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[医学资讯] RNA疫苗

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发表于 2021-7-5 01:00:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
核糖核酸 (RNA) 疫苗或信使 RNA (mRNA) 疫苗是一种疫苗,它使用称为信使 RNA (mRNA) 的天然分子的副本来产生免疫反应。该疫苗将合成 RNA 分子转染到免疫细胞中。一旦进入免疫细胞,疫苗的 RNA 就会发挥 mRNA 的作用,导致细胞构建通常由病原体(如病毒)或癌细胞产生的外源蛋白质。这些蛋白质分子刺激适应性免疫反应,教会身体如何识别和破坏相应的病原体或癌细胞。 mRNA 的传递是通过将分子共同配制到脂质纳米颗粒中来实现的,脂质纳米颗粒保护 RNA 链并帮助它们吸收到细胞中。

反应原性,即疫苗能够产生常见的、预期的不良反应的特性,与传统的非 RNA 疫苗相似。对自身免疫反应敏感的人可能对 RNA 疫苗有不良反应。 RNA 疫苗相对于传统蛋白质疫苗的优势在于优越的设计[如何?] 和生产速度、较低的生产成本以及诱导细胞和体液免疫。辉瑞-BioNTech COVID-19 疫苗在分发前需要超低温储存,但其他 mRNA 疫苗不需要[为什么?],例如 Moderna、CureVac 和 Walvax 的 COVID-19 疫苗。

在 RNA 疗法中,mRNA 疫苗作为 COVID-19 疫苗引起了相当大的兴趣。到 2020 年 12 月,有两种 COVID-19 新型 mRNA 疫苗已完成所需的最终人体试验后八周时间并正在等待紧急使用授权 (EUA):Moderna COVID-19 疫苗 (mRNA-1273) 和辉瑞-BioNTech COVID-19 疫苗(BNT162b2)。 2020 年 12 月 2 日,英国药品和保健品监管局 (MHRA) 成为首个批准 mRNA 疫苗的药品监管机构,授权辉瑞-BioNTech COVID-19 疫苗 (Comirnaty) 广泛使用。 2020 年 12 月 11 日,美国食品和药物管理局 (FDA) 发布了辉瑞-BioNTech COVID-19 疫苗的 EUA,美国疾病控制与预防中心 (CDC) 于 12 月 12 日建议将其用于 16 岁及以上的人群2020. 2020 年 12 月 19 日,在 FDA 批准 EUA 后,CDC 建议在成人中使用 Moderna COVID-19 疫苗。

在疫苗中使用 RNA 一直是通过社交媒体传播的大量错误信息的基础,错误地声称使用 RNA 会改变一个人的 DNA,这本身在生物学上是不可能发生的。


mRNA 体外转录和先天免疫激活。

内容
1 历史
2 机制
3 递送
3.1 离体
3.2 体内
3.2.1 裸 mRNA 注射
3.2.2 多重向量
3.2.3 脂质纳米颗粒载体
3.2.4 病毒载体
4 副作用和风险
4.1 总则
4.2 存储
5 优势
5.1 传统疫苗
5.2 DNA疫苗
6 疫苗犹豫
7 COVID-19 mRNA 疫苗的功效
8 自扩增RNA
9 参考

历史


基于 mRNA 的药物技术发展的一些关键发现和进展的时间表。

1989 年,加利福尼亚生物技术初创公司 Vical 的研究人员首次实现了 mRNA 可用于治疗目的的想法。当年与索尔克研究所合作的研究人员发表了一篇文章,表明纳米粒子可以将 mRNA 转染到细胞中。 1990 年,威斯康星大学的 Jon Wolff 与 Vical 的研究人员合作,报告了将“裸”(或未受保护的)mRNA 注射到小鼠肌肉中的阳性结果。这些研究是体外转录 (IVT) mRNA 可以传递遗传信息以在活细胞组织内产生蛋白质的第一个证据。

