在 COVID-19 疫情成功之后，研究人员致力于开发针对其他疾病的 mRNA 疫苗

当针对 COVID-19 的各种疫苗正在进行临床试验时，只有少数专家预计未经证实的 mRNA 技术会成为明星。在 10 个月内，mRNA 疫苗既是首批获得批准的疫苗，也是最有效的疫苗。虽然这些是首批获得批准的 mRNA 疫苗，但 mRNA 疫苗的故事始于 30 多年前，并且在此过程中经历了许多坎坷。

1990 年，已故的医师科学家乔恩·A·沃尔夫和他在威斯康星大学麦迪逊分校的同事将 mRNA 注射到小鼠体内，导致小鼠体内的细胞产生编码蛋白。在许多方面，这项工作是利用 mRNA 制造疫苗的第一步，但还有很长的路要走——对于许多应用来说仍然如此。

传统疫苗使用减弱或灭活的微生物形式来调动免疫系统对抗入侵者。当一个人接种 mRNA 疫苗后，他们的细胞会制造部分或全部蛋白质，从而引起免疫反应，包括抗体的产生。尽管最广为人知的例子是 BioNTech-辉瑞和 Moderna 针对引起 COVID 的 SARS-CoV-2 冠状病毒的 mRNA 疫苗，但这只是该领域的一小部分——而且这些疫苗并非首次尝试使用 mRNA。

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尽管使用这种分子作为疫苗的基础有很多好处，但它也带来了一些根本性的挑战：它在细胞内不是很稳定，并且当用作基因传递工具时，mRNA 不能有效地翻译成蛋白质。如今，mRNA 可以被设计用于对抗许多疾病，但它并非对所有疾病都有效。

mRNA 的优势

德国生物技术公司 BioNTech 的首席医疗官厄兹勒姆·图雷西（医生、免疫学家和企业家）表示，“mRNA 有几个有趣的特性，使其对疫苗具有吸引力。” 在这种应用及其他领域，适应性是这种分子的关键特征：mRNA 不仅可以被设计用于制造疫苗的抗原，还可以编码抗体、细胞因子和其他与免疫系统相关的蛋白质。她解释说：“mRNA 的多功能性创造了巨大的设计空间。”

BioNTech 的科学家们花费多年时间研究和开发全面掌控 mRNA 的技术，包括优化其非编码部分、设计特定序列、开发生产工艺等等。图雷西用以下语言描述了这些努力的结果：“我们有一个多样化的工具箱，通过混合和匹配这个工具箱中的模块，我们可以设计出具有我们为特定目的所需功能的 mRNA。” 她补充说，“这有点像编写代码——通过掌握一种术语丰富的编程语言，人们可以给出任何想要的指令。” 借助 BioNTech 工具箱，科学家们可以控制蛋白质的产生量和持续时间、mRNA 的给药途径、表达蛋白质的细胞，以及 mRNA 是否精确激活或抑制免疫系统。

一旦科学家们知道他们想要制造什么 mRNA，这个过程就相对容易了。对于疫苗而言，使用 mRNA 比传统方法（在细胞或鸡蛋中培养疫苗）要快得多。为了制造 mRNA，科学家首先使用计算机来布置所需的序列。然后，使用体外转录反应来创建可以合成所需 mRNA 的 DNA 模板。因此，这个过程不需要细胞培养或动物材料，并且无论 mRNA 的序列如何，生产过程都基本保持不变。

增强方法

尽管 mRNA 疫苗在对抗 COVID 疫情中的高效性似乎是奇迹，但这远非故事的全部。沃尔夫 1990 年代的工作引发了人们对使用 mRNA 疫苗的兴趣，但科学家们遇到了一个根本问题：“RNA 具有高度炎症性，”宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的医师科学家德鲁·韦斯曼说。

2005 年，韦斯曼和他的同事卡塔琳·卡里科（现任职于宾夕法尼亚大学和 BioNTech）找到了一种降低 RNA 炎症性的方法。他们表明，在 RNA 的基本结构中加入修饰的核苷，可以显着降低炎症反应。这项工作探索了诸如 5-甲基胞嘧啶、假尿苷和其他形式的核苷的使用。韦斯曼说，通过这些修改，“您可以将 mRNA 可以产生的蛋白质数量增加 10 到 1000 倍，并制造出更好的疫苗。” 此外，色谱技术可以去除污染物，例如双链 mRNA，从而进一步降低炎症反应。

十年后，根特大学基因治疗实验室的首席研究员尼克·桑德斯和他的同事们发现了 mRNA 的另一种修饰。与之前的修饰产生的 mRNA 相比，掺入 N1-甲基假尿苷修饰的 mRNA 单独或与 5-甲基胞嘧啶一起使用时，产生的预期产物多达 44 倍，并且仍然可以减少对分子的免疫攻击。桑德斯说：“这仍然是最好的修饰，并且也用于 BioNTech-辉瑞和 Moderna 的 COVID-19 mRNA 疫苗中。”

