国产mRNA疫苗龙头渐起,两大核心技术值得关注!

2021
09/27

+
分享
评论
生物世界
A-
A+

目前,国内暂无 mRNA 疫苗获批上市,这一市场仍处于空白状态。国内市场中,mRNA 疫苗研发进展最快的是艾博生物沃森生物军科院共同研发的 ARCoV,以及复星医药从 BioNTech 引进的 BNT162b2等。


在第二轮新冠疫苗需求到来之际,国产mRNA 疫苗的竞争将会打响。两大核心技术是序列设计递送系统


mRNA 疫苗与灭活疫苗各有优势,但不可否认的是 mRNA 疫苗借着新冠疫情的契机已经展示了自己的临床潜力,并且在研发和生产上也具有独特的优势。


mRNA 疫苗原理


  • 治疗原理:“巧”用自身细胞加强特异性免疫


DNA 本身无法直接对人体产生影响,各类蛋白质才是能够左右表象的物质。


mRNA 是 DNA 转化为蛋白质的中间体。mRNA 类似于说明书,能够指导自身细胞生产出特定的蛋白,但是 mRNA 的改变不会被分裂产生的新细胞继承,也不会遗传至下一代个体中。蛋白则是最终生产得到的工具,对生物个体的各项指标直接产生作用。这一条转录转译链被称为生物学“中心法则”。


mRNA 疫苗利用了两步表达的机理,使疫苗在不改变 DNA 序列的同时,为人体免疫系统的激活提供更准确的抗原蛋白以及更持久的抗原体内留存时间, 使被激活的特异性免疫更精准,同时免疫效果得到巩固。


mRNA 疫苗中的 mRNA 片段编码新冠病毒表面的某些蛋白或受体。


疫苗递送人工编辑后的 mRNA 进入人体细胞,在体内“借用”人体自身细胞转译 mRNA 为蛋白质。此类 mRNA 在经过转译后会表达成为病毒所具有的某种抗原蛋白。虽然产生的抗原是由自身细胞制造,但由于其氨基酸序列具有外源性,APC 中的 TLR 并不识别此段序列,因此仍旧会激发 B 细胞和 T 细胞针对此抗原蛋白的特异性免疫反应,并建立免疫记忆。



  • LNP 递送系统:递送疫苗有效物质进入预定轨道的运载火箭


mRNA 疫苗要发挥作用,必须先将编辑好的 mRNA 转递进细胞质中。


mRNA 作为大分子,在不破坏细胞膜的前提下,进出细胞只能以内含体通过胞吞作用。为保证 mRNA 在转译前保持完整性,mRNA 需要在内含体与溶酶体结合前打破内含体包膜并逃离。逃离内含体进入细胞质后,mRNA 便会在细胞质内游动,直至到达核糖体并在此转译为肽链,最终折叠成为蛋白质。


对于 mRNA 疫苗和药物,递送系统有两大职责:一是有效包裹和保护 mRNA 在到达靶点前维持稳定, 二是帮助 mRNA 有效成分进入细胞,三是在 mRNA 到达溶酶体前将其释放进入细胞质中。


LNP 是目前最具潜力的递送载体之一。LNP是脂质微粒的总称,其中又包括脂质胶团、脂质体等。LNP 与细胞膜的组成成分相似,均由脂质分子构成。脂质分子的两条长尾通常呈平行状态,脂质形成的双分子层稳定。在进入细胞质酸性环境后, 部分脂质的头部质子化,呈现阳离子形态,与其他阴性离子态的脂质分子相吸引,尾部张开。原本双分子层的形式被破坏,形成头部聚集在一起的环状。之前包裹在内的 mRNA 便可逃逸出内含体, 进入细胞质等待转译。


为了提高载体对包裹成分的保护能力,通过在载体外部连接 PEG 可以进一步增强载体的稳定性。




mRNA疫苗优劣势分析


  • mRNA 疫苗 vs. 灭活疫苗:具有明显的免疫保护力优势  


mRNA 是将编码病毒抗原的 mRNA 注入体内,由人体自身细胞产生对应的抗原,以此激活特异性免疫。


mRNA 疫苗能够呈现更多的抗原,同时能更持久地激活巩固特异性免疫。原因在于mRNA 疫苗抗原呈递的过程是可短暂持续的,呈递的 mRNA 可指导多个核糖体产生抗原蛋白,直至 mRNA 降解。


