揭秘!mRNA疫苗成功上市,是偶然还是必然?

2021
08/30

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生物世界
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mRNA疫苗,看似横空出世,但绝非偶然,而是30年研发积淀的必然事件。

来源 | 医学界

新冠病毒德尔塔变异株的出现,造成全球疫情复燃。其更高的传播性与致病性让“现有疫苗是否能防范变异病毒“成为大众关心的热点,mRNA疫苗也一跃成为话题焦点。高保护效力、良好的安全性和耐受性、强大的免疫原性以及更快的生产速度,使得mRNA疫苗从不同疫苗技术路线中脱颖而出。


一、mRNA疫苗,看似横空出世,但绝非偶然,而是30年研发积淀的必然事件


全球新冠疫苗研发的赛道中,mRNA疫苗是首批进入临床试验的先锋之一。2020年12月,美国食品药品监督管理局(FDA)授权一款基于mRNA技术研制的新型冠状病毒疫苗(BNT162b2 mRNA疫苗)的紧急使用许可,这也是史上首款正式上市的人用mRNA疫苗[1]


看似横空出世的创新技术绝不是“新生事物”,因为早在20世纪60年代,科学家们已经提出mRNA概念,mRNA技术的理想蓝图也就此展开。1990年,科学家将体外转录(IVT)的mRNA直接注射至小鼠骨骼肌细胞中,通过检测发现其在注射的肌肉中表达活性。这一发现成为mRNA体内表达首次成功的尝试,也证明了mRNA疫苗的可行性[2]


此后经过30年的研究发展,mRNA疫苗在预防性传染病疫苗和治疗性肿瘤疫苗领域开展了多个临床研究并取得初步成效。2017年,美因茨大学团队为黑色素瘤患者研发出含有多种肿瘤新抗原的个性化mRNA疫苗,13例受试者中8例受试者得到有效治疗且1年内没有复发[3],这一巨大临床进展使mRNA疫苗受到各大研究机构青睐。


mRNA技术和基于mRNA的药物应用的发现与进展时间表[2]

二、mRNA疫苗突破传统疫苗的免疫激活通路,双重免疫机制带来强大免疫原性


mRNA疫苗作为一种通过体外转录构建的核酸疫苗,可将病毒无害的小片段呈现给免疫细胞“学习”并“演练”如何识别和攻击病毒,在下次“真枪实战”时可快速产生特异性免疫反应,从而防止病毒在人体复制和传播。


mRNA通过特定的递送系统进入人体细胞后,利用人体自身细胞翻译mRNA为蛋白质,蛋白质表达成为病毒所具有的某种抗原蛋白被抗原呈递细胞(APC)识别为外来抗原,驱动树突状细胞(DC)成熟,进而激活B细胞和T细胞产生强烈的免疫答应,引起体液和细胞双重免疫反应[2,4-5]


mRNA疫苗突破了传统疫苗的免疫激活模式,创新性地利用人体自身细胞生产抗原,以此激活双重特异性免疫,形成免疫记忆,提供更持久的特异性免疫。目前传统疫苗可引起多种病原体的体液免疫,但少有报道可诱导细胞免疫,而细胞免疫在清除被病毒感染的细胞中必不可少。


mRNA疫苗作用机制图示[6]

三、mRNA疫苗具备诸多优势,在传染病大流行时大显身手

具有“自我佐剂”的特点,表现更强的免疫原性

mRNA疫苗的免疫原性使得其具有强而持久的适应性免疫答应,延长抗原在体内留存时长,加强免疫记忆。而传统疫苗需要额外的佐剂才能达到相似的效果[2]

在体内表达mRNA可避免来自病毒和蛋白质等外源因子的污染。且通过修饰mRNA序列和递送系统,可以有效调控mRNA的表达性和体内半衰期[2],达到高效免疫原性的同时具有长效持续性。

不需要病毒和特有的抗原表达,更具安全性

传统疫苗在生产过程中需培养大量病毒,具有潜在风险。而mRNA疫苗生产时不需要病毒,仅在基因测序和疫苗测试时需要少量病毒[1]

mRNA疫苗只在细胞质内表达抗原,并不进入细胞核内,可更有效表达靶蛋白的同时不会造成插入DNA引起基因突变的风险[2]

不同于基于病毒载体疫苗,mRNA疫苗仅有短暂活性,可瞬时表达,通过人体自然代谢和消除,人体不会对mRNA疫苗产生免疫力[2]