构建载体

微生物学家贾斯汀·里奇纳（伊利诺伊大学芝加哥医学院）说，无论是否经过化学修饰，单独注射 mRNA 都无法发挥作用。“裸露的 mRNA 会被破坏，并且不会被细胞吸收。” 一旦 mRNA 被注射，细胞外核糖核酸酶就会将其切碎。

各种版本的脂质，例如可电离脂质纳米颗粒，可用于安全地将 mRNA 递送至靶细胞。图雷西和她的同事优化了一种疗法，她将其描述为“不同的脂质体配方，使 RNA 适合各自的目的，例如肌肉内注射或静脉注射，以及靶向特定细胞类型。” BioNTech 发现，例如，对于基于脂质体配方 mRNA 的抗癌疫苗，抗原主要在淋巴结室的树突状细胞中表达。这些细胞专门用于引发抗原特异性免疫反应。

未来，科学家们希望能够更好地控制最终的蛋白质生产。在包括麻省理工学院合成生物学家罗恩·韦斯等人在内的合作中，桑德斯描述了可切换的 mRNA。“这是 mRNA 的开关，”桑德斯说，“我们已经证明它在小鼠身上有效。” 使用这种形式的 mRNA，可以在需要时开启治疗，并且可以更精确地控制蛋白质的生产水平。

这些改进中的每一项——减少炎症、增加表达、保护性递送和受控蛋白质生产——都使研究人员能够构建更好的基于 mRNA 的疫苗。

改进流感疫苗

在最常用的疫苗中，流感疫苗可能最需要改进。据估计，这种疫苗每年可预防数万例住院病例。然而，美国疾病控制与预防中心关于 2009-2020 年季节性流感疫苗的数据表明，平均有效率约为 43%。在此期间，即使是最有效的疫苗——2010-2011 年的疫苗——也仅达到 60% 的有效率。在最坏的情况下，在 2014-2015 年，疫苗的有效率仅为 19%，仅保护了约五分之一的人。

为这些疫苗辩护的是，它们必须追踪一个移动的目标。葛兰素史克公司疫苗研发高级副总裁兼全球负责人菲利普·多米策尔说：“流感疫苗是唯一一种常规更换的大规模分销生物制品。” “流感面临的一大挑战是跟上变化。”

使用传统方法制造流感疫苗，开发人员必须修改正在制造的病毒或蛋白质。这种修改可能需要改变生产工艺。例如，修改后的病毒的生长方式可能与预期略有不同，这可能需要改变疫苗的配方。此外，供应商通常在流感疫苗使用前六个月开始生产，因此当人们接种疫苗时，它们可能无法提供针对本季最流行的流感毒株的保护。

多米策尔说，使用基于 mRNA 的方法，“用 mRNA 替换一个基因对其生产特性的改变非常小，这比改变病毒株容易得多。” 速度也很重要，开发人员可以快速制造 mRNA 疫苗。“您将毒株选择移至流感季节的时间越近，您就越准确，”多米策尔说。由于他们可以更快地制造 mRNA 疫苗，制造商可以选择比传统方法更晚的目标流感毒株，这应该会提高治疗的有效性。

mRNA 疫苗背后的工程技术还允许科学家构建多价疫苗。多米策尔解释说：“我们可以增加正在表达的抗原数量，这可以提高流感疫苗的稳健性。”

然而，为一种新的流感疫苗寻求批准与 COVID 疫苗的情况不同，COVID 疫苗当时没有治疗方法或疫苗。对于流感，多米策尔说，“市面上有很多疫苗，但它们的有效性可能会更好。” “因此，流感疫苗必须满足所有条件：有效性、可靠性、供应、耐受性等等，这一点非常重要。”

因此，制药公司很可能只有在基于 mRNA 的流感疫苗在多个方面超过现有疫苗时才会将其推向市场。

探索其他感染

COVID 和流感只是可能使用基于 mRNA 的疫苗治疗的众多传染病中的两种。例如，韦斯曼说，“我们正在研究大约 30 种不同的 mRNA 疫苗，包括针对流感、HIV、丙型肝炎、疟疾、肺结核和许多其他疾病的疫苗。” 仅此一点就表明 mRNA 在构建疫苗方面的灵活性。

韦斯曼指出，一种由 mRNA 和脂质纳米颗粒制成的疫苗与另一种疫苗非常相似。“重要的是找到合适的抗原，”他补充道。“我们花费大量时间和精力进行大量实验，以找到使疫苗发挥最佳作用的最佳抗原。”

对于某些感染，找到好的靶向抗原比其他感染更容易。韦斯曼说，对于 HIV，“包膜是重要的抗原，但它变异迅速，并且被糖覆盖，您需要解决这些问题才能制造出产生正确反应的抗原。” mRNA 的设计也可能需要改变。

韦斯曼和宾夕法尼亚大学的病毒专家哈维·弗里德曼找到了生殖器疱疹的靶向抗原。利用这些抗原，科学家们开发了一种由核苷修饰的 mRNA 和脂质纳米颗粒制成的疫苗。在小鼠和豚鼠中的测试表明，这种疫苗可以预防导致生殖器疱疹的病毒感染。韦斯曼说：“这种疫苗正在进入临床试验。”

mRNA 在疫苗中的应用也为以前难以解决但高度流行的病原体感染（如登革热病毒）带来了希望。登革热病毒由蚊子传播，危害着全球近一半人口，每年感染多达 4 亿人。由于没有针对这种感染的治疗方法，里奇纳正在研究一种疫苗。

