弗雷德·哈钦森癌症中心的科学家如何应对世界头号传染病杀手——结核病 - 健康研究

结核病与我们相伴已久——非常非常久：生物分子证据表明，结核分枝杆菌或其祖先可能在人类踏出非洲大陆之前，就已与人类同行超过七万年。也有学者认为时间线没那么古老，但同样久远。考古学家在新石器时代（距今8000至10000年）的骨骼遗骸中发现了典型的结核病痕迹。这种微生物遍布全球，对此我们只能怪罪海豹，而非哥伦布。

尽管人类与结核病关系古老，但直到大约150年前（德国科学家罗伯特·科赫于1882年发现结核分枝杆菌），我们才开始有能力对抗它。牛奶巴氏杀菌、严格隔离方案、公共检测投资以及抗生素的普及，使结核病在美国等地似乎成为遥远的记忆。

但结核病依然与我们同在：每年死于结核病的人数超过其他任何传染病。目前有超过20亿人感染，世界卫生组织估计，仅2024年就有1070万人罹患结核病，123万人因此死亡。自美国1989年承诺消灭结核病以来，发病率长期下降后，如今又出现回升。美国疾病控制与预防中心报告称，2024年病例超过1万例，比2023年增加近8%。这反映了全球趋势，新冠疫情对卫生系统、诊断和治疗的破坏是诱因。

但在今天这个世界结核病日，弗雷德·哈钦森癌症中心的科学家们持乐观态度。几种有前景的疫苗已进入后期临床试验，新开发的结核病临床前模型为治疗开辟了新途径。我们对结核分枝杆菌以及人体免疫反应的理解每天都在加深。

“现在是进入结核病科学非常激动人心的时刻，因为我们对结核病的认识正在迅速变化，”弗雷德·哈钦森生物统计学家保罗·埃德莱夫森博士说。他是吉尔伯特实验室的首席科学家，作为艾滋病疫苗试验网络和结核分枝杆菌保护免疫机制中心的成员，他帮助设计和分析临床试验及临床前研究。这些快速变化推动了结核病疫苗候选物激增，并开辟了潜在的新治疗模式。

弗雷德·哈钦森在免疫学、临床试验设计和分析以及临床试验实施方面拥有长期专长，这些能力正被用于应对结核病。HVTN及其他试验网络中的弗雷德·哈钦森研究员正在研究我们的免疫系统如何对结核分枝杆菌和疫苗作出反应，以及保护性反应的特征。他们帮助设计并分析试验，以及揭示感染和免疫反应基本生物学机制的临床前研究。

“结核病不是过去的疾病，也不是其他地方的问题，”弗雷德·哈钦森和华盛顿大学传染病医生阿德里安娜·夏皮罗博士说，她作为西雅图疫苗试验单位的副医学主任，致力于开发、测试和实施结核病及艾滋病预防策略。“这是一种影响我们（在美国）和西雅图的疾病。”

错失的机会

“我认为，世界上几乎所有的结核病都是可以预防的，”夏皮罗说，她是弗雷德·哈钦森疫苗与传染病部的助理教授，也在西雅图海港医疗中心治疗病人，包括结核病患者。“每个结核病患者都代表着一次错失的预防机会。”

结核分枝杆菌通常通过咳嗽或打喷嚏排出的呼吸道飞沫在空气中传播，需要持续的密切接触。一旦吸入，细菌会被称为巨噬细胞的白细胞吞噬，但巨噬细胞往往无法消化和杀死它们。于是细菌潜伏下来。

肺部是微生物进入人体的通道，但一旦进入体内，“它可以去任何地方，做任何事情，”夏皮罗说。它可以破坏骨骼，导致不孕，使大脑肿胀。有淋巴系统结核、中枢神经系统结核、骨关节结核（波特氏病），等等。当结核病扩展到颈部淋巴结并使其破裂时，称为瘰疬。

“这是一种非常难对付的病原体，”HVTN执行主任吉姆·库布林医学博士、公共卫生硕士说，他指出该微生物拥有超过4000个基因，这些基因使其能够转移保护性免疫反应。库布林是VIDD免疫学与疫苗开发项目的首席科学家，也是西雅图疟疾试验中心的医学主任。

生长极其缓慢的结核分枝杆菌可以在没有明显症状的情况下潜伏多年，可能永远不会进展。初次免疫反应会触发肉芽肿形成，免疫细胞聚集在一起包围感染。大多数人永远不会发展为结核病，但约5%至10%的人会。在这些情况下，免疫反应无法再控制细菌。

