核酸藥物介紹和mRNA 疫苗的作用機(jī)制及其應(yīng)用

核酸是核苷酸聚合成的生物大分子化合物(可分為脫氧核糖核酸 DNA 和核糖核酸 RNA)，是生命的最基本物質(zhì)之一。以 DNA 或者 RNA 為載體或靶向目標(biāo)的藥物稱為核酸藥物。
目前所有成藥的靶點(diǎn)中，蛋白質(zhì)為藥物靶點(diǎn)的主要類型，蛋白的立體結(jié)構(gòu)為小分子藥物提供了結(jié)合位點(diǎn)，但因?yàn)榈鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，仍然存在不可成藥或者難以成藥的問題。如果以 RNA 或 DNA 為靶點(diǎn)，不僅能夠擴(kuò)大用于治療疾病的靶點(diǎn)比例，同時(shí)還具有解決"不可靶向"、"不可成藥" 難題的巨大潛力。

 

 

核酸小干擾 RNA (siRNA)，反義核酸 (ASO)，適配體 (aptamer) 以及 mRNA 疫苗和 mRNA 藥物是當(dāng)前臨床核酸藥開發(fā)的主要形式。之前，我們已經(jīng)簡單介紹過 siRNA 等小核酸藥物 (見推文: RNA 治療——帶來無限可能性)，今天小 M 的目光將聚焦：當(dāng)紅頂流——mRNA 疫苗。

 

mRNA 疫苗實(shí)際已研究多年，包括在開發(fā)寨卡、狂犬病和流感疫苗過程中；2020 年底 Moderna mRNA 疫苗 (mRNA-1273) 的獲批上市，為新冠疫情防控貢獻(xiàn)出一份力量。賓夕法尼亞大學(xué)的 2 位科學(xué)家 Katalin Karikó 和 Drew Weissman 因研發(fā)了"工程改良的 RNA 技術(shù)，使新冠疫苗的快速開發(fā)成為可能，推動(dòng)了 mRNA 疫苗在新冠疫情中的研發(fā)和使用" 被頒發(fā) 2022 年科學(xué)突破獎(jiǎng)。

 

圖 1. mRNA 的疫苗開發(fā)的開創(chuàng)性步驟^[3]

 

 

關(guān)于 mRNA 疫苗的臨床試驗(yàn)表明，它們能夠提供持久的免疫反應(yīng)。mRNA 疫苗不是活病毒疫苗，不會干擾人類 DNA。 

 

mRNA 疫苗主要包含合成的 mRNA 分子，這些分子指導(dǎo)抗原的產(chǎn)生，從而產(chǎn)生免疫反應(yīng)。

 

目前主要有兩種主要類型的 RNA 疫苗開發(fā)：非復(fù)制 mRNA (NRM) 和病毒衍生的自我擴(kuò)增RNA (SAM) 疫苗。傳統(tǒng)的非復(fù)制 mRNA 可編碼感興趣的抗原并包含 5' 和 3' 非翻譯區(qū) (UTR)，而自擴(kuò)增 RNA 不僅編碼抗原，還能編碼病毒復(fù)制機(jī)制，從而使細(xì)胞內(nèi) RNA 擴(kuò)增和蛋白質(zhì)表達(dá)豐富的病毒復(fù)制機(jī)制來放大免疫反應(yīng)。

 

圖 2. 體外轉(zhuǎn)錄 (IVT) mRNA 的結(jié)構(gòu) 

 (IVT) mRNA 模擬內(nèi)源性 mRNA 的結(jié)構(gòu)，分五個(gè)部分: 5ʹ cap、5ʹ非翻譯區(qū) (UTR)、編碼抗原的開放閱讀框、3ʹ UTR 和 poly(A) 尾巴。其中 mRNA 開放閱讀框是最關(guān)鍵的組成部分，因?yàn)樗�包含翻譯成蛋白質(zhì)的編碼序列。

 

疫苗的作用機(jī)制：依賴人體的體液免疫和細(xì)胞免疫

 