里奇纳说：“登革热有点复杂。” 它由四种不同的病毒组成，这些病毒会导致类似的疾病。“我们希望针对所有四种病毒，”他指出。鉴于随后感染不同的登革热病毒往往会因抗体介导的增强作用而更加严重，因此靶向所有四种登革热病毒是必要的。

里奇纳和他的同事从登革热病毒血清型 1 开始。与韦斯曼一样，里奇纳的团队在脂质纳米颗粒中使用了核苷修饰的 mRNA。疫苗引起的中和抗体足以保护小鼠免受致命攻击。现在，里奇纳的研究小组正在努力将这种疫苗扩展到血清型 2、3 和 4，登革热病毒的差异需要在靶向每种病毒时进行一些调整。他说：“我们需要针对每种病毒优化疫苗。” 目标是用一种疫苗提供针对所有四种登革热病毒的保护。

在 CureVac，该公司基于 mRNA 的狂犬病疫苗的 1 期临床试验数据看起来很有希望。CureVac 前通讯副总裁托尔斯滕·舒勒说：“极低剂量的疫苗接种在所有受试者中都产生了免疫反应。” “这首次证明了 mRNA 技术的潜力。”

开发抗癌疫苗

在 COVID 疫情爆发之前，图雷西和她在 BioNTech 的同事们正在研究基于 mRNA 的抗癌疫苗。她解释说：“您希望用敌人的通缉令来对抗患者的免疫系统，并训练免疫系统的效应器识别敌人，并让免疫系统知道这是危险的。”

图雷西说，mRNA 可用于递送两种类型的癌症抗原。第一种方法是向免疫系统展示一个人自身的抗原，这些抗原通常在健康细胞中被关闭——胚胎基因编码的抗原将是这方面的一个例子——但却在癌细胞中表达。在这里，抗癌疫苗将触发对携带这些抗原的细胞的攻击。她说：“对于每种癌症适应症，我们都使用计算机算法和机器学习来识别尽可能多患者的抗原。” 例如，对于黑色素瘤，四种抗原覆盖了 90% 以上的患者。BioNTech 制造了一种针对所有四种抗原的多价 mRNA 疫苗，目前正在进行临床试验。

或者，基于 mRNA 的疫苗可以靶向癌症的突变。然而，突变的概况对于每位患者都是独一无二的，这需要个性化的方法。图雷西说：“这是 mRNA 的完美游乐场。” “我们从患者概况入手，在四周内为该患者生成一种多价、多突变疫苗，并用它来治疗他们。”

这种方法正在 BioNTech 和 Genentech/Roche 进行的几项临床试验中使用，它采用的方法与制造 BioNTech-辉瑞 COVID 疫苗的方法类似。图雷西将该策略描述为分析“遗传信息以定制疫苗并快速生产”。她补充说，“我们已经为我们的癌症患者做了数百次这样的事情，”这解释了他们 COVID 疫苗开发背后的一些速度，以及为什么她和她的同事感到有能力在必要时适应病毒变体。

对于实体瘤，仅靠免疫系统的攻击是不够的。肿瘤的微环境以各种方式对抗免疫反应，包括抑制 T 细胞的作用。教堂山北卡罗来纳大学的生物物理学家叶夫·黄说，对于黑色素瘤，“肿瘤微环境是这些疫苗治疗的真正障碍。” 疫苗必须与另一种修饰微环境的治疗方法相结合，从而使疫苗触发的 T 细胞能够进入肿瘤组织。黄和他的同事将疫苗与化疗药物舒尼替尼结合使用，发现这种组合有助于免疫细胞到达肿瘤，从而提高了疫苗的疗效。桑德斯认为，细胞因子（如 IL-12）也是打破免疫抑制性肿瘤微环境的良好候选者，他的团队成功地将 IL-12 基因疗法与基于基因的抗癌疫苗结合使用。

然而，黄说，“开发能够安全有效地修饰肿瘤微环境的药物还有很长的路要走。”

扩展创新

在许多方面，mRNA 疫苗才刚刚起步。里奇纳说：“我们没有针对每种疾病的平台，但 mRNA 疫苗的最大优势在于，我们可以快速连续地测试新的假设。” “对于新疫苗，我们需要找到产生良好免疫反应的原因，这需要基础科学。”

该领域将在未来几年推动更多的基础科学研究。还将涉及大量的工程技术。在 BioNTech，图雷西称该公司的疫苗科学家为“免疫工程师”，并展望未来会有许多进步。当她想到 mRNA 疫苗的可能性时，她说，“这关系到创新的本质——不是一项发明，而是找出许多事情中什么是可能的，并将它们结合在一起。”

本文经许可转载，并于 2021 年 5 月 31 日首次发表于《自然-医学》。