结核病患者长期咳嗽、食欲不振、消瘦，并出现盗汗、发热、疲劳和寒战。不受控制的肉芽肿会导致永久性组织损伤或肺部瘢痕，严重时可致命。

“由于存在潜伏期，你可能感染结核病但没有任何疾病迹象，而且实际上可能永远不会出现任何迹象，因此在了解自己是否感染、是否有进展为疾病的风险方面存在很多挑战，”夏皮罗说。她每次在诊所工作时都会看到至少一名结核病患者。

“在华盛顿州，我们了解我们的结核病，”夏皮罗说，她从大约14岁起就致力于帮助受结核病影响的人。（夏皮罗在为她大一科学课准备报告时发现，结核病并非仅仅是19世纪苍白诗人的疾病。）“如果在这个国家有一个地方我想待着，如果我得了结核病，那就是这里。”

即便如此，华盛顿州只有大约一半有结核病风险的人接受了筛查，她说。结核病检测呈阳性的人中，不到50%接受了预防性治疗。这些错失的机会困扰着全球结核病治疗；许多患者就诊时疾病已到晚期，药物已无法帮助他们。

因为我们确实有治愈方法。我们有一种抗生素组合，俗称RIPE，可以治愈结核病，还有抗生素可以治愈潜伏性结核病并完全阻止其进展。

是什么削弱了免疫系统，使结核分枝杆菌得以繁衍生息？一言以蔽之：贫困。

世界卫生组织列出了五个主要促成因素：营养不良、吸烟、糖尿病、酒精使用障碍和艾滋病。

“在全球范围内，如果我们仅仅给人们食物，就能大幅降低结核病的风险，”夏皮罗说，她引用了RATIONS试验，该试验表明，为结核病患者及其家庭成员提供食物补充可将结核病发病率降低40%。充足的食物可将结核病死亡率降低高达50%。

有时，促进结核病进展的因素来自疏忽，有时则来自设计：结核病在监狱中爆发，并在一些阿拉斯加原住民和第一民族社区中依然高发，这是寄宿学校制度遗留的问题，该制度将儿童挤在一起，同时剥夺他们充足的营养和医疗护理。

贫困也阻碍了抗生素的获取：在许多地方，药物供应不稳定，或者只能在远离家乡的诊所获得。每个疗程需要六到九个月，患者每天都要去诊所——无论多远——领取每剂药物。科学家们说，一剂疫苗将比目前的治疗和诊断方法更容易获得和实施。

新疫苗即将问世

对于结核病疫苗来说，这是一个激动人心的时刻：六种疫苗正在三期临床试验中测试有效性和效力，八种在二期试验中评估效力和安全性，另有四种正在进行（或即将进入）一期试验以评估安全性和免疫原性。更多候选疫苗处于临床前测试阶段。

实验疫苗策略涵盖灭活分枝杆菌、蛋白质疫苗或减毒活分枝杆菌。

但等等，为什么需要这么多？我们已经有一种疫苗（卡介苗，一种减毒的牛分枝杆菌），已经使用了100多年。

“卡介苗在预防五岁以下儿童严重播散性结核病方面非常有效，”夏皮罗说。“但它对预防成人肺（肺部）结核病、淋巴结结核病或脑结核病无效，我们知道这一点，因为世界上几乎所有患有肺結核的成年人都曾在儿童时期接种过卡介苗。”

由于我们尚不清楚的原因，卡介苗的保护作用会随年龄增长而减弱，加强接种效果并不显著。

“对于预防感染或防止感染进展为疾病的疫苗，需求巨大，”夏皮罗说。“全球24%的人口在其一生中的某个时刻感染过结核病。”

世卫组织估计，到2050年，一种有效的成人结核病疫苗可以挽救400万至800万人的生命。HVTN已投入资源来终结结核病，因为该病在艾滋病高发地区与艾滋病密切相关，形成所谓的综合流行病。

库布林十多年来一直主张投入时间、金钱和精力研究艾滋病综合流行病（如结核病和疟疾）的预防策略。“当你孤立地看待这些病原体时，你就错过了机会，”他说。“不仅在病原体方面存在综合流行病，在调查和操作方面也存在协同效应。”

在支持HVTN的美国国立卫生研究院拨款的最新一轮竞标中，“人们越来越认识到，为研究和开发艾滋病疫苗而建立的机制将非常有助于开发任何疫苗，”生物统计学家安德鲁·菲奥雷-加特兰博士说，他是VIDD吉尔伯特实验室的首席科学家，也是VIDD盖茨基金会资助的疫苗与免疫统计中心的联合主任。