適應(yīng)性免疫反應(yīng)由產(chǎn)生抗體的 B 細(xì)胞 (體液免疫) 和 T 細(xì)胞 (細(xì)胞免疫) 介導(dǎo)。疫苗可誘導(dǎo)抗體提供保護(hù)，并且使得免疫細(xì)胞產(chǎn)生記憶，免疫記憶使免疫系統(tǒng)能夠識別并在以后對相同病原體的暴露做出快速反應(yīng)。編碼抗原序列的 mRNA 疫苗可通過脂質(zhì)納米載體等遞送方式被引入細(xì)胞，然后人體細(xì)胞通過翻譯產(chǎn)生抗原，從而激活免疫反應(yīng)。與傳統(tǒng)疫苗相比，mRNA 疫苗通過內(nèi)源性表達(dá)抗原蛋白，誘導(dǎo)更為廣泛有效的細(xì)胞免疫及體液免疫反應(yīng)，產(chǎn)生更高的保護(hù)率。

圖 3. mRNA 疫苗引發(fā)免疫反應(yīng)^[9]

(1) 注射的 mRNA 疫苗被抗原呈遞細(xì)胞內(nèi)吞。(2) mRNA 脫離核內(nèi)體進(jìn)入胞質(zhì)溶膠，被核糖體翻譯成蛋白質(zhì)刺激免疫系統(tǒng)。(3) 細(xì)胞內(nèi)抗原被蛋白酶體復(fù)合物分解成更小的片段，這些片段被 MHC-I 類蛋白呈遞給細(xì)胞毒性 T 細(xì)胞。(4) 活化的細(xì)胞毒 T 細(xì)胞通過分泌穿孔素和顆粒酶來殺死被感染的細(xì)胞。(5) 分泌的抗原可以被細(xì)胞攝取，在內(nèi)體中降解，并通過 MHC II 類蛋白呈遞到細(xì)胞表面給輔助 T 細(xì)胞。(6) 輔助性 T 細(xì)胞通過刺激 B 細(xì)胞產(chǎn)生中和抗體以及通過炎性細(xì)胞因子激活吞噬細(xì)胞來促進(jìn)循環(huán)病原體的清除。

裸 mRNA 注射已成功用于體內(nèi)免疫，特別是優(yōu)先靶向抗原呈遞細(xì)胞的形式，但這種遞送方式的效率較弱，且裸 mRNA 在注射后往往會迅速降解。解決 mRNA 疫苗的傳遞效率是重中之重。  (1). 借助常見的物理方法，如電穿孔、基因槍、微針等，可提高裸 mRNA 抗原呈遞的效率。但是物理方法可能會使得細(xì)胞死亡增加和對靶細(xì)胞或組織的進(jìn)入的限制。 (2). DCs 輸送系統(tǒng)的離體裝載: 通過在體外將編碼肽、蛋白質(zhì)或其他抗原的 mRNAs 轉(zhuǎn)染到 DCs 中，然后將加工后的 DCs 轉(zhuǎn)移回宿主體內(nèi)以啟動(dòng)抗原特異性免疫反應(yīng)。這種方法具有細(xì)胞特異性和高轉(zhuǎn)染效率，但是成本較為昂貴。

 

(3).魚精蛋白是一種具有樹脂狀結(jié)構(gòu)的堿性陽離子蛋白質(zhì)。將不同質(zhì)量比的 mRNA 與魚精蛋白結(jié)合可產(chǎn)生不同直徑的靜電魚精蛋白-mRNA 復(fù)合物顆粒。這種緊密結(jié)合的形式有效保護(hù) mRNA 不被血清 RNases 降解，且復(fù)合物可以引起 DC、單核細(xì)胞、B 細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞和中性粒細(xì)胞等免疫細(xì)胞的強(qiáng)烈免疫反應(yīng)。 

 

當(dāng)前，mRNA 疫苗遞送更傾向于使用基于脂質(zhì)或聚合物的納米顆粒作為有效且多功能的遞送載體。基于脂質(zhì)的納米顆粒 (LNP) 是目前臨床上先進(jìn)的 mRNA 遞送載體。截至 2021 年 6 月，所有正在開發(fā)或批準(zhǔn)用于臨床的 SARS-CoV-2 mRNA 疫苗大多采用脂質(zhì)納米顆粒 (LNP) 作為 mRNA 遞送載體。

 

