新冠病毒疫苗群雄逐鹿,mRNA疫苗如何脱颖而出?

2021
10/18

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预防界.
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2020年底新冠疫苗陆续上市,全球疫情得到有效控制。然而近期国内外均出现疫情复燃的现象,以色列自8月起新增病例突然翻倍暴涨,感染高峰期可达到每天超过8,000例1,我国自5月起广州、南京、莆田等地区出现疫情局部爆发,截至9月24日,现有2,663例确诊病例2。与此同时,全球调查数据显示3,Delta变异株在多国,其中包括中国病毒检测比例中已达100%,这一切都与新冠病毒的特性密切相关。


新冠病毒拥有独特的结构特征,易于突变的它还在不断变化


RNA病毒“高变异重组性”决定其“善变”的特性。新冠病毒是一种正义单链RNA病毒,稳定性差。当基因在复制过程中发生错误,RNA病毒缺乏修正错误的聚合酶,复制错误会保留下来,这使得病毒发生毒株改变4。RNA病毒有时还会出现基因片段重组的情况,产生新的变异株5,因为这些特征,新冠病毒特别容易发生突变。


新冠病毒上面有刺突蛋白(S蛋白)、包膜蛋白(E蛋白)、膜蛋白(M蛋白)和核壳蛋白(N蛋白)四种主要的结构蛋白 6。其中S蛋白是新冠病毒非常重要的表面蛋白。S蛋白包含S1、S2和受体结合域(RBD),其通过RBD与受体血管紧张素转化酶2(ACE2)结合进而感染人体细胞6


S蛋白与病毒的传染能力密切相关。S蛋白像“链锤”可以在病毒表面自由摆动,“上端粗、下端细”的特性帮助病毒灵活“抓住”细胞表面,方便和单个甚至多个受体结合入侵细胞,感染人体,这也可能是它高传染性的原因之一6。相关研究数据也证实,新冠病毒原始毒株的基本传染数(R0)值约为2.0~3.5之间7,Delta变异株的R0值为5~8之间8,传染能力比当年的SARS病毒9(R0:1.7~1.9)强得多。


S蛋白与病毒的致病能力密切相关。研究人员分析S蛋白与ACE2的亲和力,发现新冠状病毒的S蛋白与ACE2的结合能力更强,是SARS病毒的10~20倍10。ACE2与新冠病毒的S蛋白结合,会影响其表达组织或器官,包括肺、心脏、食管、回肠、肝脏、脾脏、睾丸等11,这也可能是它致病性强的原因之一。


图1:新冠病毒的分子结构


S蛋白与病毒的免疫逃逸能力密切相关。如果把S蛋白比喻成一把伞,RBD可自由切换状态,RBD立起,即为伞打开被称为“向上”,亮出武器,感染细胞。当RBD平置,即为伞闭合被称为“向下”,就像收起兵器,以免被免疫系统识别。然而97%的S蛋白都 “向下”,这可能是它不易被抗体及药物等击败的原因之一6


新冠病毒是RNA病毒,突变率较高,而且由于S蛋白的在病毒感染细胞方面的重要作用,新冠病毒的大量突变就集中在它的刺突膜粒蛋白编码基因上。截止2021年9月21日,国家生物信息中心收录的新冠病毒序列中,S蛋白共有3697个位点发生突变其中引起氨基酸变化的突变共2734个,位于RBD的氨基酸407个,其中在已报导蛋白互作中关键的17个氨基酸中发生非同义突变的氨基酸41个12。截止2021年9月21日,已有193个国家报告了Alpha变异病例,142个国家报告了Beta变异病例,96个国家报告了Gamma变异病例,185个国家报告了Delta变异病例13


S蛋白是疫苗关键,针对S蛋白(或RBD结构)构建并建立主动免疫的新冠疫苗是防治新冠疫情的利器。


mRNA疫苗精准抓住抗原位点,诱导中和抗体,建立双重免疫


新冠疫苗研发涉及多个技术平台,mRNA疫苗在此次新冠疫情防治中崭露头角。那么,mRNA疫苗到底是何方神圣?让我们一睹真容。


mRNA是中心法则中的一种中间遗传物质,是生命源头的第一分子,是DNA转化为蛋白中间的“信鸽“,可被人工加工合成,编辑成人们想要的mRNA分子特性,短暂的输入目的蛋白信息14-15


mRNA疫苗虽然刚出现在大众视野,但早在20世纪60年代,Brenner等人已发现mRNA,1989年,科学家们提出基于mRNA的药物的概念。随后,1990年Wolff等人进行了开创性实验,将体外转录的信使RNA—mRNA注射入小鼠体内,通过检测发现其可在小鼠体内表达活性。实验的成功证明了mRNA疫苗研发的可行性。此后的30年,科学家们开展了多个关于mRNA机制和基于mRNA药物的临床研究,如流感、狂犬、个性化肿瘤等,在预防性传染病和治疗性肿瘤疫苗领域取得长足进步14。近日,mRNA疫苗两位先驱荣获被称为诺贝尔奖“风向标”的拉斯克奖16,表彰了他们发现基于mRNA修饰的新治疗技术,让高效新冠疫苗的快速开发成为可能,也昭示着mRNA疫苗在新冠疫情中出演了关键角色。