“我们拥有统计和数据管理工具……我们可以做得很好。而且我们有HVTN实验室，配备了最先进的检测方法，用于研究针对艾滋病的抗体和T细胞——为什么不把它们用于结核病呢？”他说。

现在，这个全球性的网络支持着几种新型疫苗候选物，从首次人体试验到后期二期和三期试验。该网络此前深入研究了卡介苗再接种和两种新型亚单位疫苗引发的保护性免疫反应，目前正在努力从研究中受卡介苗保护的志愿者血液样本中了解保护性免疫相关因素。

目前正在评估（与艾滋病临床试验组合作）的是MTBVAC，一种经过基因改造弱化、去除了关键毒力基因的结核分枝杆菌版本。MTBVAC试验在婴儿中已达到三期，在成人和青少年中达到二期。

“它被设计成在婴儿出生时替代卡介苗，其理念是它更安全，更接近结核分枝杆菌，因此能引发更好的免疫反应，可能具有更好的效力，”菲奥雷-加特兰说。“现在我们正在测试它作为可用于成人的加强疫苗。”成人和青少年的MTBVAC试验正在评估其在艾滋病感染者和非感染者中的安全性和免疫原性。

“我们一直在进行这些研究，试图建立证据，证明这些疫苗是安全的，并且对艾滋病毒感染者具有免疫原性，这样当它们进入三期试验并且我们发现有效时，它们可以立即被批准用于艾滋病毒感染者，”菲奥雷-加特兰说。

MTBVAC正在南非进行评估，其他结核病疫苗正在南部非洲其他地区和秘鲁测试。结核病疫苗不仅需要在结核病发病率最高的地方测试，还必须评估在正确人群中的免疫反应：已经接种过卡介苗或已经感染结核分枝杆菌的人。

另一个有前景的疫苗候选是M72/AS01。这是一种亚单位疫苗；它不使用整个细菌，而是使用关键蛋白亚基和一种与带状疱疹疫苗Shingrix中使用的免疫刺激剂同家族的佐剂。在一项二期试验中，M72在预防进展为结核病方面显示出50%的功效，目前正在由盖茨基金会和惠康资助的一项大规模、2万人的三期试验中进行测试。

另一项正在进行的是二期A试验，评估ID93 + GLA-SE，该疫苗混合了四种重组结核分枝杆菌蛋白和免疫刺激分子。一种热稳定形式的ID93 + GLA-SE也在测试中。该疫苗将在接受治疗的结核病患者中进行测试，以观察能否改善预后。

确保疫苗有效且被接受

免疫学家埃里卡·安德森-尼森博士，麦克尔拉思实验室的首席科学家，领导着开普敦实验室，那里评估艾滋病和结核病疫苗试验参与者的免疫反应。更深入地了解身体如何反应，有助于科学家改进疫苗设计，并评估如何判断候选疫苗是否更有可能具有保护性。

安德森-尼森和她的团队检查正在测试的新疫苗诱导的免疫反应，重点关注被称为T细胞的免疫细胞。T细胞有助于杀死受感染的细胞，因此对于成功应对艾滋病和结核分枝杆菌等病原体的免疫反应至关重要。

在测试青少年卡介苗再接种的试验中，她和团队测量了各种T细胞群和相关细胞因子（帮助协调免疫反应的免疫分子）。他们使用前沿测试来检查T细胞（它们使用高度特化的受体来寻找目标）识别什么。通过融合实验分析和统计学，这个跨大陆的团队发现，某些“辅助”T细胞群体在卡介苗接种后发生了变化。

“这里有很多出色的南非研究力量，做着了不起的工作，”安德森-尼森说。“我们负责临床试验样本分析这一部分。”

他们面临艰巨任务：结核分枝杆菌不是人们暴露并产生免疫反应的唯一分枝杆菌。很难区分对致病性结核分枝杆菌的免疫反应与环境中无处不在的分枝杆菌诱导的免疫反应。他们的工作指出，多功能的CD4 T细胞（产生多种细胞因子的辅助T细胞）和所谓的供体非限制性T细胞，是保护性结核病疫苗反应中的重要角色。

开普敦团队将这些分析交给菲奥雷-加特兰的统计团队。他们处理数据，试图定义重要的生物特征。

“我们试图描述所谓保护性相关因素，”他说。“特别是在功效部分有效的疫苗中，我们的目标是了解哪些参与者受到了保护，哪些没有，并比较他们接种疫苗后的免疫反应，以尝试理解哪些免疫反应与保护相关。”

VISC统计人员目前正在评估来自两项先前试验的数据，包括测试青少年卡介苗再接种的试验。科学家们测量了再接种是否有助于防止青少年IGRA测试（结核病感染的替代指标）从阴性持续转为阳性。该疫苗在预防持续转化方面有效率为45%。

