介绍道。
不过绝大部分突变都出现在bNAb抗体的“Y”字形顶端部位，也就是抗体的抗原识别部位。Nussenzweig等人在2010年9月30日发表在《自然》（Nature）杂志的那篇论文中是这么解释的，这些突变让bNAb抗体的亲和力变得更强。gp120蛋白是HIV病毒表面三聚体（trimer）当中的组份之一。在每一个HIV病毒表面大约只有10个这样的三聚体，而在流感病毒表面却有大约450个这样的结构。“所以HIV病毒的表面几乎就是光秃秃的。” Nussenzweig介绍道。这就让抗体很难与HIV病毒结合，只有每一个“Y”字形的抗原识别结构域都与这种三聚体结合之后抗体才能牢牢地抓住HIV病毒。但是这些亲和力超强的bNAb抗体却有另外一套手段，它们能够与HIV病毒表面的脂质包膜，甚至是包裹在gp120蛋白表面的多糖结合。
bNAb抗体还能通过其它一些方法帮助它们抓住HIV病毒。比如Burton就发现，bNAb抗体顶端的易变区会比普通抗体的长一些，这也就增加了抗体与抗原表位之间的亲和力。Nussenzweig也发现了一个不同寻常的现象。通常来说，在抗体的顶端都有一个部位不太容易发生突变，该部位形成了一个相对“结实的”基座结构，为高度可变的环状结构提供了基础。不过Nussenzweig等人于今年的3月28日在《细胞》（Cell）杂志上发表了一篇文章，他们发现HIV bNAb抗体并没有遵循这条规律，它们在这个部位也能够积累突变，但不知道是什么原因，这个部位还是保持了足够的稳定性，确保了抗体的功能。“这完全违背了我们之前发现的规律。使抗体的结构变得不稳定反而能够增强抗体的功能，这太违法常规了。” Nussenzweig对此也百思不得其解。
很多科学家都认为，要开发出一款能够刺激机体产生这种bNAb抗体的疫苗实在是太难了。CHAVI-ID项目的领导者，美国杜克大学（Duke University in Durham, North Carolina）的免疫学家Barton Haynes就表示，他们正在按照大自然的行事规律，依照大自然的指引去发现这种疫苗。可是天然的免疫系统好像根本就没想过要出现这种疫苗一样。
结构生物学家们用清晰的分子结构图向我们展示了G计划课题组发现的两个bNAb抗体，以及疫苗研究中心（Vaccine Research Center）发现的一个bNAb抗体与HIV病毒的gp120蛋白结合的具体情况。图中棍状图像表示的就是bNAb抗体。
不过Nussenzweig还是非常乐观的，他认为并不需要完全从无到有去设计一个疫苗。我们可以从大自然那里学到很多东西，只需要照着做就可以了。虽然只有少部分HIV感染者体内存在bNAb抗体，但是他们已经发现了很多种不同的bNAb抗体，每一种bNAb抗体都是每一个HIV感染者自己独立制造的，这就说明人体的免疫系统完全有能力制造bNAb抗体。既然大自然能够制造这么多次，我们肯定也能够成功的复制一次。
在PubMed中搜索“broadly neutralizing”，可以发现bNAb抗体相关论文的发表数量呈逐年上涨的趋势。
制造bNAb抗体
2006年，一名马拉威（Malawi）男子走进了一家性病诊疗中心，这家中心正在开展一个临床研究项目，他们需要在数周内刚刚感染HIV病毒的志愿者参与其中。这名男子刚好符合要求，于是他参加了这个“急性感染”研究项目，多次贡献了血样，供科研人员们跟踪观察他体内gp120蛋白的变化情况、免疫反应的变化情况，直至最后他体内神奇般地出现了bNAb抗体。科学家们根据抗体出现的这个时间窗口提出了一个开发bNAb抗体疫苗的新策略。
