mRNA 疫苗的介紹、作用機制、應用和研究進展
核酸是核苷酸聚合成的生物大分子化合物(可分為脫氧核糖核酸 DNA 和核糖核酸 RNA)，是生命的最基本物質(zhì)之一。以 DNA 或者 RNA 為載體或靶向目標的藥物稱為核酸藥物。
目前所有成藥的靶點中，蛋白質(zhì)為藥物靶點的主要類型，蛋白的立體結(jié)構(gòu)為小分子藥物提供了結(jié)合位點，但因為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的復雜性，仍然存在不可成藥或者難以成藥的問題。如果以 RNA 或 DNA 為靶點，不僅能夠擴大用于治療疾病的靶點比例，同時還具有解決"不可靶向"、"不可成藥" 難題的巨大潛力。
核酸小干擾 RNA (siRNA)，反義核酸 (ASO)，適配體 (aptamer) 以及 mRNA 疫苗和 mRNA 藥物是當前臨床核酸藥開發(fā)的主要形式。之前，我們已經(jīng)簡單介紹過 siRNA 等小核酸藥物 (見推文: RNA 治療——帶來無限可能性)，今天小 M 的目光將聚焦：當紅頂流——mRNA 疫苗。
mRNA 疫苗實際已研究多年，包括在開發(fā)寨卡、狂犬病和流感疫苗過程中；2020 年底 Moderna 首款 mRNA 疫苗 (mRNA-1273) 的獲批上市，為新冠疫情防控貢獻出一份力量。賓夕法尼亞大學的 2 位科學家 Katalin Karikó 和 Drew Weissman 因研發(fā)了"工程改良的 RNA 技術(shù)，使新冠疫苗的快速開發(fā)成為可能，推動了 mRNA 疫苗在新冠疫情中的研發(fā)和使用" 被頒發(fā) 2022 年科學突破獎。
圖 1. mRNA 的疫苗開發(fā)的開創(chuàng)性步驟[3]
關(guān)于 mRNA 疫苗的臨床試驗表明，它們能夠提供持久的免疫反應。mRNA 疫苗不是活病毒疫苗，不會干擾人類 DNA。
mRNA 疫苗主要包含合成的 mRNA 分子，這些分子指導抗原的產(chǎn)生，從而產(chǎn)生免疫反應。
目前主要有兩種主要類型的 RNA 疫苗開發(fā)：非復制 mRNA (NRM) 和病毒衍生的自我擴增RNA (SAM) 疫苗。傳統(tǒng)的非復制 mRNA 可編碼感興趣的抗原并包含 5' 和 3' 非翻譯區(qū) (UTR)，而自擴增 RNA 不僅編碼抗原，還能編碼病毒復制機制，從而使細胞內(nèi) RNA 擴增和蛋白質(zhì)表達豐富的病毒復制機制來放大免疫反應。
圖 2. 體外轉(zhuǎn)錄 (IVT) mRNA 的結(jié)構(gòu)
(IVT) mRNA 模擬內(nèi)源性 mRNA 的結(jié)構(gòu)，分五個部分: 5ʹ cap、5ʹ非翻譯區(qū) (UTR)、編碼抗原的開放閱讀框、3ʹ UTR 和 poly(A) 尾巴。其中 mRNA 開放閱讀框是最關(guān)鍵的組成部分，因為它包含翻譯成蛋白質(zhì)的編碼序列。
疫苗的作用機制：依賴人體的體液免疫和細胞免疫
適應性免疫反應由產(chǎn)生抗體的 B 細胞 (體液免疫) 和 T 細胞 (細胞免疫) 介導。疫苗可誘導抗體提供保護，并且使得免疫細胞產(chǎn)生記憶，免疫記憶使免疫系統(tǒng)能夠識別并在以后對相同病原體的暴露做出快速反應。編碼抗原序列的 mRNA 疫苗可通過脂質(zhì)納米載體等遞送方式被引入細胞，然后人體細胞通過翻譯產(chǎn)生抗原，從而激活免疫反應。與傳統(tǒng)疫苗相比，mRNA 疫苗通過內(nèi)源性表達抗原蛋白，誘導更為廣泛有效的細胞免疫及體液免疫反應，產(chǎn)生更高的保護率。
圖 3. mRNA 疫苗引發(fā)免疫反應[9]
(1) 注射的 mRNA 疫苗被抗原呈遞細胞內(nèi)吞。(2) mRNA 脫離核內(nèi)體進入胞質(zhì)溶膠，被核糖體翻譯成蛋白質(zhì)刺激免疫系統(tǒng)。(3) 細胞內(nèi)抗原被蛋白酶體復合物分解成更小的片段，這些片段被 MHC-I 類蛋白呈遞給細胞毒性 T 細胞。(4) 活化的細胞毒 T 細胞通過分泌穿孔素和顆粒酶來殺死被感染的細胞。(5) 分泌的抗原可以被細胞攝取，在內(nèi)體中降解，并通過 MHC II 類蛋白呈遞到細胞表面給輔助 T 細胞。(6) 輔助性 T 細胞通過刺激 B 細胞產(chǎn)生中和抗體以及通過炎性細胞因子激活吞噬細胞來促進循環(huán)病原體的清除。
裸 mRNA 注射已成功用于體內(nèi)免疫，特別是優(yōu)先靶向抗原呈遞細胞的形式，但這種遞送方式的效率較弱，且裸 mRNA 在注射后往往會迅速降解。解決 mRNA 疫苗的傳遞效率是重中之重。
(1). 借助常見的物理方法，如電穿孔、基因槍、微針等，可提高裸 mRNA 抗原呈遞的效率。但是物理方法可能會使得細胞死亡增加和對靶細胞或組織的進入的限制。