1990 年,Vical 和威斯康星大学在动物体内证明了体外转录的 mRNA 活性,此后不久就提出了将 mRNA 用于免疫目的的提议。 1993 年,Martinon 证明脂质体包裹的 RNA 可以在体内刺激 T 细胞,1994 年,Zhou 和 Berglund 发表了第一个证据,证明 RNA 可以用作疫苗来引发针对病原体的体液和细胞免疫反应。


Katalin Karikó 是 mRNA 疫苗开发关键发现背后的科学家。

匈牙利生物化学家 Katalin Karikó 在 1990 年代试图解决将 mRNA 引入细胞的一些主要技术障碍。 Karikó 与美国免疫学家 Drew Weissman 合作,到 2005 年,他们发表了一篇联合论文,通过使用修饰的核苷在不启动身体防御系统的情况下将 mRNA 引入细胞内,解决了一个关键技术障碍。 Karikó 在专注于为什么在实验中用作对照的转移 RNA 不会引起与信使 RNA 相同的免疫反应后,得出了她的关键见解。哈佛干细胞生物学家 Derrick Rossi(当时在斯坦福大学)阅读了 Karikó 和 Weissman 的论文并认识到他们的工作是“开创性的”,并于 2010 年与 Robert Langer 一起创立了以 mRNA 为重点的生物技术 Moderna,后者也看到了其在疫苗开发方面的潜力。 Moderna 和 BioNTech 都获得了 Karikó 和 Weissman 工作的许可。

2010 年,美国政府机构 DARPA 启动了一项名为 ADEPT 的生物技术研究计划,作为其为美国军方开发新兴技术的使命的一部分。 2011 年,DARPA 认识到核酸技术在抵御流行病方面的潜力,并开始通过 ADEPT 对该领域进行投资。 DARPA 的拨款被视为信任投票,这反过来又鼓励其他政府机构和私人投资者也投资于 mRNA 技术。 2013 年,DARPA 向 Moderna 授予了 2500 万美元的赠款。

直到 2020 年,这些 mRNA 生物技术公司在检测 mRNA 药物治疗心血管代谢肾脏疾病方面的结果都很差;选定的癌症靶点;以及 Crigler-Najjar 综合征等罕见疾病,大多数人发现 mRNA 传递方法的副作用太严重。人类使用的 mRNA 疫苗已经开发出来并针对狂犬病、寨卡病毒、巨细胞病毒和流感等疾病进行了测试,尽管这些 mRNA 疫苗尚未获得许可。许多大型制药公司放弃了这项技术,而一些生物技术公司则重新专注于利润较低的疫苗领域,在这些领域中剂量较低且副作用减少。

在 COVID-19 大流行开始时,没有任何 mRNA 药物或疫苗被批准用于人类。 2020 年 12 月,Moderna 和辉瑞-BioNTech 均获得了其基于 mRNA 的 COVID-19疫苗的紧急使用授权,该疫苗由 Operation Warp Speed 资助(直接在 Moderna 的情况下,间接在辉瑞-BioNTech 的情况下)。 2020 年 12 月 2 日,也就是在为期 8 周的最后试验后 7 天,英国药品和保健品监管局 (MHRA) 成为历史上第一个批准 mRNA 疫苗的全球药品监管机构,授予辉瑞-BioNTech 的 BNT162b2 COVID 紧急授权 -19疫苗广泛使用。 MHRA 首席执行官琼·雷恩 (June Raine) 表示,“在批准它时没有走捷径”,而且“收益大于风险”。 2020 年 12 月 11 日,FDA 授予辉瑞-BioNTech COVID-19 疫苗紧急使用授权。

机制


RNA疫苗作用机制的说明

疫苗的目标是刺激适应性免疫系统产生精确针对特定病原体的抗体。抗体所针对的病原体上的标记称为抗原。

mRNA 疫苗的运作方式与传统疫苗截然不同。传统疫苗通过向肌肉注射抗原、减毒病毒(减弱或无害的病毒)或重组抗原编码病毒载体(带有抗原的载体病毒)来刺激抗体反应。这些含有抗原的成分在体外制备和生长。