图2:mRNA疫苗基本结构


mRNA疫苗是一种通过IVT构建的核酸疫苗,例如新冠mRNA疫苗,就是在体外合成编码新冠病毒表面的S蛋白的基因序列,然后将人工编辑后无害的mRNA片段注入体内,利用人体自身细胞翻译mRNA为S蛋白,S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细胞产生免疫答应,引起体液和细胞双重免疫反应诱导机体,从而防止新冠病毒在人体复制和传播14,17


mRNA疫苗不同于其他技术路线的疫苗,是利用自身细胞产生抗原,激活双重特异性免疫,形成免疫记忆,提供更持久地特异性免疫。多项研究结果也证实18-19,mRNA疫苗可诱导B细胞和T细胞响应,免疫反应既强烈又持久。研究人员在接种1剂mRNA疫苗4个月后的受试者淋巴结中仍可观察到生发中心(GCs)分泌出针对新冠病毒的免疫B细胞。作者表示,接种mRNA疫苗第2剂一周后产生的特异性反应达到了最高水平,以对抗新冠病毒以及变异毒株,特别是在之前感染过新冠病毒的受试者中产生了强大的血清学反应18。另一项针对T细胞反应的研究表明,即使面对beta变异株和Delta变异株,mRNA疫苗产生的大多数CD4+T细胞也可识别外来抗原,产生免疫反应19


面对“善变“的新冠病毒,与其他技术路线的疫苗相比,mRNA疫苗应对更灵活、生产更迅速


目前在国内已上市的新冠疫苗类型有灭活疫苗(除台湾)、腺病毒载体疫苗(除香港)、重组蛋白亚单位疫苗(仅大陆)以及mRNA疫苗(仅港澳台)。


灭活疫苗是目前我国接种最多的新冠疫苗类型,其制备工艺简单且稳定性较好,但免疫原性较弱,主要引起体液免疫,有少数研究报道可引起细胞免疫。且生物安全防护三级实验室要求高,依赖于细胞培养技术,需要收集病毒使其适应在实验室中生长并将其运往世界各地,这些因素减慢研制新疫苗的速度,也使生产过程复杂化,从而导致成本增加20-21


腺病毒载体疫苗是用腺病毒作为有效成分的载体疫苗。可以大规模生产疫苗,但对病毒载体的纯度和活性要求较高,需要克服人体针对腺病毒本身存在的预存免疫,这会导致疫苗保护力降低20


重组蛋白亚单位疫苗是只含有病毒的部分抗原决定簇,主要为抗原表位。该疫苗可以从传统的培养过程或重组DNA技术中获得。由于抗原纯化过程中易导致免疫原性丢失,因此持久性和免疫力都较弱,需加佐剂强化20


mRNA疫苗是所有新冠疫苗中最早进入临床试验、最早获得FDA紧急批获使用,也是最早完成3期临床试验的新冠疫苗,快是mRNA疫苗给众人带来的第一印象。在免疫机制方面,启动快,降解也快。mRNA瞬时表达,进入细胞质翻译过程立即启动,同时具有短暂的信使功能,在体内会快速降解,不会造成体内平衡负担。在生产技术方面,其一,mRNA疫苗成份单一,不需要病毒,仅在基因测序和疫苗测试时需要少量病毒,更具有安全性的同时缩短研发新疫苗的速度,其二,mRNA疫苗是由实验室中的DNA模板制成,可由电子序列合成,通过计算机瞬间发送至世界各地,生产一批实验用的mRNA疫苗仅需1周21。其三,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,具有高度灵活性14。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。基于现有的体外转录技术,mRNA疫苗可在6周内完成疫苗样品的生产制备。


表1:比较不同技术路线的COVID-19疫苗的特征


Delta变异株已成为主导全球疫情的新冠变异株,新冠疫苗接种可能是持续长期的过程,而mRNA疫苗以S蛋白为靶点,可针对原始毒株或变异株,诱导出强烈的双重免疫。同时在研发和生产上,更能迅速的面对突发传染病或研发新型疫苗。拥有高效免疫力的同时保证产能输出的mRNA疫苗已成为我们对抗狡猾的新冠病毒的有力武器。



参考文献:

1.     Kertes J, et al. The BNT162b2 vaccine was found to be less effective in protecting against Covid-19 infection after six months, and vaccination with a third dose is indicated. medRxiv preprint. 2021.DOI: https://doi.org/10.1101/2021.09.01.21262957.

2.     https://wx.wind.com.cn/WindSariWeb/sari/message.html?lan=cn, Accessed in Sep. 2021

3.     https://ourworldindata.org/covid-cases, Accessed in Sep. 2021

4.     Janik E, et al. Pathogens. 2021,10(6):633.

5.     Hutchinson EC. Trends Microbiol 2018,26(9):809-810

6.     Yao H, et al. Cell. 2020,183(3):730-738.e13

7.     Wang Y, et al. J Med Virol. 2020,92(6):568-576

8.     http://www.guizhou.gov.cn/jdhy/hygq/202108/t20210803_69388697.html, Accessed in Aug, 2021

9.     Petrosillo N, et al. Clin Microbiol Infect. 2020,26(6):729-734

10.   Wrapp D, et al. Science. 2020,367(6483):1260-1263

11.   Qi F, et al. Biochem Biophys Res Commun. 2020,526(1):135-140

12.   https://ngdc.cncb.ac.cn/ncov/variation/spike, Accessed in Sep. 2021

13.   https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019/situation-reports, Accessed in Aug, 2021

14.   Xu S, et al. Int J Mol Sci. 2020,21(18):6582

15.   Maruggi G, et al. Mol Ther. 2019,27(4):757-772

16.   https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_14660330, Accessed in Sep, 2021

17.   https://biontech.de/covid-19-portal/mrna-vaccines, Accessed in Sep. 2021

18.   Turner JS, et al. Nature. 2021,596(7870):109-113.

19.   Woldemeskel BA, et al. J Clin Invest. 2021,131(10):e149335

20.    Calina D, et al. Int J Mol Med. 2020,46(1): 3-16.

21.   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 Sep, 2021




  
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关键词:
新冠病毒,mRNA,RBD,疫苗,蛋白,免疫

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