这些见解可用于使未来的疫苗更有效，建立在为艾滋病疫苗试验创建的方法学框架之上，并进一步为新冠疫苗试验完善。但方法不能即插即用；对于结核病，菲奥雷-加特兰和他的团队必须开发新方法来评估已对结核分枝杆菌感染或卡介苗接种产生反应的人群中疫苗诱导的免疫反应。这与艾滋病疫苗试验或首次新冠疫苗试验不同，后者招募的是未暴露的试验参与者。

安德森-尼森的团队正在从M72的二期b试验中生成免疫数据，VISC统计人员正在评估这些数据。

“如果我们能识别出M72产生的保护性免疫反应，那可能有助于我们确定哪些其他疫苗应优先进行进一步的临床开发，”菲奥雷-加特兰说。

麦克尔拉思实验室的科学家拉马尔·弗莱明正准备进行单细胞分析。

“这将是迄今为止最大的单细胞研究之一，”安德森-之句，继续翻译：

“这将是迄今最大的单细胞研究之一，”安德森-尼森说。“我们能在病例对照样本上进行这项研究，有望获得更精细的细节，并可能揭示这种疫苗为何有效的机制性见解。”

夏皮罗说，距离第一种结核病疫苗的部署至少还需要五年。但世卫组织认为这个时间表已经足够近，正在告诉各国现在就开始制定实施计划。夏皮罗进行疫苗可接受性研究，包括针对潜在的结核病疫苗。

“结核病已经有几百年历史了，我们终于有了一种疫苗。在未来五年，在产品准备就绪之前，我们能做些什么来确保有强有力的推广策略？”她说。“幸运的是，大多数已完成的研究表明，在受结核病打击最严重的社区，人们热情很高。”库布林和他的合作者，包括安德森-尼森、菲奥雷-加特兰和华盛顿大学的切坦·塞沙德里博士，也在探索将挑战研究用于结核病疫苗工作，即让人类志愿者感染然后治疗。这种策略可用于有有效治疗方法可用的情况。

库布林之前曾使用卡介苗作为结核病的替代品进行皮肤挑战模型，目前正在完成一项结合卡介苗和结核病药物利福平的挑战模型的分析。现在，库布林正与哈佛大学的合作者合作，准备开发一个更雄心勃勃的挑战模型，使用一种在细菌自身整合了“自杀开关”的结核分枝杆菌菌株。在没有四环素或多西环素等药物的情况下，细菌“会自杀”，库布林说。

这个模型可以更好地模拟自然感染，同时提供多重安全保障（自杀开关，加上有效的结核病药物作为后备）。合作者正在进行推进工程化结核分枝杆菌进入转化研究所需的临床前工作，库布林估计至少还需要两年时间。

“这条研究途径确实可以帮助推进结核病疫苗和药物研究，”他说。

对结核病感染和免疫学的新见解

生物统计学家埃德莱夫森主要通过IMPAc-TB项目研究结核病，该项目旨在阐明针对结核分枝杆菌的重要保护性免疫反应。他还通过南非斯泰伦博斯大学的非洲结核病生物统计学培训计划，帮助培养下一代结核病生物统计学家。

埃德莱夫森领导临床试验的设计和分析，并帮助科学家处理当今检测方法生成的海量数据，这些数据可以为科学家提供单细胞中DNA、RNA和蛋白质的整体视图。这既支持疫苗研究，也支持对我们应对结核分枝杆菌反应生物学机制的更基础研究。

在一项合作中，埃德莱夫森和他的同事正在探索为什么卡介苗接种能保护的不只是结核分枝杆菌感染。他们正在比较出生时接种卡介苗的婴儿与大约三个月后接种的婴儿的免疫反应。

“我们可以看到卡介苗的一些作用，它似乎改变了免疫系统对一切事物的反应方式，”埃德莱夫森说。

他还与一个团队合作，使用临床前模型更好地理解结核病中肉芽肿形成和免疫损伤的复杂性。这些和类似的研究会产生所谓的“高维数据”（对单个细胞中所有基因和RNA分子的深入调查信息非常丰富），埃德莱夫森帮助非生物信息学专家筛选并理解这些数据。

“我们必须收集所有这些数据，但目前你不能仅仅将其输入计算机并按下按钮就了解发生了什么，”他说。“我们需要反复思考地分析数据，以便提出科学问题并回答它们。这就是我帮助人们设计研究的方法。”