相比之下,mRNA 疫苗将病毒 RNA 序列的短寿命合成片段引入接种的个体。这些 mRNA 片段被树突状细胞(一种免疫系统细胞)通过吞噬作用吸收。树突细胞使用它们自己的内部机制(核糖体)来读取 mRNA 并在破坏 mRNA 之前产生 mRNA 编码的病毒抗原。尽管非免疫细胞可能会吸收疫苗 mRNA、制造尖峰并在其表面显示尖峰,但树突状细胞更容易吸收 mRNA 小球。

一旦宿主细胞产生病毒抗原,就会遵循正常的适应性免疫系统过程。抗原被蛋白酶体分解,然后 I 类和 II 类 MHC 分子附着在抗原上并将其运输到细胞膜,“激活”树突细胞。 [未通过验证] 一旦树突细胞被激活,它们就会迁移到淋巴结,其中抗原呈递给 T 细胞和 B 细胞。这最终会导致产生专门针对抗原的抗体,从而产生免疫力。

使用 mRNA 使宿主细胞产生抗原的好处是,疫苗制造者比抗原蛋白或减毒病毒更容易产生 mRNA。另一个好处是设计和生产的速度。 Moderna 在 2 天内为 COVID-19 设计了 ​​mRNA-1273 疫苗。 RNA 疫苗的另一个优点是,由于抗原是在细胞内产生的,它们可以刺激细胞免疫以及体液免疫。

mRNA 疫苗不会影响或重新编程细胞内的 DNA。合成的 mRNA 片段是病毒 RNA 特定部分的副本,它携带着构建病毒抗原的指令(在主要的冠状病毒 mRNA 疫苗的情况下是蛋白质刺突),与人类 DNA 无关。这种误解随着 COVID-19 mRNA 疫苗的出现而广为流传,是一个被揭穿的阴谋论。

产生外源蛋白质后,mRNA 应在细胞中降解。然而,由于 mRNA 疫苗的制造商对具体配方(包括脂质纳米颗粒药物递送涂层的确切成分)保密,因此第三方尚未研究细节和时间。

递送
疫苗递送的方法可以根据向细胞的 RNA 转移发生在生物体内(体内)还是体外(离体)来大致分类。

离体
树突状细胞是一种免疫细胞,其表面显示抗原,导致与 T 细胞相互作用以启动免疫反应。可以从患者身上收集树突细胞并用所需的 mRNA 进行编程。然后,它们可以重新给药回患者以产生免疫反应。

体内
由于发现在直接给药后引入体外转录的 mRNA 导致体内表达,体内方法变得越来越有吸引力。与离体方法相比,它们具有一些优势,特别是通过避免从患者身上收获和适应树突细胞的成本,以及通过模拟常规感染。要使 RNA 疫苗接种成为一种有效的程序,这些方法仍然需要克服一些障碍。需要绕过阻止未知核酸材料渗透和促进 RNase 降解的进化机制以启动翻译。此外,RNA 太重,无法通过扩散在细胞内自行移动,因此很容易被宿主细胞发现和消除。

裸体mRNA注射
裸注射意味着疫苗的递送被简单地保存在缓冲液中。这种 mRNA 摄取模式自 2000 年代以来就已为人所知。第一个全球临床研究(德国图宾根)使用皮内注射裸体 mRNA 进行疫苗接种。

1990 年代发现了使用 RNA 作为疫苗工具的自扩增 mRNA 的形式。 mRNA 疫苗的两大类是非扩增型(常规,病毒递送)和分子自扩增 mRNA(非病毒递送)。当 mRNA 以非病毒方式传递时,它会进入细胞的细胞质,并可以扩增和表达抗原蛋白。

