自然获得性免疫对志贺氏菌疫苗效力影响的模拟研究：一项基于仿真的临床试验设计优化分析

《PLOS MEDICINE》：Analysis of the impact of naturally-acquired immunity on Shigella vaccine performance to inform clinical trials: A simulation-based modeling study

　　

背景：志贺氏菌（Shigella）是全球细菌性腹泻的首要病因，有效的疫苗可预防志贺氏菌病（shigellosis）的发病率和死亡率，并限制抗生素耐药性的发展。多种志贺氏菌候选疫苗正处于后期开发阶段，针对目标人群的大规模III期试验设计正在进行中。在高发病率环境中，儿童预计会迅速积累自然免疫力，因此经过反复病原体暴露后，未接种疫苗的婴儿可能与已接种疫苗的婴儿具有相似的免疫水平。基于此，在这些环境中估算的疫苗效力（VE）可能低估了在完全易感人群中预期的效力。为了设定预期并支持未来志贺氏菌疫苗试验的最佳规划，本研究旨在量化这一现象在不同监测策略和志贺氏菌免疫假设下对VE估算的潜在影响。 方法与发现：研究人员在低、中、高负担环境下，针对疫苗和感染赋予免疫的不同假设，模拟了志贺氏菌疫苗试验。研究人员估算了针对重症及任何志贺氏菌相关腹泻的VE，采用了六种试验设计方案：主动监测志贺氏菌感染或基于症状的报告，并结合单结局、分层复发结局或粗略复发结局的Cox比例风险模型。在每个场景中，研究人员评估了偏倚、95%置信区间（CI）覆盖率和假阴性率。在所有检验的场景中，只有采用主动感染监测与单结局模型的试验设计始终无偏倚。其他五种设计将VE低估了高达绝对20%，其中结合基于症状报告的单结局模型表现最不差。偏倚通常在高负担位点更为严重。对于实际规模的试验，95%CI覆盖率和假阴性率在高负担位点也更差。结果对输入参数敏感，而这些参数依赖于基于有限已发表数据的志贺氏菌自然史假设。 结论：志贺氏菌疫苗试验中观察到的VE很可能低估真实的VE，尽管本文描述的低估程度取决于模拟的输入和假设。需要谨慎的试验设计以最小化这种低估。

研究背景与问题

志贺氏菌是全球细菌性腹泻的首要病原体，五岁以下儿童在低收入地区尤其是南亚和撒哈拉以南非洲承受着最高的发病率和死亡率。除了急性腹泻，志贺氏菌感染还可导致线性生长迟缓等长期影响，而诊断检测在资源匮乏地区普遍不可及，加之抗生素耐药性日益加剧，使得有效疫苗的开发成为迫切需求。目前多种志贺氏菌候选疫苗已进入后期研发阶段，III期大规模现场试验正在规划中。然而，轮状病毒疫苗的经验提供了警示：在高负担环境中观察到的疫苗效力往往低于低负担环境。一种可能的解释是，在高传播强度地区，未接种婴儿因频繁接触病原体而快速积累感染获得性免疫，使其免疫水平迅速追赶至接近接种婴儿，从而导致在临床试验中估算的疫苗效力低于其在完全易感人群中的真实生物学效力。这一现象同样会影响志贺氏菌疫苗的评价，给试验设计和结果解读带来关键挑战。为此，研究人员开展了一项基于仿真的建模研究，旨在量化自然获得性免疫对志贺氏菌疫苗效力估算的影响，并评估不同试验设计与分析策略能否改善对靶向效力的估计。

