mRNA疫苗是什么？

1990年,，科學家將體外轉(zhuǎn)錄的信使RNA—mRNA注射入小鼠體內(nèi),，通過檢測發(fā)現(xiàn)其可在小鼠體內(nèi)表達活性，產(chǎn)生相關(guān)蛋白且具有劑量依賴性,。這種直接注射mRNA的方法能夠通過表達特定蛋白,，產(chǎn)生免疫反應(yīng)，這就是mRNA療法的雛形,。

在隨后的研究中,，雖然動物實驗表明了mRNA可以發(fā)揮類似疫苗的作用，達到治療目的,。但是受當時技術(shù)限制,，在mRNA穩(wěn)定性，藥物遞送,，還有安全性等方面存在瓶頸,，這種療法逐漸趨冷，更多研究者轉(zhuǎn)向DNA和替代蛋白領(lǐng)域,。

時間進入21世紀,，mRNA合成、修飾技術(shù)和遞送技術(shù)的發(fā)展讓mRNA療法重返生物制藥公司的視線,。相比傳統(tǒng)疫苗，mRNA的安全性更有優(yōu)勢,，不會插入基因突變,，可以被正常細胞降解，通過調(diào)節(jié)序列修飾和遞送載體可以改變其半衰期等(圖2),。更重要的是,，傳統(tǒng)疫苗對很多新型病毒有心無力，更別提像癌癥這種嚴重威脅人類健康的疾病了,。而mRNA的作用機理使它就像一本餐譜一樣,，只要你編好RNA序列,，就可以將細胞變成小型的藥物工廠，mRNA引導細胞自己產(chǎn)生特定蛋白發(fā)揮系統(tǒng)藥效,。

傳統(tǒng)疫苗,、DNA疫苗和mRNA疫苗的若干區(qū)別

mRNA疫苗靠什么？

• 作用機理

mRNA參與DNA翻譯和蛋白質(zhì)生成的中間步驟,。目前用于制造疫苗的有兩種RNA,，非復制型(non-replicating) mRNA和自我擴增型(self-amplifying) mRNA。傳統(tǒng)mRNA疫苗編碼的抗原包含5?和3?的未翻譯區(qū)(UTRs),，而自我擴增型RNA不僅能編碼抗原,，還有類似病毒復制過程的序列，使其可以在細胞內(nèi)復制,，提高蛋白表達量,。

簡單的說，體外轉(zhuǎn)錄RNA利用DNA模板和RNA聚合酶,，包括T7,、T3或Sp6噬菌體聚合酶，來制備具有蛋白質(zhì)編碼功能的開放閱讀框(open reading frame),。這個閱讀框兩個重要組成部分分別是一個5’端的“帽子”結(jié)構(gòu)和一條多聚A (poly A)的”尾巴“,。除此之外，還有一段未翻譯區(qū),，它可以提高復合物在轉(zhuǎn)錄時的穩(wěn)定性,，使人工制造的mRNA可以像成熟mRNA分子一樣發(fā)揮轉(zhuǎn)錄組裝作用。裸露的mRNA很容易被胞外核糖核酸酶催化降解,，因此很多載體被用于提高mRNA攝取,。一旦mRNA進入胞漿，細胞翻譯機制就能在其引導下組裝氨基酸序列,，進行翻譯后修飾并恰當?shù)恼郫B形成功能性蛋白質(zhì),。mRNA的這些藥理特性使其在疫苗療法領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢。

• 新的技術(shù)

近年來,，不同的mRNA疫苗平臺在免疫原性和藥效方面均取得巨大進展,。RNA序列工程技術(shù)使得人工合成的mRNA比以前的翻譯功能更好，高效低毒的載體能夠顯著提高抗原的體內(nèi)表達,，一些疫苗中還加入了新型佐劑,。

1、對mRNA翻譯和穩(wěn)定性的優(yōu)化

現(xiàn)有的mRNA修飾技術(shù)能夠直接或間接的影響免疫應(yīng)答,，主要包括：合成”帽子“類似結(jié)構(gòu),；在5’和3’ UTR區(qū)域增加可調(diào)控序列；修飾多聚A“尾巴”。這其中5’和3’ UTR區(qū)域序列的改進對于提高mRNA穩(wěn)定性和蛋白表達至關(guān)重要,，選擇與tRNA同源的密碼子可以提高mRNA的翻譯能力,。在生產(chǎn)中還可以利用分離和純化技術(shù)來優(yōu)化mRNA。

