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具有更強(qiáng)免疫原性的mRNA疫苗介紹

瀏覽次數(shù):1686 發(fā)布日期:2022-3-24  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
1 mRNA簡介
 
 上個(gè)世紀(jì)九十年代,在一系列體外轉(zhuǎn)錄技術(shù)被突破的背景下,mRNA可以作為治療藥物的概念正式被提出來。隨后,由于結(jié)構(gòu)簡單、安全性好,以及可以誘導(dǎo)機(jī)體免疫反應(yīng)的特點(diǎn),mRNA技術(shù)逐漸被開發(fā)為疫苗產(chǎn)品平臺。
 
 理論上,mRNA疫苗具有眾多傳統(tǒng)疫苗不具備的優(yōu)點(diǎn)。首先,跟傳統(tǒng)疫苗相比較mRNA具有更強(qiáng)的免疫原性。mRNA可以表達(dá)特定序列的靶蛋白誘導(dǎo)特異性免疫反應(yīng),同時(shí)作為核酸類的免疫原,mRNA還可以誘導(dǎo)人體的天然免疫反應(yīng)(見下文),使其擁有“自我佐劑”(self-adjuvant)的特點(diǎn),兩方面的作用,使得疫苗具有更強(qiáng)的免疫原性;第二,在安全性方面,mRNA疫苗的遞送不需要特定的質(zhì)粒載體,不進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)部,只需要在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)瞬時(shí)表達(dá)抗原蛋白,不存在整合到人體基因組上的風(fēng)險(xiǎn)。第三,mRNA疫苗具有生產(chǎn)優(yōu)勢。在成本上mRNA疫苗的GMP生產(chǎn)成本是傳統(tǒng)疫苗的五到十分之一。另外,由于化學(xué)結(jié)構(gòu)相似,生產(chǎn)和純化與抗原本身無關(guān),同一條mRNA疫苗的生產(chǎn)線很容易被改造成符合EMA或FDA標(biāo)準(zhǔn)的不同抗原疫苗的生產(chǎn)線,因此,在應(yīng)對突發(fā)傳染病時(shí),mRNA疫苗很容易在短時(shí)間內(nèi)完成研發(fā)和生產(chǎn)。
 
 雖然在理論上mRNA疫苗有著突出的優(yōu)點(diǎn),但是目前研發(fā)最快的產(chǎn)品還處于臨床試驗(yàn)階段。阻礙mRNA疫苗技術(shù)發(fā)展的zui大障礙是其對先天性免疫的激活,這種免疫反應(yīng)對mRNA疫苗來說是一把雙刃劍。一方面mRNA通過免疫激活來誘導(dǎo)機(jī)體的免疫保護(hù),另一方面過度的激活先天性免疫可以阻止mRNA的翻譯,并降解mRNA(見下文)。從成藥性的角度來看,一款合格的mRNA疫苗產(chǎn)品要求其mRNA結(jié)構(gòu)足夠穩(wěn)定,能夠在靶細(xì)胞中遞送和表達(dá)并誘發(fā)預(yù)期的適應(yīng)性免疫反應(yīng)。
 
 2 mRNA誘導(dǎo)的先天性免疫反應(yīng)
 
 先天性免疫是人體免疫系統(tǒng)的第一道防線,可以通過模式識別受體(Pattern Recognition Receptor,PRR)識別入侵抗原的病原相關(guān)模式分子(Pathogen-Associated Molecular Patterns,PAMP),然后通過一系列復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)部級聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行免疫應(yīng)答。mRNA疫苗作為外源的核酸物質(zhì),進(jìn)入體內(nèi)后會(huì)被一系列位于細(xì)胞表面、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及細(xì)胞質(zhì)中的模式識別受體識別,并激發(fā)機(jī)體的先天性免疫應(yīng)答,正如上文所述,這種免疫應(yīng)答是一把“雙刃劍”。
 