相比于传统疫苗,生产周期更短

传统疫苗生产时间可能需要数月之久,且生产过程复杂。传统疫苗依赖细胞培养技术,多数在鸡胚或哺乳动物细胞中生长的病毒制成。收集病毒、使其适应在实验室中生长、并将其运往世界各地的过程复杂且需要数月,这些步骤会制约研制新疫苗的速度[1]

mRNA疫苗生产周期短。mRNA疫苗是由实验室中的DNA模板制成。DNA序列可由计算机合成,通过计算机瞬间发送到世界各地。生产一批实验用mRNA疫苗仅需一周[1-2]

生产更具灵活性

传统疫苗每一种新疫苗都需要定制生产过程,包括复杂的纯化和测试等[1],而mRNA疫苗生产过程可标准化。由于mRNA疫苗的生产和纯化过程非常相似,因此有可能保留甚至标准化,以开发其他类似的mRNA疫苗,降低研发成本[2]

因此,在应对突发传染病时,mRNA疫苗可以大规模、短时间完成研发和生产。

四、递送系统是mRNA疫苗研发的重要技术壁垒之一,攻坚冻干技术使mRNA疫苗储存和配送更便利

mRNA递送系统最大的职责是有效包裹mRNA,保护其不被降解并顺利进入细胞内。进入细胞质中的mRNA疫苗被释放,随后在核糖体被翻译成蛋白,也就是抗原。

mRNA递送技术是mRNA疫苗研发的难题,构成mRNA疫苗研发厂家技术壁垒

1)mRNA不能自由扩散进入细胞膜:mRNA分子量较大,只有小于1,000Da的分子可以在细胞膜上被动扩散[2]

2)mRNA易被快速降解:血液和组织中无处不在的RNA酶是mRNA进入细胞的重要障碍,mRNA极有可能在进入细胞之前被快速降解[2]

3)mRNA和细胞膜都带负电荷:mRNA需要穿过带负电荷的磷脂双分子层结构的细胞膜才可进入细胞内部[7]

mRNA疫苗的专利网错综复杂,拥有LNP专利的厂商极少,专利纠纷成为mRNA疫苗开发的一大掣肘

mRNA疫苗的基础技术是多由学术实验或初创研究公司发明,拥有专利保护,然后授权给更大的医药企业进行进一步开发和商业化,最终转化为市场产品[8]

mRNA新冠疫苗专利关系网[8]
注:UBC,不列颠哥伦比亚大学;Upenn,宾夕法尼亚大学;NIH,美国国立卫生研究院

目前,已开发多种递送载体,包括树突状细胞(DC)、鱼精蛋白、阳离子脂质体、脂质纳米颗粒(LNP)[1]。目前全球mRNA新冠疫苗研发领域的巨头企业均采用LNP递送技术,而LNP专利来源于Arbutus生物公司。Arbutus又将其部分LNP专利租借给另外两家公司Acuitas和Genevant,这两家公司分别是Moderna和BioNTech的LNP专利来源[8]


2012年至今,各大厂商关于 LNP专利授权开启过一轮又一轮的法律斗争[8],但相较于其他载体,LNP是mRNA疫苗递送的最佳选择之一,因此厂商对LNP技术的掌握以及是否拥有相关专利成为了业内竞争中极其重要的一环。


严苛的储存和配送条件,促进冻干技术的研发


LNP在帮助mRNA进入细胞,影响蛋白抗原表达和免疫原性以及安全性外,也影响着mRNA在储存期间的稳定性[1,9]


实验室中大多数mRNA-LNP在4℃下可保持数天稳定,但随后会出现尺寸增大和生物活性逐渐丧失。迄今为止,Moderna疫苗和BioNTech疫苗采取冷冻的方式确保mRNA-LNP疫苗的稳定性。但严苛的储存条件并不便于储存和配送,冻干技术成解决LNP长期储存的新方案,在mRNA疫苗冻干前向LNP溶液中添加海藻糖或蔗糖有助于室温储存和在水性缓冲液中重构,且不会降低递送效力[9]


mRNA新冠疫苗研发情况 [9-11]

*解冻疫苗必须在其原始的西林瓶中稀释,加入0.9 %氯化钠注射液1.8 mL

五、LNP是目前最具潜力的脂质纳米颗粒递送系统


脂质纳米颗粒的递送机制主要是通过阳离子脂质体与带负电荷的mRNA结合,形成粒径小于200 nm的复合物,被细胞内吞。脂质体递送系统常用载体包括脂质体复合物(LP) 、脂质体聚合物(LPR)、脂质纳米颗粒(LNP)、阳离子纳米乳(CNE)[2]


