mRNA 疫苗從設(shè)計(jì)到使用的全過(guò)程詳解

mRNA 疫苗是在體外轉(zhuǎn)錄好的一段編碼抗原蛋白的完整 mRNA，包含 5 部分：① 5’ 帽子結(jié)構(gòu)，② 5’ 非編碼區(qū) (untranslated region, UTR)，③ 一個(gè)編碼抗原的開(kāi)放閱讀框(open reading frame, ORF)， ④ 3’ 非編碼區(qū)，⑤ 3’ poly (A) 尾 (圖 1)[1]。

 Tips：

(1) 5’ 帽子結(jié)構(gòu)包含一個(gè) 7-甲基鳥(niǎo)苷 (m7G)，通過(guò)三磷酸橋連接到 mRNA 的5’端。5’ 端第一個(gè)或第二個(gè)核苷酸在核糖的 2’ 羥基上被甲基化 (2’ - O- methylation)，這阻止了 RNA 被細(xì)胞識(shí)別，從而阻止了非預(yù)期的免疫反應(yīng)。此外，5’ 帽子結(jié)構(gòu)在空間上保護(hù) mRNA 不被外切酶降解。

(2) 在 3’ 端，poly(A) 尾的長(zhǎng)度間接調(diào)控 mRNA 的翻譯和半衰期。一個(gè)足夠長(zhǎng)的尾巴 (100-150 bp) 是與 poly (A) 結(jié)合蛋白相互作用所必需的。poly (A) 結(jié)合蛋白和翻譯起始因子形成復(fù)合物招募核糖體啟動(dòng)翻譯，并且保護(hù)帽子結(jié)構(gòu)免受降解酶。

圖 1. 將無(wú)細(xì)胞生產(chǎn)的體外轉(zhuǎn)錄 mRNA 制成脂質(zhì)納米顆粒疫苗^[1]。 

A．體外轉(zhuǎn)錄 mRNA 的結(jié)構(gòu)示意圖。B. 制備 mRNA 疫苗的過(guò)程。(1) 病原體基因組測(cè)序完成后，設(shè)計(jì)目標(biāo)抗原的序列并插入到質(zhì)粒中。(2) 在體外通過(guò)噬菌體聚合酶將質(zhì)粒轉(zhuǎn)錄為 mRNA。(3) 通過(guò)高效液相色譜 (HPLC) 純化 mRNA以去除污染物和反應(yīng)物。(4) 將純化好的 mRNA 與脂質(zhì)在微流控混合器中速混合，形成脂質(zhì)納米顆粒。(5) 將納米顆粒溶液透析或過(guò)濾以除去非水溶劑和任何未封裝的 mRNA。(6) 將過(guò)濾后的 mRNA 疫苗溶液保存在滅菌的瓶中。

mRNA 疫苗不需要復(fù)雜的細(xì)胞培養(yǎng)體系和表達(dá)純化體系，可在實(shí)驗(yàn)室直接合成，因而可以實(shí)現(xiàn)快速大規(guī)模生產(chǎn)。這些優(yōu)勢(shì)使得 mRNA 疫苗在 COVID-19 疫情防控中發(fā)揮著重要作用。

但 mRNA 不穩(wěn)定且難以遞送，而且，體外產(chǎn)生的 mRNA 會(huì)引起炎癥反應(yīng)。然而，在兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)上的突破使得 mRNA 疫苗技術(shù)高歌猛進(jìn)。

基于脂質(zhì)的納米顆粒是臨床上最先進(jìn)的 mRNA 遞送載體。截至 2021 年 6 月，所有正在開(kāi)發(fā)或批準(zhǔn)用于臨床的 SARS-CoV-2 mRNA 疫苗均采用脂質(zhì)納米顆粒(LNP)。

圖 2. 脂質(zhì)納米顆粒及組成^[1]。 

Katalin Karikó 和 Drew Weissman 發(fā)現(xiàn)樹(shù)突狀細(xì)胞和 TLR 表達(dá)的細(xì)胞可被細(xì)菌和線粒體 RNA 有效激活，但不能被哺乳動(dòng)物總 RNA（其中含有豐富的修飾核苷）激活[3]。因此，他們假設(shè)核苷修飾抑制了 RNA 的免疫作用。通過(guò)使用含有修飾核苷的 RNA 刺激樹(shù)突狀細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)修飾的核苷確實(shí)可以阻止 TLR 受體的識(shí)別，特別是修飾的尿苷，誘導(dǎo)的 TNF-α 的表達(dá)量顯著降低[3]。

圖 3. Katalin Karikó 和 Drew Weissman 對(duì) RNA 核苷修飾的研究^[3][4]。

在后續(xù)研究中，Katalin Karikó 和 Drew Weissman 還證明了相比未修飾的  mRNA，修飾后的 mRNA 在實(shí)驗(yàn)小鼠體內(nèi)具有更高的翻譯能力，可以顯著增加蛋白合成[4]。

圖 4. mRNA 疫苗引起免疫反應(yīng)的機(jī)制示意]圖^[1]。