mRNA技术疗法——疫苗，通向未来的大门

本月4号，总部位于德国美因茨的生物技术公司BioNTech完成了2.7亿美元的“A轮”融资，旨在满足其庞大生产业务的快速增长。作为E11评为最有潜力的公司之一(势如破竹，孤注一掷——南京传奇生物等荣登E11榜单)，BioNTech公司最主要的关注领域就是个体化的mRNA疗法。

过去的半年，先后有多项关于mRNA技术的交易完成。10月，礼来与CureVac公司签署了一项价值18亿美元的巨额交易，将共同开发了5种新型mRNA癌症疫苗；11月，CRISPR Therapeutics宣布投资CureVac开发Cas9 mRNA用于体内基因编辑。另一家mRNA研究公司Moderna也得到了大量投资者支持，开启了针对个性化癌症疫苗mRNA-4157的临床研究。

投资者高涨的热情表明mRNA疗法这个并不算新的技术(上世纪90年代已完成概念验证)，随着技术的发展提高了其安全有效性，正进入新一轮的爆发期。目前mRNA药物研发基本呈现三足鼎立的态势(图1)。BioNTech、CureVac AG和Moderna三家公司占据了绝大部分在研管线。场上还有一些其他的公司和研究机构，也在努力发展自己的产品。

图1.主要mRNA疫苗研发公司及机构一览

mRNA疫苗是什么？

1990年，科学家将体外转录的信使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，产生相关蛋白且具有剂量依赖性。这种直接注射mRNA的方法能够通过表达特定蛋白，产生免疫反应，这就是mRNA疗法的雏形。

在随后的研究中，虽然动物实验表明了mRNA可以发挥类似疫苗的作用，达到治疗目的。但是受当时技术限制，在mRNA稳定性，药物递送，还有安全性等方面存在瓶颈，这种疗法逐渐趋冷，更多研究者转向DNA和替代蛋白领域。

时间进入21世纪，mRNA合成、修饰技术和递送技术的发展让mRNA疗法重返生物制药公司的视线。相比传统疫苗，mRNA的安全性更有优势，不会插入基因突变，可以被正常细胞降解，通过调节序列修饰和递送载体可以改变其半衰期等(图2)。更重要的是，传统疫苗对很多新型病毒有心无力，更别提像癌症这种严重威胁人类健康的疾病了。而mRNA的作用机理使它就像一本餐谱一样，只要你编好RNA序列，就可以将细胞变成小型的药物工厂，mRNA引导细胞自己产生特定蛋白发挥系统药效。

图2.传统疫苗、DNA疫苗和mRNA疫苗的若干区别

mRNA疫苗靠什么？

作用机理

mRNA参与DNA翻译和蛋白质生成的中间步骤。目前用于制造疫苗的有两种RNA，非复制型(non-replicating) mRNA和自我扩增型(self-amplifying) mRNA。传统mRNA疫苗编码的抗原包含5ʹ和3ʹ的未翻译区(UTRs)，而自我扩增型RNA不仅能编码抗原，还有类似病毒复制过程的序列，使其可以在细胞内复制，提高蛋白表达量。

简单的说，体外转录RNA利用DNA模板和RNA聚合酶，包括T7、T3或Sp6噬菌体聚合酶，来制备具有蛋白质编码功能的开放阅读框(open reading frame)。这个阅读框两个重要组成部分分别是一个5’端的“帽子”结构和一条多聚A (poly A)的”尾巴“。除此之外，还有一段未翻译区，它可以提高复合物在转录时的稳定性，使人工制造的mRNA可以像成熟mRNA分子一样发挥转录组装作用。裸露的mRNA很容易被胞外核糖核酸酶催化降解，因此很多载体被用于提高mRNA摄取。一旦mRNA进入胞浆，细胞翻译机制就能在其引导下组装氨基酸序列，进行翻译后修饰并恰当的折叠形成功能性蛋白质。mRNA的这些药理特性使其在疫苗疗法领域具有无可比拟的优势。

新的技术

近年来，不同的mRNA疫苗平台在免疫原性和药效方面均取得巨大进展。RNA序列工程技术使得人工合成的mRNA比以前的翻译功能更好，高效低毒的载体能够显著提高抗原的体内表达，一些疫苗中还加入了新型佐剂。

1.对mRNA翻译和稳定性的优化

现有的mRNA修饰技术能够直接或间接的影响免疫应答，主要包括：合成”帽子“类似结构；在5’和3’ UTR区域增加可调控序列；修饰多聚A“尾巴”。这其中5’和3’ UTR区域序列的改进对于提高mRNA稳定性和蛋白表达至关重要，选择与tRNA同源的密码子可以提高mRNA的翻译能力。在生产中还可以利用分离和纯化技术来优化mRNA。