(2). DCs 輸送系統(tǒng)的離體裝載: 通過在體外將編碼肽、蛋白質(zhì)或其他抗原的 mRNAs 轉(zhuǎn)染到 DCs 中，然后將加工后的 DCs 轉(zhuǎn)移回宿主體內(nèi)以啟動抗原特異性免疫反應。這種方法具有細胞特異性和高轉(zhuǎn)染效率，但是成本較為昂貴。
(3).魚精蛋白是一種具有樹脂狀結(jié)構(gòu)的堿性陽離子蛋白質(zhì)。將不同質(zhì)量比的 mRNA 與魚精蛋白結(jié)合可產(chǎn)生不同直徑的靜電魚精蛋白-mRNA 復合物顆粒。這種緊密結(jié)合的形式有效保護 mRNA 不被血清 RNases 降解，且復合物可以引起 DC、單核細胞、B 細胞、自然殺傷細胞和中性粒細胞等免疫細胞的強烈免疫反應。
當前，mRNA 疫苗遞送更傾向于使用基于脂質(zhì)或聚合物的納米顆粒作為有效且多功能的遞送載體。基于脂質(zhì)的納米顆粒 (LNP) 是目前臨床上最先進的 mRNA 遞送載體。截至 2021 年 6 月，所有正在開發(fā)或批準用于臨床的 SARS-CoV-2 mRNA 疫苗大多采用脂質(zhì)納米顆粒 (LNP) 作為 mRNA 遞送載體。
圖 4：不同的 mRNA 陽離子載體及其成分[9]
a. 脂質(zhì)納米顆粒，成分：可離子化脂質(zhì)、膽固醇、輔助磷脂和聚乙二醇化脂質(zhì)，LNP 將 mRNA 包裹在其核心中。b. 復合物和聚合物納米粒子：與 LNP 有相似的優(yōu)勢并能有效地傳遞 mRNA 。c. 陽離子納米乳液：納米乳液由一個油性角鯊烯核心組成，該核心由一個脂質(zhì)殼穩(wěn)定，該脂質(zhì)殼將 mRNA 吸附到其表面。
傳染病疫苗: 目前正在開發(fā)的 mRNA 疫苗主要可分為 2 大類：預防性疫苗、治療性疫苗。COVID 疫苗是針對傳染病的預防性疫苗，盡管國內(nèi)已有效果顯著的滅活疫苗用于注射，但 mRNA 國產(chǎn)賽道正在進入高速發(fā)展起飛，如下圖 5 為國內(nèi)針對新冠疫苗的研究進展。
在針對新冠病毒的疫苗之外，多款針對其他病毒的 mRNA 疫苗也已進入臨床開發(fā)階段，用于預防巨細胞病毒 (CMV)、寨卡病毒、呼吸道合胞病毒 (RSV)、流感病毒、狂犬病毒等病原體的感染。
圖 5：國內(nèi) mRNA 疫苗研究狀況[9]
癌癥疫苗: 與傳染病類疫苗相反，針對癌癥的 mRNA 疫苗多為治療性疫苗。針對腫瘤相關(guān)或腫瘤特異性抗原 (TAA 或 TSA) 的 mRNA 疫苗特異性地攻擊和破壞過度表達抗原的惡性細胞，并由于免疫記憶而實現(xiàn)慢性治療作用。mRNA 疫苗還允許同時遞送多種抗原，涵蓋各種 TAA，同時引發(fā)體液和細胞介導的免疫反應，增加克服疫苗耐藥性的可能性。
圖 4：體內(nèi) mRNA 調(diào)控腫瘤的各種策略[11]
包括 (1). 誘導細胞死亡 (2). 結(jié)合腫瘤相關(guān)樹突狀細胞 (3). 抑制細胞類型，如腫瘤相關(guān)的巨噬細胞 (4). 細胞因子環(huán)境 (5).誘導癌癥特異性 T 細胞
與其他免疫療法相比，癌癥疫苗提供了特異性、安全和可耐受的治療。如 CAR-T 療法在治療血液病方面非常有效，但在治療實體腫瘤仍存在許多挑戰(zhàn)。mRNA 疫苗助力 CAR-T 療法：BNT211 是由帶有緊密連接蛋白 Claudin-6 (CLDN6) 的第二代特異性CAR-T 細胞組成，該 CAR-T 細胞與 CAR-T 細胞擴增 RNA 疫苗 (CARVac) 結(jié)合使用，可促進 CLDN6-CAR-T 細胞的擴增、實現(xiàn)了對抗實體腫瘤的有效性。今年的 AACR 會上，BioNTech 公布了靶向?qū)嶓w瘤的 BNT211 的臨床試驗結(jié)果：16 名患者臨床數(shù)據(jù)表明：疾病控制率為 86%，總體緩解率為 43%。
總結(jié):
mRNA 疫苗作為一種核酸疫苗，通過將 mRNA 片段注入人體細胞內(nèi)產(chǎn)生抗原，再由此激發(fā)特異性免疫反應，達到形成免疫記憶的效果。新冠疫情的爆發(fā)為 mRNA 疫苗的發(fā)展帶來巨大機遇，但 mRNA 疫苗應用并不局限于此，多種 mRNA 疫苗已經(jīng)在多個臨床應用中表現(xiàn)出巨大的治療潛力，mRNA 疫苗有望為腫瘤免疫疾病及多種傳染病的控制帶來無限希望。
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參考文獻
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