研究方法与技术路线

研究人员构建了一个模拟III期疫苗试验的仿真框架。首先，模拟了健康、免疫幼稚的婴儿从6.5月龄和9.5月龄按1:1随机接受两剂疫苗或安慰剂，并在10月龄开始随访至36月龄，期间模拟复发性志贺氏菌感染事件。感染过程建模包含三个层次：随年龄变化的感染风险、感染后进展为腹泻的条件概率、以及腹泻后发展为重症的条件概率。这些参数依据MAL-ED纵向出生队列研究和Enterics for Global Health项目的多站点数据设定。研究中考察了四种可变因素：疫苗对感染风险的影响、混合免疫是否存在、感染获得性免疫相对于疫苗免疫的强度、以及感染压力。共设定了50种不同情景，涵盖五个感染压力水平（极低至极高）。在数据分析层面，研究人员比较了两种数据收集协议——主动感染监测（记录所有感染事件包括无症状感染）和被动症状报告（仅记录腹泻事件），并应用三种Cox比例风险模型进行效力估算：单结局模型、分层复发结局模型和粗略复发结局模型，共计六种组合方案。评估指标包括偏倚、均方误差、95%置信区间覆盖率及假阴性率。此外还进行了敏感性分析，探讨真实疫苗效力变化和疫苗保护力衰减的影响。

研究结果

大样本试验中各方法的比较

在统计效能极高（每组5000名婴儿）且完全易感人群中真实重症疫苗效力为60%的条件下，仅主动监测联合单结局模型的设计产生了无偏倚的结果，平均估计值为59.5%。其余五种设计的平均效力估计值范围为47.3%至51.7%，偏倚绝对值达8.3%至12.7%。随着感染压力的增加，除主动监测单结局模型外，其他设计的低估程度均加重。在极低、低和中负担位点，各偏倚方法间的差异不大，但在高和极高负担位点，基于症状报告联合单结局模型的偏倚小于使用复发结局模型的方法，后者偏倚接近?15%和?20%。第二年的随访期偏倚尤为严重，在极高负担位点甚至超过?40%。

实际规模试验中的表现

采用更现实的样本量后，各方法的偏倚幅度与大样本试验相当。在极低至中等负担位点，所有方法的95%置信区间覆盖率均高于90%。但随着感染压力升高，除主动监测单结局模型外，其余方法的覆盖率和假阴性率均显著恶化。例如在极高负担位点，基于症状报告单结局模型仍有78.8%的覆盖率，假阴性率为21.4%，而复发结局模型的覆盖率降至56.5%至60.4%，假阴性率升至29.4%至31.5%。

不同免疫假设下的表现

主动监测联合单结局模型在所有免疫情景下均保持无偏倚。混合免疫的存在与否是最具影响力的因素：当混合免疫不可能发生时，偏倚更为严重。例如在高负担位点，若混合免疫不存在且感染免疫与疫苗免疫相当或较弱，平均偏倚范围在?4.1%至?12.9%；而当混合免疫可能发生时，偏倚仅为?0.3%至?3.4%。此外，当每次感染所赋予的免疫力越强于疫苗效果时，偏倚越大。疫苗是否降低感染风险则未显示出清晰趋势。

敏感性分析

真实疫苗效力的大小影响偏倚幅度：主动监测单结局模型在任何真实效力水平下均无偏倚；其他设计的偏倚呈U形关系，真实效力接近50%时偏倚最大。疫苗保护的生物性衰减并未显著改变偏倚的幅度，第一年和第二年随访期的偏倚模式与无衰减情景相似。

讨论与结论

研究表明，未来志贺氏菌疫苗试验中观察到的疫苗效力很可能低估其在完全易感人群中的真实效力，因为自然免疫的积累会使未接种婴儿逐渐追上接种婴儿的免疫水平。低估程度受多种因素影响，其中感染压力最为关键：在高负担位点，偏倚可达绝对20%，并且可能导致试验错误地得出无效结论的概率高达50%至60%。此外，由于自然免疫的影响随随访时间延长而加剧，高负担环境中的试验可能误判为疫苗诱导的免疫力迅速衰减。虽然主动监测联合单结局模型可提供无偏倚估计，但其成本高昂且难以实施。在实际可行的设计中，基于症状报告联合单结局模型是次优选择，可将偏倚控制在约绝对10%。研究结论强调，在设计试验时需要权衡更完整结局确认带来的更高准确性与相应的高昂成本，同时应关注感染免疫机制的知识空白，以便更好地规划和解读未来的志贺氏菌疫苗试验结果。