2.免疫原性的调节

图3中展示了树突细胞(dendritic cell, DC)对两种mRNA疫苗的免疫应答。外源mRNA能在体内产生免疫刺激，因为它能被细胞表面、核内体或胞质的免疫应答受体识别。根据治疗方法不同，这种免疫刺激也是有利有弊。有利的一面是它能够驱动DC成熟因子，进而激发T细胞和B细胞产生强烈的免疫应答。弊的一面是这种免疫感应也可能抑制抗原的表达，对免疫应答产生消极作用。其背后复杂机理尚不十分清楚，但是近些年相关研究也取得了一些进展。

图3.mRNA疫苗触发免疫应答过程，黄色基团代表RNA感应器，红色基团代表抗原，绿色基团代表DC成熟因子，红蓝色基团代表主要组织相容性复合体(MHC)，图片右上方一个脂质纳米粒载体 (图片引自参考文献2)

研究发现mRNA的这种免疫刺激可以通过制备纯化，引入修饰性核苷，或者通过改变载体分子来改善。生产mRNA疫苗过程中的酶促反应会生成一些双键RNA的副产物，因为与病毒基因组和复制中间产物类似，双键RNA是一个潜在的病原体相关分子(PAMP)，能够被很多细胞区室受体感应产生应激反应，最终导致翻译抑制和mRNA降解。用分析手段，对制备的mRNA进行纯化，可以减少双链副产物，防止不必要的免疫刺激。除了双链RNA杂质的影响，单链RNA本身也是一种PAMP，能够引起I型干扰素产生，通过引入自然核苷可以减少其产生，这些结果表明似乎经过纯化和修饰的mRNA在树突细胞中可明显提高蛋白表达量。但是也有研究表明，经过纯化，未修饰的mRNA能够在HeLa细胞中产生比修饰过的mRNA更多的蛋白质，这与上面的结果是相反的。结论就是不论是采用纯化还是修饰，都要根据靶点细胞不同而采用不同的组合策略和调控技术，只有这样才能发挥最好的药效。

3.mRNA递送方式的进展

上文提到过，裸露的mRNA直接进入体内会被降解，因此高效的mRNA递送是疫苗药效的保证。目前利用载体和直接注入这两种mRNA递送方式都在生产中使用。

利用载体将mRNA注入体内

常用载体包括树突细胞，鱼精蛋白，微质粒载体和高分子载体等。树突细胞是免疫系统最有潜力的抗原表达细胞。阳离子多肽鱼精蛋白已被证实可以保护mRNA免于被核糖核苷酶降解。但是同时也有数据表明它会降低蛋白的表达，这可能是由于mRNA和鱼精蛋白连接过于紧密造成的。阳离子脂质体和高分子，如树枝状高分子，已经在过去几年的mRNA给药途径中广泛运用，这也是借了小干扰RNA (siRNA)领域发展的东风。脂质纳米粒(LNPs)载体已经变成了mRNA疫苗最常用的载体之一。

直接将mRNA注入体内

常用皮内注射或节内注射方法，有报道称重复节内接种mRNA，由肿瘤相关的抗原来激发T细胞应答，可以提高患者的无进展生存期(PFS)。

物理递送方法

除了以上两种方法，还有使用物理方法mRNA的细胞膜穿透。比如电基因枪、电穿孔法等。物理方法的缺点是可能会引起细胞死亡。

mRNA疫苗能带来什么？

mRNA疫苗目前有两大应用领域，传染性疾病和癌症(图4)。需要注意的是mRNA给药后的生物分布。比如装载mRNA的脂质纳米粒，静脉给药后主要分布在肝脏，这对于树突细胞的活化并不是最理想的。影响给药后生物分布的因素有载体与mRNA的比例，净电荷等。比如带正电荷的纳米粒主要靶向肺部，而带负电荷则主要靶向次级淋巴组织和骨髓。

图4.目前处于临床研究阶段的mRNA疫苗疾病分布

抗传染病的mRNA疫苗

发展预防性或治疗性疫苗来对抗传染性病原体，是遏制和预防流行病是最有效的手段。但是，过去的疫苗产品不能对抗像HIV、疱疹病毒或是呼吸道合胞病毒这些对人类健康造成巨大危害的病毒。除此之外，像2014-2016年先后爆发的埃博拉病毒和塞卡病毒这类突发病毒疾病，传统疫苗也排不上用场。因此，发展更有效的疫苗刻不容缓。