埃德莱夫森正在使用大型语言模型开发方法，帮助科学家利用例如单个细胞或某个时间点采集的血液样本中的转录本，来预测疾病进程。

“最终，你希望能够通过观察血液来预测肺部会发生什么，”他说。“要做到这一点，你需要数据，需要采集血液样本和肺部样本，并需要某种方法将它们联系起来。”

迈向更好的诊断

“我们面临的一大挑战是，我们用于识别结核病的诊断测试并不非常好，”夏皮罗说。“对于‘缺失的数百万人’，存在巨大的诊断缺口，我们估计每年约有1000万结核病例。其中，只有大约700万病例被识别、诊断、报告给结核病项目并开始治疗。”

目前可用的诊断测试漏掉了大约三分之一的结核病病例。每种测试都有其局限性，并且可能难以获得。

最可靠的结核病测试是痰液测试，即检查从肺部深处咳出的痰液中是否存在结核病DNA。（培养结核分枝杆菌是金标准，但可能需要数周时间。）但这项测试需要专门的设备。患者的肺部必须先用盐水喷雾刺激，才能诱导出所需的深咳。在儿童或疾病早期，痰液测试更可能为阴性。长期患结核病的人可能太虚弱，无法产生痰液。

胸部X光检查——也并非到处可用——即使在痰液测试为阴性时也能显示结核病证据。肺外结核更难检测（夏皮罗估计，传染病医生只有大约50%的时间能找到这种细菌）。

但科学家们正在努力寻找更好的选择。

夏皮罗曾是一个委员会的成员，审查基于华盛顿大学研究的新的结核病舌拭子检测的证据。根据夏皮罗及其同事的建议，世卫组织本月初认可了这种方法。舌拭子检测将有助于识别有结核病迹象、需要进一步诊断的人。

“对于疫苗事业和其他结核病预防策略，以及对于艾滋病毒感染者来说，能够提供更多、更简单的诊断方法，增加结核病诊断的可及性和检出率，是巨大的优势，”夏皮罗说。

弗雷德·哈钦森的研究人员也在致力于开发结核病生物标志物，这些标志物可以构成一种易于实施的检测基础，帮助发现高风险人群，菲奥雷-加特兰说。这项工作源于库布林在南非领导的一项新冠预防网络试验。该试验在已经感染过新冠的人群中测试了mRNA SARS-CoV-2疫苗，并在有合并症和艾滋病毒感染者中测试了不同的加强针。

“我们当时正在查看数据，意识到这项研究中有多少人患上了结核病——而我们甚至没有去寻找它，”菲奥雷-加特兰说。

该试验最初设计用于研究新冠，但结核病的负担不容忽视：“结核病死亡超过19例，而新冠死亡为零，”库布林说。

该团队申请了NIH补充拨款来支持结核病子研究。他们得以召回了6000名参与者（约占原始试验的一半），并进行了X光和痰液测试。目的是诊断患者并让他们接受治疗，菲奥雷-加特兰说，同时也是为了利用原始试验期间收集的样本，致力于开发更好的结核病生物标志物。

令人惊讶的是，研究人员发现，高达80%的结核病病例与症状无关。埃德莱夫森说，无症状结核病患者如此之多这一见解，正促使我们对结核病感染过程的理解发生重大转变。

现在，菲奥雷-加特兰的团队正在努力理解结核病阴性者、阳性但无症状者、有结核病症状的阳性者，以及痰液测试可能为阴性但X光显示结核病迹象者之间的差异。

“如果你能提出一种可以在护理点测量的生物标志物，并且可以说，‘嘿，这个人患结核病的风险很高，我们应该把他们带到诊所进行全面的检查’那将是变革性的，”菲奥雷-加特兰说。

改善治疗

埃德莱夫森指出，结核病领域的许多证据都强调，结核病期间许多使人衰弱的损害来自免疫系统，而非细菌本身。疫苗部分地通过将免疫系统从这种有害的方法转移开而发挥作用。

尽管结核病是致命的，但有些人确实能康复——但可能会留下终身并发症，如瘢痕。埃德莱夫森正在参与项目，利用临床前动物模型来理解具有坏死中心的肉芽肿（那种会摧毁肺部的肉芽肿）是如何形成的，以及如何破坏它们。这可能归结于阻止中性粒细胞（一种白细胞）。

“我们似乎偶然发现了一种治疗干预措施，”他说。“如果我们能在治疗结核病的同时阻止中性粒细胞的招募，他们可能会恢复得更好。”

在临床前模型中，这种策略使动物能够从结核病中恢复，且瘢痕少得多。

“如果这能转化到人身上，坦率地说，它将比我做的任何其他事情都更有影响力，”埃德莱夫森说。