mRNA疫苗：疫苗学的新时代

编译 | 王聪

2018年1月12日，Drew Weissman教授在Nature Reviews Drug Discovery期刊发表了一篇综述【1】，描绘了一种有前途的mRNA疫苗的未来。此时的他或许不会想到1997年时和Katalin Karikó在实验室复印机前的一次争吵会为20多年后拯救世界埋下伏笔。

Drew Weissman（左）、Katalin Karikó（右）

当时两人为抢一台复印机发生争执，也因此结识，此后的交流中，他们发现彼此对mRNA有着相似的看法，并开始合作研究，2005年8月1日，两人合作的论文在Immunity期刊发表【2】，他们对mRNA进行假尿嘧啶化修饰，大大增强了mRNA在体内的稳定性。

后来的事情我们都知道了，新冠疫情暴发，mRNA疫苗横空出世。

这篇综述发表于2018年1月，此时mRNA的理论研究已经完善，mRNA在体内的不稳定和递送的低效率问题已经基本得到解决，针对几种传染病和癌症的mRNA疫苗临床试验也已经展现了令人鼓舞的效果。

Drew Weissman教授详细概述了mRNA疫苗，并阐述了将这一有前途的疫苗平台推向广泛预防和治疗用途的未来方向和面临的挑战。

疫苗，每年可预防数以百万计的疾病并挽救无数生命。由于广泛使用疫苗，天花病毒已被彻底根除，脊髓灰质炎、麻疹和其他儿童疾病的发病率在世界范围内大幅减少。传统的疫苗方法，例如减毒活病原体和灭活病原体以及亚单位疫苗，可提供针对各种危险传染病的持久保护。尽管取得很多成功，但针对各种传染性病原体的疫苗开发仍然存在重大障碍，尤其是那些能够更好地逃避适应性免疫反应的病原体。此外，对于大多数新兴病毒的疫苗而言，主要障碍不是传统方法的有效性，而是需要更快速的开发和大规模部署。而且，传统疫苗方法可能不适用于非传染性疾病，例如癌症，因此，迫切需要开发更有效和通用的疫苗平台。

早在1990年，就有研究表明，将报告基因mRNA注射到小鼠体内，能够检测到蛋白质的产生。1992年的一项后续研究表明，在大鼠下丘脑中注射编码加压素的mRNA可引起大鼠的生理反应。然而，这些研究并未激起开发mRNA疗法的热潮。这主要是来自对mRNA不稳定性、高先天性免疫原性和体内递送效率低下的担忧。此时科研界追求的是基于DNA和蛋白质的治疗方法。

此后的数十年里，许多重大技术创新和资金投入使得mRNA疫苗逐渐成为一个有前景的疫苗平台。与亚单位疫苗、灭活病毒疫苗和减毒活病毒疫苗以及基于DNA的疫苗相比，mRNA疫苗具有几种显著优点：

1、安全性：由于mRNA是一种非感染性、非整合性平台，因此不存在感染或插入突变的潜在风险。此外，mRNA会被正常的细胞过程降解，其体内半衰期可以通过使用各种修饰和递送方法进行调节。还可以下调mRNA的固有免疫原性以进一步提高安全性。

2、有效性：各种修饰使mRNA更加稳定和高度可翻译，通过将mRNA构建到载体分子上，可以在细胞质中快速摄取和表达，从而实现有效体内递送。mRNA是最小的遗传载体，因此，避免了抗载体免疫反应，并且可以重复使用。

3、生产效率高：mRNA疫苗具有快速、廉价和可扩展制造的潜力，主要是由于体外转录反应的高产率。

mRNA 疫苗代表了传统疫苗方法的有前途的替代品，因为它们具有高效力、快速开发的能力以及低成本制造和安全管理的潜力。

基础mRNA疫苗药理学

mRNA，也叫信使RNA，负责传递DNA中储存的遗传信息，指导细胞中蛋白质的合成。而mRNA疫苗就是使用mRNA来指导细胞产生相应的蛋白质，从而预防和治疗疾病。

目前主要有两种类型的RNA作为疫苗：非复制mRNA和病毒来源的自扩增RNA。

传统的基于mRNA的疫苗编码感兴趣的抗原并包含5‘和3’非翻译区，而自扩增RNA不仅编码抗原，还编码病毒复制相关基因，从而实现细胞内RNA扩增和更丰富的蛋白质表达。