2,、免疫原性的調(diào)節(jié)

圖3中展示了樹突細胞(dendritic cell, DC)對兩種mRNA疫苗的免疫應(yīng)答,。外源mRNA能在體內(nèi)產(chǎn)生免疫刺激，因為它能被細胞表面,、核內(nèi)體或胞質(zhì)的免疫應(yīng)答受體識別,。根據(jù)治療方法不同，這種免疫刺激也是有利有弊,。有利的一面是它能夠驅(qū)動DC成熟因子,，進而激發(fā)T細胞和B細胞產(chǎn)生強烈的免疫應(yīng)答。弊的一面是這種免疫感應(yīng)也可能抑制抗原的表達,，對免疫應(yīng)答產(chǎn)生消極作用,。其背后復雜機理尚不十分清楚，但是近些年相關(guān)研究也取得了一些進展,。

mRNA疫苗觸發(fā)免疫應(yīng)答過程,，黃色基團代表RNA感應(yīng)器，紅色基團代表抗原,，綠色基團代表DC成熟因子,，紅藍色基團代表主要組織相容性復合體(MHC)，圖片右上方一個脂質(zhì)納米粒載體

研究發(fā)現(xiàn)mRNA的這種免疫刺激可以通過制備純化,，引入修飾性核苷,，或者通過改變載體分子來改善。生產(chǎn)mRNA疫苗過程中的酶促反應(yīng)會生成一些雙鍵RNA的副產(chǎn)物,，因為與病毒基因組和復制中間產(chǎn)物類似,，雙鍵RNA是一個潛在的病原體相關(guān)分子(PAMP)，能夠被很多細胞區(qū)室受體感應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng),，最終導致翻譯抑制和mRNA降解,。用分析手段，對制備的mRNA進行純化,，可以減少雙鏈副產(chǎn)物,，防止不必要的免疫刺激。除了雙鏈RNA雜質(zhì)的影響,，單鏈RNA本身也是一種PAMP,，能夠引起I型干擾素產(chǎn)生，通過引入自然核苷可以減少其產(chǎn)生,，這些結(jié)果表明似乎經(jīng)過純化和修飾的mRNA在樹突細胞中可明顯提高蛋白表達量。但是也有研究表明，經(jīng)過純化,，未修飾的mRNA能夠在HeLa細胞中產(chǎn)生比修飾過的mRNA更多的蛋白質(zhì),，這與上面的結(jié)果是相反的。結(jié)論就是不論是采用純化還是修飾,，都要根據(jù)靶點細胞不同而采用不同的組合策略和調(diào)控技術(shù)，只有這樣才能發(fā)揮最好的藥效,。

3,、mRNA遞送方式的進展

上文提到過，裸露的mRNA直接進入體內(nèi)會被降解,，因此高效的mRNA遞送是疫苗藥效的保證,。目前利用載體和直接注入這兩種mRNA遞送方式都在生產(chǎn)中使用。

（1）利用載體將mRNA注入體內(nèi)

常用載體包括樹突細胞,，魚精蛋白,，微質(zhì)粒載體和高分子載體等。樹突細胞是免疫系統(tǒng)最有潛力的抗原表達細胞,。陽離子多肽魚精蛋白已被證實可以保護mRNA免于被核糖核苷酶降解,。但是同時也有數(shù)據(jù)表明它會降低蛋白的表達，這可能是由于mRNA和魚精蛋白連接過于緊密造成的,。陽離子脂質(zhì)體和高分子,，如樹枝狀高分子，已經(jīng)在過去幾年的mRNA給藥途徑中廣泛運用,，這也是借了小干擾RNA (siRNA)領(lǐng)域發(fā)展的東風,。脂質(zhì)納米粒(LNPs)載體已經(jīng)變成了mRNA疫苗最常用的載體之一。

（2）直接將mRNA注入體內(nèi)

常用皮內(nèi)注射或節(jié)內(nèi)注射方法,，有報道稱重復節(jié)內(nèi)接種mRNA,，由腫瘤相關(guān)的抗原來激發(fā)T細胞應(yīng)答，可以提高患者的無進展生存期(PFS),。