杜克大学Haynes与NIAID下属疫苗研发中心的John Mascola开展了深入的合作，对这名男子的一系列血样进行了研究。他们从最初的B细胞反应开始进行了完整的跟踪，直至一年多之后bNAb抗体形成，该研究也于今年的4月25日发表在了《自然》杂志上。最开始出现的抗体并没有那么广泛的中和能力，但它也能够与感染这名男子的初始HIV病毒结合。于是Haynes等人推测，是否可以用这株初始病毒的gp120蛋白做疫苗，刺激B细胞生成bNAb抗体。之后再用这名男子体内出现过的各种gp120蛋白不同突变体的同一段序列进行加强免疫，促进bNAb抗体成熟，增强抗体与各种HIV病毒结合的能力。
从本质上来说，这种策略就好像是从一窝刚出生的小狗当中挑出一只，然后对其进行强化训练，好让它日后能够在各种比赛当中胜出。NIAID的院长，免疫学家Anthony Fauci就解释道：“这就是先用一种抗原表位刺激机体的免疫系统，然后再用另外一种抗原表位接着刺激，直至最后得到bNAb抗体。”
Burton与Scripps研究所的免疫学家William Schief也在寻找bNAb抗体，不过他们采用的是另外一种回顾性的策略。他们选择了一种功能很强大的bNAb抗体下手，根据遗传建模方法预测出了这种抗体最开始的样子。然后根据这些信息人为设计出一种免疫原，这种免疫原既能够刺激B细胞产生抗体，也能够训练B细胞分泌出成熟的bNAb抗体。与Haynes的方法不同，Burton和Schief等人并不想手把手地“教会”免疫系统如何产生bNAb抗体。因为Schief认为，太过教条式的方法会需要我们在其中做很多微小的调整工作。
Burton和Schief等人的文章发表在了今年5月10出版的《科学》杂志上。当时他们正在对一个gp120蛋白文库进行筛选工作，结果找到了一个既能够与原始抗体结合，又能够与成熟的bNAb抗体结合的gp120蛋白。然后Burton和Schief对这个蛋白进行了分析，确定了这两种抗体都能够结合的抗原表位。他们希望用这种gp120蛋白对免疫系统进行初次免疫，然后用最天然构象的病毒三聚体复合物进行加强免疫，最后刺激机体产生bNAb抗体。
Burton、Schief团队以及Haynes的课题组也都用猴子进行了动物试验，来验证他们的理论。但是Fauci认为，即便这两个课题组都成功的得到了bNAb抗体，他们还有一个最基本的问题没有解决，需要进行试验来验证这个问题，因为还没人证明过bNAb抗体能够预防、阻止HIV感染。NIAID的疫苗研究中心为了解答这个问题即将开始一项人体试验研究项目，他们会给感染了HIV病毒的孕妇产下的新生儿，以及HIV病毒感染高危人群注射单克隆bNAb抗体（这些抗体从理论上来说应该可以在人体内存留好几个月的时间），看看这些抗体的保护效果。“可是实验结果如何我们谁的心里都没底。”Fauci提醒说。
即便bNAb抗体技术冲破了上面所有这些障碍，我们也需要再花费好几年的时间来验证bNAb抗体的效果和安全性。但是Fauci等从事HIV疫苗开发的一线科研人员都认为，bNAb抗体至少给备受打击的他们带来了一线难得一见的希望。
一辈子只需要接种一次的流感疫苗
再也不用每年都打一次流感疫苗了。再也不用害怕染上致命的流感病毒了。这些话也许听起来让人觉得不可思议，但是如果免疫学家们攻克了一个难关，那么这一切就真的有可能成为现实。
流感疫苗可以刺激我们人体产生保护性的抗体，这些抗体能够与流感病毒的表面蛋白血凝素（hemagglutinin）结合。而我们都知道，流感病毒就是依靠血凝素蛋白感染呼吸道上皮细胞的，所以流感疫苗可以起到预防流感的作用。可是流感病毒的血凝素蛋白老是在突变，而且突变的速度非常快，所以我们接种一次疫苗产生的抗体很快就失效了，不能对付新出现的突变病毒。因此疫苗开发者们每年都得调整一次“配方”，针对当年的流行病毒株设计出新款疫苗。如果出现了禽流感、猪流感等动物流感病毒感染人的事件就更麻烦，因为我们人体的免疫系统对这些动物流感病毒是完全不设防的，所以很容易引发全球性的大流感疫情。阻止这种流感疫情就需要新的疫苗，但通常来说都不太可能在短时间内开发出需要的疫苗。