裸露的mRNA会在细胞外就被RNA酶迅速降解，难以有效进入细胞内。现在已经开发了多种体外和体内转染试剂，以及RNA修饰，以促进细胞对mRNA的吸收并防止其降解。

一旦mRNA被转移到细胞质中，细胞翻译机制就会产生经过翻译后修饰的蛋白质，从而产生正确折叠的全功能蛋白质。mRNA药理学的这一特征对于需要将胞质或跨膜蛋白递送到正确的细胞区室以进行适当的呈现或功能的疫苗和蛋白质替代疗法特别有利。体外转录的mRNA最终会被正常的生理过程降解，从而降低代谢物毒性的风险。

mRNA翻译和稳定性优化

编码序列侧翼的5‘和3'UTR元件深刻影响mRNA的稳定性和翻译，这两者都是疫苗的关键问题。这些调控序列可以来自病毒或真核基因，并大大增加治疗性mRNA的半衰期和表达水平。

从mRNA高效生产蛋白质需要5’端帽子。可以在使用痘苗病毒加帽酶的转录反应期间或之后添加各种版本的5‘端帽子或通过将合成的帽子或类似物。poly(A) 尾巴在mRNA翻译和稳定性方面也起着重要的调节作用。因此，必须直接从编码DNA模板中合成或使用poly(A) 聚合酶将最佳长度的poly(A) 添加到mRNA中。密码子的使用对蛋白质翻译有影响。用常用同义密码子替换稀有密码子是增加mRNA翻译蛋白水平的常见做法。

尽管可以通过改变密码子组成或通过引入修饰的核苷来提高mRNA翻译蛋白水平，这种方式也可能影响mRNA二级结构、翻译动力学和准确性以及蛋白质折叠等等。所有这些因素都可能影响免疫反应的强度或特异性。

优化mRNA药理学的策略

免疫原性的调节

外源的mRNA具有固有的免疫刺激性，因为它能够被各种细胞表面、内体和胞质先天免疫受体识别。

根据治疗应用的不同，mRNA的这种特征可能是有益的，也可能是有害的。对于疫苗接种来说具有潜在优势，因为在某些情况下，它可以提供佐剂活性来驱动树突状细胞成熟，从而引发强大的T细胞免疫反应和B细胞免疫反应。然而，mRNA的先天免疫感应也与抗原表达的抑制有关，并可能对免疫反应产生负面影响。

有效的体内mRNA递送对于效果至关重要。外源mRNA必须穿透脂质膜的屏障才能到达细胞质并翻译成功能性蛋白质。mRNA摄取机制似乎取决于细胞类型，并且mRNA复合物的特性可以深刻影响细胞递送和器官分布情况。

目前有两大类用于递送mRNA疫苗的基本方法。一类是在体外将mRNA转染到树突状细胞（DCs）中，然后再将转染的树突状细胞输入体内。另一类是在有或没有载体的情况下直接注射mRNA。前者能够精确控制细胞靶标、转染效率等条件，但作为一种细胞疗法，是一种昂贵且劳动密集型疫苗接种方法。而后者直接注射mRNA的方法更快速且更具经济效益。

mRNA疫苗的常用递送方法和载体：a.裸mRNA、b.电穿孔、c.鱼精蛋白、d.阳离子纳米乳液、e.修饰的树枝状纳米颗粒、f.鱼精蛋白脂质体、g.阳离子聚合物、h.阳离子聚合物脂质体、i.多糖颗粒、j.阳离子脂质纳米颗粒、k.阳离子脂质胆固醇纳米颗粒、l.阳离子脂质胆固醇PEG纳米颗粒。