LNP是最先进的传递系统之一,用于不同疾病临床试验


LNP是由阳离子脂质、辅助磷脂、胆固醇和聚乙二醇(PEG)组成的稳定颗粒,阳离子脂质促进mRNA自主聚集,形成100 nm颗粒,并通过电离释放细胞质中mRNA,辅助磷脂支持纳米颗粒形成脂质双层结构,胆固醇作为稳定剂增加LNP的稳定性,PEG可延长LNP复合物的半衰期。在LNP核中携带mRNA并保护mRNA不被降解,同时LNP的亲脂性可以使颗粒和人体细胞膜融合,递送mRNA进入机体细胞内[2]


LNP各组分的比例


BioNTech和Moderna上市疫苗成分对比


LNP在早期研究中被用作短干扰RNA(siRNA)递进系统,被证明安全有效[12],现已应用于mRNA递送过程。利用LNP递送自扩增RNA疫苗,使小鼠mRNA表达水平明显高于裸mRNA,也有效诱导CD4+、CD8+ T细胞免疫应答。在不同的给药策略下,mRNA-LNP引起的免疫刺激区域可能不同,可以实现不同疾病的靶向治疗需要[13]


已获批使用的mRNA新冠疫苗具有良好的免疫原性和安全性


新冠疫苗已陆续上市,从已公开的临床数据来说,mRNA新冠疫苗具有较高的保护力和安全性。BioNTech疫苗作为mRNA疫苗,是首款获得FDA正式批准的新冠疫苗,也是全球首个正式获批拥有完整3期临床数据的新冠疫苗,包括3期长期随访数据14。目前,BioNTech已向全球120个国家或地区提供了超过12亿剂的mRNA新冠疫苗,其预防新冠感染有效率为95%,接种6个月后疫苗有效力仍有91%。接种第一剂次或第二剂次后可引起轻到中度不良反应[15-16]


BNT162b2疫苗接种6个月后在不同国家的保护效力 [16]


新冠疫情暴发后,mRNA疫苗屡创新纪录,成功“出道“,首个进入临床试验的疫苗和首个基于mRNA技术的上市疫苗,取得了令人瞩目的科学成就。mRNA技术应对新发传染病及未知抗原时的巨大优势和应用前景,也为全球的疫情防控带来一线曙光。基于mRNA技术的时代已经到来,有望在将来为更多领域提供新的治疗方法。


参考文献:  
[1]https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-takes-key-action-fight-against-covid-19-issuing-emergency-use-authorization-first-covid-19, Accessed in Aug, 2021  
[2]Xu S, et al. Int J Mol Sci 2020,21(18):6582  
[3]Sahin U, et al. Nature 2017,547(7662):222-226  
[4]吴爽, 等. 基于平台技术的mRNA疫苗非临床评价的考虑. 中国生物制品杂志 2020,33(10):1214-1216  
[5]Reichmuth AM, et al. Ther Deliv 2016;7(5):319-34  
[6]https://biontech.de/covid-19-portal/mrna-vaccines, Accessed in Aug, 2021  
[7]胡瞬, 等. mRNA疫苗的开发及临床研究进展. 中国生物工程杂志 2019,39(11):105-112  
[8]Gaviria M, et al. Nat Biotechnol 2021,39(5):546-548  
[9]Crommelin DJA, et al. J Pharm Sci. 2021,110(3):997-1001  
[10]Buschmann MD, et al. Vaccines (Basel) 2021,9(1):65  
[11]Zhang NN, et al. Cell 2020,182(5):1271-1283  
[12]Jayaraman M, et al. Angew Chem Int Ed Engl 2012,51(34):8529-8533  
[13]Geall AJ, et al. Proc Natl Acad Sci U S A 2012,109(36):14604-1469  
[14]https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-first-covid-19-vaccine, Accessed in Aug, 2021  
[15]Polack FP, et al. N Engl J Med 2020,383(27):2603-2615  
[16]Thomas SJ, Moreira Jr. ED, Kitchin N, et al. Six Month Safety and Efficacy of the BNT162b2 mRNA COVID-19 Vaccine. medRxiv, 2021 July 28. DOI: org/10.1101/2021.07.28.21261159.  


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关键词:
mRNA,新冠疫苗,上市,脂质,抗原

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