圖 4：不同的 mRNA 陽離子載體及其成分^[9]

a. 脂質(zhì)納米顆粒，成分：可離子化脂質(zhì)、膽固醇、輔助磷脂和聚乙二醇化脂質(zhì)，LNP 將 mRNA 包裹在其核心中。b. 復(fù)合物和聚合物納米粒子：與 LNP 有相似的優(yōu)勢并能有效地傳遞 mRNA 。c. 陽離子納米乳液：納米乳液由一個(gè)油性角鯊烯核心組成，該核心由一個(gè)脂質(zhì)殼穩(wěn)定，該脂質(zhì)殼將 mRNA 吸附到其表面。

傳染病疫苗: 目前正在開發(fā)的 mRNA 疫苗主要可分為 2 大類：預(yù)防性疫苗、治療性疫苗。COVID 疫苗是針對傳染病的預(yù)防性疫苗，盡管國內(nèi)已有效果顯著的滅活疫苗用于注射，但 mRNA 國產(chǎn)賽道正在進(jìn)入高速發(fā)展起飛，如下圖 5 為國內(nèi)針對新冠疫苗的研究進(jìn)展。

 在針對新冠病毒的疫苗之外，多款針對其他病毒的 mRNA 疫苗也已進(jìn)入臨床開發(fā)階段，用于預(yù)防巨細(xì)胞病毒 (CMV)、寨卡病毒、呼吸道合胞病毒 (RSV)、流感病毒、狂犬病毒等病原體的感染。

 

圖 5：國內(nèi) mRNA 疫苗研究狀況^[9]

 

癌癥疫苗: 與傳染病類疫苗相反，針對癌癥的 mRNA 疫苗多為治療性疫苗。針對腫瘤相關(guān)或腫瘤特異性抗原 (TAA 或 TSA) 的 mRNA 疫苗特異性地攻擊和破壞過度表達(dá)抗原的惡性細(xì)胞，并由于免疫記憶而實(shí)現(xiàn)慢性治療作用。mRNA 疫苗還允許同時(shí)遞送多種抗原，涵蓋各種 TAA，同時(shí)引發(fā)體液和細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，增加克服疫苗耐藥性的可能性。 

圖 4：體內(nèi) mRNA 調(diào)控腫瘤的各種策略^[11]

包括 (1). 誘導(dǎo)細(xì)胞死亡 (2). 結(jié)合腫瘤相關(guān)樹突狀細(xì)胞 (3). 抑制細(xì)胞類型，如腫瘤相關(guān)的巨噬細(xì)胞 (4). 細(xì)胞因子環(huán)境 (5).誘導(dǎo)癌癥特異性 T 細(xì)胞

 

與其他免疫療法相比，癌癥疫苗提供了特異性、安全和可耐受的治療。如 CAR-T 療法在治療血液病方面非常有效，但在治療實(shí)體腫瘤仍存在許多挑戰(zhàn)。mRNA 疫苗助力 CAR-T 療法：BNT211 是由帶有緊密連接蛋白 Claudin-6 (CLDN6) 的第二代特異性CAR-T 細(xì)胞組成，該 CAR-T 細(xì)胞與 CAR-T 細(xì)胞擴(kuò)增 RNA 疫苗 (CARVac) 結(jié)合使用，可促進(jìn) CLDN6-CAR-T 細(xì)胞的擴(kuò)增、實(shí)現(xiàn)了對抗實(shí)體腫瘤的有效性。今年的 AACR 會上，BioNTech 公布了靶向?qū)嶓w瘤的 BNT211 的臨床試驗(yàn)結(jié)果：16 名患者臨床數(shù)據(jù)表明：疾病控制率為 86%，總體緩解率為 43%。  

 

總結(jié): 

mRNA 疫苗作為一種核酸疫苗，通過將 mRNA 片段注入人體細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生抗原，再由此激發(fā)特異性免疫反應(yīng)，達(dá)到形成免疫記憶的效果。新冠疫情的爆發(fā)為 mRNA 疫苗的發(fā)展帶來巨大機(jī)遇，但 mRNA 疫苗應(yīng)用并不局限于此，多種 mRNA 疫苗已經(jīng)在多個(gè)臨床應(yīng)用中表現(xiàn)出巨大的治療潛力，mRNA 疫苗有望為腫瘤免疫疾病及多種傳染病的控制帶來無限希望。

 

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