 研究發(fā)現(xiàn),mRNA疫苗誘導(dǎo)的先天性免疫反應(yīng)可以促進(jìn)人體樹突狀細(xì)胞(Dendritic cell,DC)的成熟。成熟的DC進(jìn)一步向人體的免疫系統(tǒng)遞呈mRNA表達(dá)的靶抗原,誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生特異的T細(xì)胞和B細(xì)胞免疫,對人體產(chǎn)生預(yù)期的免疫保護(hù)效應(yīng)。從這個(gè)角度看,mRNA誘導(dǎo)的先天性免疫反應(yīng)是有利的。
 
 mRNA疫苗作為一種單鏈RNA其本身也是一種PRR,其單鏈結(jié)構(gòu)和代謝產(chǎn)物可以激活細(xì)胞內(nèi)的Toll樣受體7(TLR-7)和Toll樣受體8(TLR-8),并最終激活I(lǐng)型干擾素介導(dǎo)的先天性免疫反應(yīng),最終阻止mRNA表達(dá)并降解mRNA。另外,在體外進(jìn)行mRNA合成的過程中會(huì)產(chǎn)生雙鏈RNA(double-strand RNA,dsRNA)。dsRNA也是一種常見的的核酸類PAMP,污染了dsRNA的mRNA產(chǎn)品可以上調(diào)并激活蛋白激酶R和寡聚腺苷酸合成酶,隨后通過I型干擾素介導(dǎo)的免疫反應(yīng)阻止mRNA的翻譯及降解mRNA。從這個(gè)角度來看,mRNA誘導(dǎo)的先天性免疫反應(yīng)對產(chǎn)品本身有損害作用。這種有害的免疫反應(yīng)可以通過調(diào)節(jié)mRNA的核酸序列,在純化階段采用先進(jìn)工藝去除dsRNA等手段避免。
 
mRNA介導(dǎo)的先天性免疫反應(yīng)

3 mRNA的結(jié)構(gòu)及優(yōu)化策略
 
 3.1 mRNA加帽
 
 真核細(xì)胞mRNA的5'端有一個(gè)帽子結(jié)構(gòu),它是在mRNA轉(zhuǎn)錄后,由甲基化的鳥苷酸(m7G)經(jīng)焦磷酸化與mRNA的5'端核苷酸相連。5'端帽子結(jié)構(gòu)在mRNA許多生物學(xué)功能中起到重要的作用,這包括:mRNA的剪切、穩(wěn)定、轉(zhuǎn)運(yùn)和核糖體的募集等。由于5'端帽子結(jié)構(gòu)的重要生物學(xué)功能,在mRNA疫苗研發(fā)過程中需要優(yōu)化5'端帽子結(jié)構(gòu),并利用合適的工藝對mRNA原料進(jìn)行“加帽”。
 
 mRNA疫苗產(chǎn)品的加帽可以在mRNA的體外轉(zhuǎn)錄過程中通過摻入“帽子序列”實(shí)現(xiàn),這種加帽技術(shù)會(huì)將加帽序列反向加在mRNA上,這會(huì)導(dǎo)致約1/3的加帽失敗。通過摻入特殊的帽子結(jié)構(gòu)——“anti-reverse”帽子結(jié)構(gòu)(ARCA)可以降低這種反向加帽失誤的出現(xiàn)。另外,還可以先合成不帶帽子結(jié)構(gòu)的mRNA,再利用痘病毒的“加帽復(fù)合物”對mRNA進(jìn)行加帽,這也是一種mRNA的加帽手段。
 
 3.2 非翻譯區(qū)序列(UTRs)修飾
 
 在mRNA的編碼區(qū)兩端各存在一段非翻譯區(qū)(UTRs),在5'端的被稱為5'端UTR,在3'端的被稱為3'端UTR。
 
 非翻譯區(qū)序列不是密碼子,不能翻譯成氨基酸,但是可以通過RNA結(jié)合蛋白控制mRNA產(chǎn)品的降解和轉(zhuǎn)錄效率。因此,每一種mRNA疫苗都需要考慮如何設(shè)計(jì)產(chǎn)品的UTR組件,進(jìn)而提高在目的細(xì)胞中mRNA疫苗的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄效率。大量的研究發(fā)現(xiàn)非洲爪蟾和人源的α-球蛋白/β-球蛋白的UTR序列非常穩(wěn)定,而且能夠增加異源的mRNA的表達(dá)效率,因此這兩個(gè)蛋白的UTR原件通常被設(shè)計(jì)為mRNA疫苗的UTR組件。當(dāng)然,也有其它蛋白的UTRs被研究用于mRNA疫苗的組件,在此不再贅述。
 
