新冠病毒疫苗群雄逐鹿，mRNA疫苗如何脱颖而出？

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。

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。

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。

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。