体外转染树突状细胞（DCs）：树突状细胞是免疫系统中最有效的抗原呈递细胞，能够引起适应性免疫反应，还可能会将完整的抗原呈递给B细胞以引发抗体反应。而且树突状细胞也非常适合mRNA转染。由于这些原因，树突状细胞成为体内和体外mRNA疫苗转染的有吸引力的目标。

尽管裸mRNA可以通过内吞作用进入树突状细胞，但电穿孔技术能够提高转染效率。电穿孔的mRNA递送方法因其无需载体分子即可产生高转染效率的能力而受到青睐。然后将已转染mRNA的树突状细胞重新输入体内以启动免疫反应。大多数体外转染mRNA的 树突状细胞疫苗主要引起细胞介导的免疫反应，因此它们主要用于治疗癌症。

体内注射裸mRNA：裸mRNA已成功用于体内免疫，特别是在优先靶向抗原呈递细胞的形式中，如皮内和结内注射。有研究表明，使用编码肿瘤相关新抗原的裸露、未修饰的 mRNA进行重复结内免疫注射可产生强大的T细胞反应并增加无进展生存期。

体内物理递送：为了提高体内mRNA摄取的效率，有研究使用物理方法来穿透细胞膜。例如使用基因枪的方法，将金纳米颗粒与mRNA复合后进行注射。近年来，该领域更倾向于使用脂质纳米颗粒或聚合物纳米颗粒进行递送。

基于阳离子脂质和聚合物的递送：在过去几年中，阳离子脂质和聚合物已成为广泛使用的mRNA递送工具。这受益于对小干扰RNA（siRNA）体内递送的研究。脂质纳米颗粒（LNP）已成为最具吸引力和最常用的mRNA递送工具之一。LNP通常由四种成分组成：一种可电离的阳离子脂质，它促进自组装成病毒大小的颗粒（直径约100纳米），并允许内体将mRNA释放到细胞质中；脂联聚乙二醇（PEG），可延长制剂的半衰期；胆固醇，作为稳定剂；和天然存在的磷脂，以支撑脂质双层结构。目前已上市的两款mRNA疫苗均使用脂质纳米颗粒（LNP）作为递送载体。

开发针对传染性病原体的预防性或治疗性疫苗是控制和预防流行病的最有效手段。然而，传统疫苗方法在很大程度上未能生产针对引起慢性或反复感染的具有挑战性的病毒的有效疫苗，例如HIV-1、单纯疱疹病毒和呼吸道合胞病毒（RSV）。

此外，像2014-2016年埃博拉和寨卡病毒暴发所表明的那样，基于传统疫苗的商业疫苗开发和批准的缓慢速度不足以应对迅速出现的急性病毒性疾病。因此，开发更有效、更快速、更通用的疫苗平台至关重要。

mRNA可以分为两种主要类型：非复制mRNA疫苗和自扩增mRNA疫苗。其中非复制mRNA疫苗还可以根据递送载体分为两类：体外转染树突状细胞类型和体内直接注射类型。

直接注射非复制性mRNA疫苗

直接注射、非复制性mRNA疫苗是一种有吸引力的疫苗形式，因为它们简单、经济，特别是在资源有限的环境中。目前已有两款mRNA疫苗获得FDA批准上市，分别来自Moderna和BioNTech，均用于预防新冠病毒（SARS-CoV-2）感染。此外，针对HIV-1、寨卡病毒、流感病毒、呼吸道合胞病毒（RSV）的mRNA也已经开展了人体临床试验。这些均为直接注射非复制性mRNA疫苗。

自扩增mRNA疫苗

相比直接注射非复制性mRNA疫苗，自扩增mRNA疫苗在mRNA序列中加入了可复制序列，在进入细胞内后可以像病毒一样，能够利用宿主细胞进行自我复制，从而在极低注射剂量的情况下，实现抗原的高表达，达到产生较强免疫反应的能力。自扩增mRNA疫苗于2021年7月发布了针对新冠病毒的1期临床试验结果，该疫苗可在87%的接种者体内产生保护性免疫反应，即使注射剂量远低于非复制性mRNA疫苗。而且，没有观察到短期内的安全问题。