由于细胞能够不断根据 mRNA 生产抗原蛋 白,因此抗原数量受疫苗剂量所限制较小,从时间维度上看,抗原不会在短时间内迅速被消耗完毕。抗原数量水平越高、保持时长越长,形成的特异性免疫记忆越强烈,免疫应答更快、持续时间越长。


  • mRNA 疫苗 vs. DNA 疫苗:更高效,逆转录风险较小  


mRNA 疫苗更有效也更安全。


DNA 疫苗需要将包裹的有效成分递送通过多层屏障导致有效成分难以进入反应场所,免疫激活更难。mRNA 疫苗导入的外源物质不需进入细胞核,发生外源遗传片段逆转录进入人体自身 DNA 的概率 较小,因此引起肿瘤癌症的概率极小。


  • mRNA 疫苗 vs. 病毒载体疫苗:适用人群覆盖全面,逆转录风险较小,机会成本更低  


LNP 为递送 mRNA 片段到达靶点、定点释放提供了支持。


另一大受到较高关注度的载体平台是病毒载体平台,常见的类别有腺病毒、腺相关病毒、慢病毒。病毒载体反应的一大缺陷是,若接种者本身体内 含有针对此病毒载体的抗体,或在短时间内快速产生了抗体,则病毒载体疫苗无法将有效成分递送进入预定的细胞质内。


相比之下,LNP 的结构由脂质分子构成,载体引起免疫反应的几率较小,能够更有效地递送有效成分至目标靶点。病毒载体疫苗具有更高的机会成本。当人体接受病毒载体疫苗注射后,体内会自动产生针对此载体的抗体和其他特异免疫反应。此后再次运用相同或相似病毒载体作为递送系统给药时,会更容易遭到免疫系统的攻击,难以成功将药物递送至靶点。



mRNA疫苗生产流程


  • 第一步:DNA 质粒制备  


mRNA 疫苗的生产可分为三大阶段,一是 DNA 原液制备,二是 mRNA 原液的制备,三是利用脂质微粒进行包封。


原液制备开始于质粒构建。通常使用的 DNA 质粒为环状质粒,质粒上含有设计好的序列模块。利用电流打破细胞膜,并将环状 DNA 质粒引入大肠杆菌。大肠杆菌被储藏于含有大量营养物质的溶液中进行繁殖扩增。提取并纯化 DNA 质粒,过滤溶液,去除细菌及其他物质。利用酶将纯化后的环状 DNA 质粒切割为链状。将所得溶液分装冷藏,通过质量控制环节,并运送至下一阶段的生产加工场所。



  • 第二步:体外转录  


第二阶段的目的是将 DNA 链转化为 mRNA。上一步制备得到的 DNA 链与酶和核苷酸混合在 10 加仑容量的容器中,RNA 聚合酶会将 DNA 转录为 mRNA。得到 mRNA 后,DNA 以及其他物质将被滤除,mRNA 被装进购物袋大小的塑料包装中,每袋含有约 500 万到 1000 万剂次的 mRNA 原料。


  • 第三步:递送系统装载  


第三阶段的流程目的是将 mRNA 包裹进脂质载体(LNP)中。脂质悬浮于酒精溶液中,与 mRNA 接触并将其包裹,两种物质通过相反电荷相吸引。之后,原液经过切向流过滤(TFF)滤除溶液中多余的脂质、酒精等杂质,并制成最终的 mRNA 疫苗溶液。此阶段是 mRNA 疫苗生产的最大瓶颈之一,其中一个重要原因是市场上提供脂质的厂商有限,因此辉瑞已开始自主研发制造脂质。


  • 第四步:灌装检验  


在上述三个生产阶段都完成后,mRNA 疫苗原液已完成,只待灌装分发。随后,经过 2 周的纯净度检测及其他安全性检测,疫苗便能销往世界各地。以上所有生产灌装环节耗时约 64 天。




mRNA疫苗两大核心竞争力


mRNA疫苗对于需求端相较于其他技术路径疫苗的优势与不足,可以确定的是mRNA 在需求端的吸引力正在不断上升。在供给端决定 mRNA 疫苗竞争格局的要点与瓶颈集中在两大因素上:mRNA 序列结构和疫苗递送系统。