无数临床前的动物实验已经证明了mRNA疫苗对抗传染性病毒的药效。动物实验中安全性良好，其快速制备的特点也适用于传染病爆发的灵活应对，相对简单的生产工艺也便于质量控制。与蛋白免疫接种不同，mRNA疫苗能够引起强烈的CD4+或CD8+ 的T细胞应答。它们也与DNA免疫接种不同，在动物体内mRNA疫苗通过一两次低剂量接种就能够产生抗体。目前临床阶段开发的mRNA疫苗针对疾病包括HIV，流感病毒和狂犬病毒等。

抗肿瘤的mRNA疫苗

肿瘤疫苗和其他免疫疗法被认为是非常有前途的治疗恶性肿瘤的方法。肿瘤疫苗可以设计成靶向肿瘤细胞选择表达的相关抗原，比如，生长因子等。也可以靶向恶性肿瘤细胞突变产生的特有抗原。针对癌症的mRNA疫苗一般起治疗作用，而不是传统的预防作用，目的是促使细胞介导的应答，比如典型的T淋巴细胞应答，从而达到清除或者减少肿瘤细胞的目的，部分研发管线见图5。

1.以树突细胞为载体的mRNA肿瘤疫苗

从1996年研究人员通过实验证明树突细胞装载mRNA可以激发肿瘤抗原产生免疫应答起，到今天，相关临床研究已涵盖转移性前列腺癌、肺癌、肾细胞癌、脑癌、黑色素瘤、急性髓性白血病和胰腺癌等。现在研究人员还将树突细胞载mRNA疫苗与传统化疗药物或者免疫检查点抑制剂联用，其中的一项临床试验中，III-IV期黑色素瘤患者同时给予单克隆抗体Ipilimumab和载有黑色素瘤抗原相关mRNA的树突细胞注射剂，结果表明该疗法可以持续降低部分复发性或难治性黑色素瘤患者的肿瘤。

图5.BioNTech，CureVac AG和Moderna三家公司部分mRNA研发管线(来自公司官网)

2.直接注射的mRNA肿瘤疫苗

直接注射的给药途径包括皮内注射，肌肉注射，皮下注射和鼻内给药，还有一些非传统方式包括节内注射，静脉给药，经脾给药和肿瘤给药。不同的给药方式对于mRNA疫苗的药效有很大影响，总体来讲，由于裸露的mRNA易于降解，存在血清蛋白聚合，所以直接注射法并不常用。

mRNA疫苗的挑战与展望

另一种声音

关于mRNA疫苗副作用的声音一刻也没有停止过，虽然目前临床研究大都没有问题，但是确实也有一些副反应的例子出现，甚至包括一些严重的副作用，引起注射部位或全身反应。因此在相关临床试验中要格外注意像局部和全身炎症、药物的生物分布、免疫原的持续表达、刺激抗体的自激活，还有非原生核苷酸及载体引入的成分所具有的潜在毒性等。一部分研究者认为mRNA疫苗能够引起I型干扰素反应，不仅会引起炎症，还可能与自身免疫相关。另一个潜在风险是胞外RNA的引入，其能够增加内皮细胞的渗透性导致水肿；还能引起血液凝固和病理性血栓形成。因此在将mRNA疫苗用于人体或是开展大规模临床研究前，一定要进行严格的安全性评价。

除了潜在的副作用，一些临床研究结果还证明mRNA疫苗在人体中的药效比动物体内低的多。虽然这不是一个普遍存在的现象，但是也给研究人员提了醒，需要进一步研究动物与人对mRNA疫苗的应答差异，到底人体中哪条免疫通路最有效的？是否可以通过改变疫苗的免疫刺激表达来改善药效？这些都是需要解决的问题。

结论

当下的mRNA疗法真的可以用炙手可热来形容。早期临床前的大量研究数据为这一领域做足了铺垫。除了在流感、塞卡病毒和癌症治疗方面大放异彩，最近的研究还发现mRNA能够激活被动免疫功能。但是任何一项新技术，捧得太高终归不是一件好事情，人体药效的验证和临床副作用，任何一点得不到很好的解决都会让mRNA疫苗跌下神坛。mRNA疗法到底是”未来疫苗的大门“，还是”皇帝的新衣“？且让我们拭目以待。

参考文献：

1.mRNA疫苗研究进展及挑战，免疫学杂志。

2.mRNA vaccines——a new era in vaccinology, Nature Reviews.

3.BioNTech raises mammoth $270M A round, nearing $1B mark as investors continue a love affair with mRNA. Endpoints.

4.mRNA Vaccines: Disruptive Innovation in Vaccination.