 3.3 Poly(A)
 
 大多數(shù)真核生物的mRNA 的3'端都有由100~200個(gè)腺苷酸聚合形成的Poly(A)尾巴。mRNA的Poly(A)尾巴可以和5'端帽子結(jié)構(gòu)共同合作,增強(qiáng)mRNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。Poly(A)尾巴首先和大量的Poly(A)結(jié)合蛋白(PABP)結(jié)合,然后募集真核生物起始因子4G(eIF4G),增加Poly(A)跟5'端帽子結(jié)構(gòu)的親和力,最終mRNA的Poly(A)尾巴和5'端帽子結(jié)構(gòu)首尾相接,形成環(huán)裝mRNA。環(huán)裝mRNA結(jié)構(gòu)有利于核糖體的募集,其特殊的結(jié)構(gòu)也能保護(hù)mRNA不被降解。
 
 在mRNA體外合成過程中,Poly(A)尾巴可以通過質(zhì)粒DNA模板轉(zhuǎn)錄獲得,也可以先合成mRNA再通過Poly(A)聚合酶加上不同單位數(shù)量的尾巴。前者能夠在mRNA產(chǎn)品中加入特定數(shù)目的Poly(A),而后者加入的單位數(shù)不確定。
 
 Poly(A)尾巴的單位數(shù)目對于其生物學(xué)作用起到了至關(guān)重要的作用。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi),活躍表達(dá)的mRNA包含的Poly(A)序列的長度為100-250個(gè)。有研究發(fā)現(xiàn),表達(dá)效率越高的mRNA,其Poly(A)尾巴越短。但是當(dāng)Poly(A)單位長度小于12時(shí),mRNA結(jié)構(gòu)就不再穩(wěn)定,容易被降解。在設(shè)計(jì)mRNA疫苗產(chǎn)品的序列時(shí),Poly(A)的長度也是非常重要的優(yōu)化指標(biāo)。
 
 3.4 開放閱讀框
 
 開放閱讀框(Open Reading Frame, ORF)包涵了mRNA的全部編碼序列,負(fù)責(zé)進(jìn)入人體后表達(dá)mRNA運(yùn)載的抗原靶蛋白。
 
 密碼子水平的修飾,利用常用的密碼子,選用tRNA較多的密碼子;使各個(gè)密碼子的比例更接近靶物種或者細(xì)胞的比例;
 
 GC含量的修飾,避免復(fù)雜二級結(jié)構(gòu)形成;二級結(jié)構(gòu)對mRNA的延伸和轉(zhuǎn)錄非常重要,高穩(wěn)定的二級結(jié)構(gòu)和發(fā)夾結(jié)構(gòu)需要避免。這樣的二級結(jié)構(gòu)可以阻止核糖體的進(jìn)入、掃描以及容易被先天性免疫識別為PAMP。
 
 4 mRNA疫苗分類
 
 mRNA疫苗包括兩類:自我擴(kuò)增型(self-amplifying or replicon)以及非復(fù)制型(non-replicating or synthetic)的mRNA疫苗。
 
                      mRNA疫苗的兩種類型
 
 自我擴(kuò)增型mRNA疫苗的設(shè)計(jì)通常是基于甲病毒屬(alphavirus)的病毒基因組。甲病毒屬為感染昆蟲的RNA病毒,用編碼抗原蛋白的mRNA代替甲病毒基因組上的甲病毒結(jié)構(gòu)蛋白RNA,保留了甲病毒基因組自我復(fù)制的能力,又不能合成甲病毒蛋白。這類改造后的甲病毒基因組進(jìn)入體內(nèi)后可以自我復(fù)制產(chǎn)生編碼抗原蛋白的mRNA,很少的量就可以引起較強(qiáng)的免疫反應(yīng)。
 
 非復(fù)制型RNA疫苗則是在體外轉(zhuǎn)錄好的一段編碼抗原蛋白的完整mRNA,包括5ʹ和3ʹ的未翻譯區(qū)(UTRs),poly A tail用于穩(wěn)定mRNA和促進(jìn)轉(zhuǎn)錄;同時(shí)mRNA還有多種堿基修飾來提高mRNA的穩(wěn)定性,zui后利用納米脂質(zhì)體等遞送技術(shù)將mRNA遞送至細(xì)胞內(nèi),從而翻譯抗原蛋白,引發(fā)免疫反應(yīng),但是這種合成的mRNA在人體內(nèi)無法自我復(fù)制。
 
 參考文獻(xiàn)
 
 DOI:10.1016/j.molmed.2019.10.002
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 DOI:10.1186/s12967-016-1111-6
 DOI:10.1038/s41541-020-0159-8
 
來源:蘇州金納機(jī)械設(shè)備科技有限公司
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