（3）物理遞送方法

除了以上兩種方法,，還有使用物理方法mRNA的細胞膜穿透。比如電基因槍,、電穿孔法等,。物理方法的缺點是可能會引起細胞死亡。

mRNA疫苗能帶來什么,？

mRNA疫苗目前有兩大應(yīng)用領(lǐng)域,，傳染性疾病和癌癥(圖4)。需要注意的是mRNA給藥后的生物分布,。比如裝載mRNA的脂質(zhì)納米粒,，靜脈給藥后主要分布在肝臟，這對于樹突細胞的活化并不是最理想的。影響給藥后生物分布的因素有載體與mRNA的比例,，凈電荷等,。比如帶正電荷的納米粒主要靶向肺部，而帶負電荷則主要靶向次級淋巴組織和骨髓,。

目前處于臨床研究階段的mRNA疫苗疾病分布

• 抗傳染病的mRNA疫苗

發(fā)展預(yù)防性或治療性疫苗來對抗傳染性病原體,，是遏制和預(yù)防流行病是最有效的手段。但是,，過去的疫苗產(chǎn)品不能對抗像HIV,、皰疹病毒或是呼吸道合胞病毒這些對人類健康造成巨大危害的病毒。除此之外,，像2014-2016年先后爆發(fā)的埃博拉病毒和塞卡病毒這類突發(fā)病毒疾病,，傳統(tǒng)疫苗也排不上用場。因此,，發(fā)展更有效的疫苗刻不容緩,。

無數(shù)臨床前的動物實驗已經(jīng)證明了mRNA疫苗對抗傳染性病毒的藥效。動物實驗中安全性良好,，其快速制備的特點也適用于傳染病爆發(fā)的靈活應(yīng)對,，相對簡單的生產(chǎn)工藝也便于質(zhì)量控制。與蛋白免疫接種不同,，mRNA疫苗能夠引起強烈的CD4+或CD8+ 的T細胞應(yīng)答,。它們也與DNA免疫接種不同，在動物體內(nèi)mRNA疫苗通過一兩次低劑量接種就能夠產(chǎn)生抗體,。目前臨床階段開發(fā)的mRNA疫苗針對疾病包括HIV,，流感病毒和狂犬病毒等。

• 抗腫瘤的mRNA疫苗

腫瘤疫苗和其他免疫療法被認為是非常有前途的治療惡性腫瘤的方法,。腫瘤疫苗可以設(shè)計成靶向腫瘤細胞選擇表達的相關(guān)抗原,，比如，生長因子等,。也可以靶向惡性腫瘤細胞突變產(chǎn)生的特有抗原,。針對癌癥的mRNA疫苗一般起治療作用，而不是傳統(tǒng)的預(yù)防作用,，目的是促使細胞介導的應(yīng)答,，比如典型的T淋巴細胞應(yīng)答，從而達到清除或者減少腫瘤細胞的目的,，部分研發(fā)管線見圖5,。

1、以樹突細胞為載體的mRNA腫瘤疫苗

從1996年研究人員通過實驗證明樹突細胞裝載mRNA可以激發(fā)腫瘤抗原產(chǎn)生免疫應(yīng)答起,，到今天,，相關(guān)臨床研究已涵蓋轉(zhuǎn)移性前列腺癌,、肺癌、腎細胞癌,、腦癌,、黑色素瘤、急性髓性白血病和胰腺癌等?，F(xiàn)在研究人員還將樹突細胞載mRNA疫苗與傳統(tǒng)化療藥物或者免疫檢查點抑制劑聯(lián)用，其中的一項臨床試驗中,，III-IV期黑色素瘤患者同時給予單克隆抗體Ipilimumab和載有黑色素瘤抗原相關(guān)mRNA的樹突細胞注射劑,，結(jié)果表明該療法可以持續(xù)降低部分復發(fā)性或難治性黑色素瘤患者的腫瘤。

BioNTech,，CureVac AG和Moderna三家公司部分mRNA研發(fā)管線

2,、直接注射的mRNA腫瘤疫苗

直接注射的給藥途徑包括皮內(nèi)注射，肌肉注射,，皮下注射和鼻內(nèi)給藥,，還有一些非傳統(tǒng)方式包括節(jié)內(nèi)注射，靜脈給藥,，經(jīng)脾給藥和腫瘤給藥,。不同的給藥方式對于mRNA疫苗的藥效有很大影響，總體來講,，由于裸露的mRNA易于降解,，存在血清蛋白聚合，所以直接注射法并不常用,。

來源 / 藥渡

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