  • mRNA 序列结构决定抗原蛋白结构、免疫原性及稳定性  


疫苗产生的抗原蛋白的序列以及稳定性决定了其激活的特异免疫的精确性和活性。而抗原蛋白的序列和结构则由 mRNA 序列影响和控制。mRNA 序列决定了疫苗的质量,也是 mRNA 疫苗厂商的核心竞争力之一。


编码区域决定了蛋白质中的氨基酸序列。部分密码子组合会转译成同一种氨基酸,但在不同生物族群中,会存在对某一密码子组的偏好,此密码子组合的免疫原性较小,不易遭到酶类的攻击,而它的同义密码子则可能引起过敏反应并且导致质量下降。因此 CAA 相较而言更有可能触发免疫反应。


因此,mRNA 疫苗需要选择最接近人源性的同义密码子,规避可能引起过敏反应的组合以保证安全性和转译质量。非转译区则调控 mRNA 和 蛋白质的稳定性以及表达效率。


mRNA 序列是疫苗研发中的重点,也是行业内竞争的核心。除了含有抗原蛋白编码外,序列其他部分也直接影响 mRNA 疫苗的质量。


编码前后的非转译区负责调控转译以及蛋白表达,对 mRNA 的转译效率、半衰期、最高表达 水平等数值有影响。UTR 中的 GC 水平、U 水平均会影响 mRNA 的免疫原性,对疫苗的安全性和能否正常产生抗原造成影响。UTR 需要在 DNA 质粒建立时包含在序列中,属于序列设计的一部分。


多聚 A 尾能够提高 mRNA 的稳定性和转译效率。腺苷能够降低核糖核酸酶的效率,以此减缓 mRNA 的降解速度。多聚 A 尾可在建立 DNA 质粒时直接包含于编码中,也可在 DNA 转录为 mRNA 后通过聚合酶添加于 mRNA 尾部。


位于 mRNA 最前端的 5’帽结构对于降低 mRNA 免疫原性,增强稳定性和翻译效率有正面影响。在体外转录过程中,mRNA5’ 端会含有三磷酸盐部分,具有很强的免疫原性。加帽过程可在 DNA 转录为 mRNA 的生产过程中或过程后进行,利用抗反向帽类似物将 5’帽结构按正确方向固定在 mRNA 的 5’端。但是此过程不能保证三磷酸盐完全被去除,所以仍旧存在引起细胞内免疫反应的风险,因此加帽工艺对疫苗的安全性有直接影响。




  • 递送系统是目前产能扩张的瓶颈  


作为 mRNA 疫苗的传递介质的一大难点是 mRNA 以内含 体的形式进入细胞质后,需要打破内含体包膜,释放 mRNA。目前 LNP 供应商较少,且其中专利纠纷因此成为 mRNA 新冠疫苗快速放量的一大掣肘。


LNP 专利成为 mRNA 疫苗行业商业权利的主要纷争来源


BioNTech 和 Moderna 的新冠疫苗中的 LNP 技术专利全部来自 Arbutus,Moderna 在新冠疫苗中使用的 LNP 技术大概率不包含在 Acuitas 被许可再授权的 4 个项目中。


在其他载体均有明显劣势的情况下,LNP 是 mRNA 疫苗递送的最佳选择之一。因此,各厂商对 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。LNP 技术专利决定了 mRNA 疫苗企业在业内竞争中的地位。



本文由“健康号”用户上传、授权发布,以上内容(含文字、图片、视频)不代表健康界立场。“健康号”系信息发布平台,仅提供信息存储服务,如有转载、侵权等任何问题,请联系健康界(jkh@hmkx.cn)处理。
关键词:
mRNA,DNA,疫苗,抗原,蛋白,质粒

人点赞

收藏

人收藏

打赏

打赏

我有话说

0条评论

0/500

评论字数超出限制

表情
评论

为你推荐

推荐课程


社群

精彩视频

您的申请提交成功

确定 取消
剩余5
×

打赏金额

认可我就打赏我~

1元 5元 10元 20元 50元 其它

打赏

打赏作者

认可我就打赏我~

×

扫描二维码

立即打赏给Ta吧!

温馨提示:仅支持微信支付!