非复制性mRNA疫苗与自扩增mRNA疫苗的比较

树突状细胞mRNA疫苗

这种mRNA疫苗是在体外将mRNA转染到树突状细胞，使用这种方法开发的传染病疫苗主要限于HIV-1治疗性疫苗：接受高效抗逆转录病毒治疗的HIV-1感染者用自体树突状细胞治疗，这些树突状细胞用编码各种HIV-1抗原的mRNA电穿孔转染，临床试验显示这种疫苗是安全的，并引发了抗原特异性CD4+和CD8+T细胞反应，但没有观察到临床益处。

癌症疫苗和其他免疫疗法代表了治疗恶性肿瘤的有希望的新策略。癌症疫苗是利用肿瘤抗原诱导机体自身的免疫反应对肿瘤细胞进行特异性杀伤。由于机体的免疫反应具有系统性和全身性的特点，这种疗法不仅可以对术后残留的肿瘤病灶进行特异性杀伤，也能有效作用于远端转移的细胞，相比于其他治疗方法作用范围更特异且广泛。

树突状细胞mRNA癌症疫苗

自1996年首次报道了用电穿孔转染mRNA的树突状细胞可以引发针对肿瘤抗原的有效免疫反应后，许多研究和临床试验证实了这种方法的可行性和有效性。目前已经在转移性前列腺癌、转移性肺癌、肾细胞癌、脑癌、黑色素瘤、急性髓细胞白血病、胰腺癌等多种癌症中验证了这种疫苗的潜力。此外，还有多项临床试验显示，树突状细胞mRNA癌症疫苗与传统化疗药物或免疫检查点抑制剂联用具有有希望的改善效果。

直接注射的mRNA癌症疫苗

mRNA疫苗的给药途径和递送方式可以极大地影响结果。目前已经使用常见的递送途径（皮内、肌肉内、皮下或鼻内）和一些非常规疫苗接种途径（结内、静脉内、脾内或瘤内）开发了多种mRNA癌症疫苗形式。

一些临床前研究表明，将mRNA癌症与辅助疗法（如传统化疗、放疗和免疫检查点抑制剂）相结合，增加了mRNA癌症疫苗接种的有益结果。

总的来说，mRNA 癌症疫苗已被证明对人类具有免疫原性，进一步改进疫苗接种方法可能需要获得更大的临床益处。

对直接注射mRNA癌症疫苗有效性的思考

随着mRNA疫苗的获批上市，mRNA领域开始火热起来，但目前已上市的两款mRNA疫苗需要在-20℃甚至-70℃温度下保存，这远低于传统疫苗的保存温度。因此，还需要继续努力开发在更高温度下稳定且更适合疫苗分发的制剂。

现代预防性疫苗对安全性的要求极为严格，因为这些疫苗是针对健康个体进行的。随着两款新冠mRNA疫苗的广泛接种，表明mRNA是相对安全的疫苗形式，但一些罕见的副作用如心肌炎、面瘫等等，也应引起关注和进一步研究。

mRNA疫苗具有多种显著优势，mRNA疫苗能够模拟病毒的天然感染过程来激活免疫系统，可激发潜在更强力的免疫反应；多个mRNA可以被包装在同一款疫苗中，提高疫苗的适用性；mRNA疫苗的发现和生产与蛋白疫苗相比更为迅速，对突发流行性感染可以更快作出反应；不同的mRNA疫苗可以使用同一生产步骤和设施。

这些独特的优势，让mRNA疫苗以极为惊人的速度迅速发展，目前不仅有多种新冠 mRNA疫苗，针对狂犬病、寨卡病毒等传染病，以及癌症、自身免疫病、罕见遗传病的mRNA疫苗都在研究之中。

论文链接：

1. https://www.nature.com/articles/nrd.2017.243

2. https://doi.org/10.1016/j.immuni.2005.06.008