不过科学家们最近找到了一条可行的办法，那就是人体内针对血凝素蛋白的广谱中和抗体bNAb，这种抗体几乎能够与所有的血凝素蛋白结合。与针对HIV病毒的bNAb抗体一样，这些流感病毒bNAb抗体的出现也让流感疫苗开发者们激动不已。
与头部结构不同，血凝素蛋白刺突结构的主干部分不容易发生突变，所以这是bNAb抗体结合的主要部位。
2008年，一家荷兰的生物技术公司发现了这种抗流感病毒的bNAb抗体，不过这种抗体的作用机制还不清楚。不论是体外试验还是小鼠动物试验都发现，这种bNAb抗体能够中和H5N1和H1N1这两种流感病毒。我们知道H5N1就是大名鼎鼎的禽流感病毒，而H1N1流感病毒更是导致1918全球大流感的元凶。传统流感抗体只能够与血凝素蛋白顶端的高度可变区（highly mutable head）结合，而bNAb抗体却能够与血凝素蛋白底部相对保守的部位结合。
于是大家都希望用去掉了头部的血凝素蛋白主干来开发流感疫苗，刺激人体产生可以与17种不同血凝素蛋白结合的bNAb抗体。但是如何得到这种去掉了头部的血凝素蛋白主干却成为了一个大难题。据瑞士生物医药研究所（Institute for Research in Biomedicine in Bellinzona, Switzerland）的免疫学家Antonio Lanzavecchia介绍，去掉血凝素蛋白的头部即便是可行的，那也是相当困难的。因为不能去掉头部，否则血凝素蛋白就会解体。Lanzavecchia的课题组就发现过能够与所有血凝素蛋白主干部位结合的抗体，这一发现于2011年的8月12日发表在了《科学》杂志上。
美国纽约西奈山医学院（Icahn School of Medicine at Mount Sinai in New York City）的病毒学家Peter Palese为了解决这个问题提出了一个新的想法，这篇文章也于今年6月发表在了《病毒学杂志》（Journal of Virology）上。虽然大家都没能获得高质量的抗血凝素主干抗体，但是Palese他们却成功了，而且还开发出了所谓的“免疫记忆（immunologic memory）”技术。如果我们将多种已知的血凝素蛋白组合在一起，人工设计一个嵌合的血凝素蛋白，那就可以引发一个强烈的免疫记忆反应，此时就不需要血凝素蛋白的头部了。他们用小鼠进行了试验，取得了很好的保护效果，疫苗可以预防亲缘关系很远的几种流感病毒的感染。
美国变态反应及感染性疾病研究院（National Institute of Allergy and Infectious Diseases）的病毒学家Gary Nabel领导的一个课题组也用小鼠和雪貂取得了非常不错的成果，不过他们的方法与Palese等人不同。由于血凝素蛋白成群的聚集在流感病毒表面，将血凝素蛋白的主干都掩埋起来了，所以免疫系统很难接触到这些主干，也就很难形成bNAb抗体。Nabel等人用一种人造的、可以自我组装的纳米颗粒材料铁蛋白（ferritin）表达出了非天然结构的血凝素蛋白，暴露出了血凝素蛋白的主干结构。于是引发了强烈的bNAb反应。该结果发表在今年7月4日出版的《自然》杂志上。Nabel目前是著名疫苗生产厂家赛诺菲公司（Sanofi）的首席科学官，他非常乐观地认为季节性流感疫苗剩下的日子已经不多了，他认为他们有能力让免疫系统按照他们的要求行事。