还发现不同的注射途径,例如进入皮肤血液或肌肉,导致不同水平的 mRNA 摄取,使得给药途径的选择成为递送的关键方面。一项研究表明,在比较不同的途径时,淋巴结注射会导致最大的 T 细胞反应。

自放大 mRNA 的机制和因此的评估可能不同,因为自放大 mRNA 是一个更大的分子,因此根本不同。

复合矢量
阳离子聚合物可以与 mRNA 混合以产生称为复合物的保护涂层。这些保护重组 mRNA 免受核糖核酸酶的影响并帮助其渗透到细胞中。鱼精蛋白是一种天然阳离子肽,已被用于封装 mRNA 以进行疫苗接种。

脂质纳米粒子载体
FDA 首次批准使用脂质纳米颗粒作为药物递送系统是在 2018 年,当时该机构批准了第一种 siRNA 药物 Onpattro。将 mRNA 分子封装在脂质纳米颗粒中是生产可行的 mRNA 疫苗的关键突破,解决了将 mRNA 分子输送到宿主细胞中的许多关键技术障碍。使用脂质向细胞传递 siRNA 的研究成为类似研究使用脂质传递 mRNA 的基础。然而,必须发明新的脂质来封装比 siRNA 链长得多的 mRNA 链。

原则上,脂质提供了一层防止降解的保护,允许更强大的翻译输出。此外,脂质外层的定制允许通过配体相互作用靶向所需的细胞类型。然而,许多研究也强调了研究这种类型的传递的难度,表明纳米颗粒在细胞摄入方面的体内和体外应用之间存在不一致。纳米颗粒可以给药到身体并通过多种途径运输,例如静脉内或通过淋巴系统。

脂质纳米颗粒的一个问题是,导致该技术实际应用的多项突破涉及微流体技术的使用。微流体反应室难以按比例放大,因为微流体的全部意义在于利用液体的微尺度行为。到 2021 年,解决这一障碍的唯一方法是通过构建大量并行运行的微流体反应室以大规模并行方式进行该过程,这是一项需要定制设备的新任务。截至 2021 年 2 月,这被认为是 mRNA 疫苗制造的主要瓶颈。辉瑞后来透露,它已经利用大规模并行方法来解决这个问题。在确认冲击射流混合器无法直接放大后,辉瑞制造了大约 100 个小型混合器(每个大约有 5 美分硬币大小),用泵和过滤器将它们连接在一起,形成“管道迷宫”,并设置一个计算机系统来调节通过混合器的流量和压力。

另一个问题是用于制造脂质纳米颗粒的新型脂质的可用性,尤其是可电离的阳离子脂质。 2020 年之前,此类脂质以克或千克为单位小批量生产,用于医学研究和少数治疗罕见疾病的药物。随着 RNA 疫苗的安全性和有效性在 2020 年底变得清晰,少数能够生产所需脂质的公司面临着扩大生产以应对数吨脂质订单的挑战。

病毒载体
除了非病毒传递方法,RNA 病毒已被设计为实现类似的免疫反应。用作载体的典型 RNA 病毒包括逆转录病毒、慢病毒、甲病毒和弹状病毒,每种病毒的结构和功能都可能不同。临床研究已将此类病毒用于小鼠、鸡和灵长类动物等模型动物的一系列疾病。

副作用和风险
反应原性与传统的非 RNA 疫苗相似。然而,那些对自身免疫反应敏感的人可能会对 RNA 疫苗产生不良反应。疫苗中的 mRNA 链可能会引发意外的免疫反应,您的身体会认为自己生病并表现得像它一样。为了最大限度地减少这种情况,mRNA 疫苗中的 mRNA 序列被设计为模拟宿主细胞产生的序列。

新型 COVID-19 RNA 疫苗的试验报告了强烈但短暂的反应原性效应;大多数人不会出现严重的副作用,包括发烧和疲劳。严重的副作用被定义为那些妨碍日常活动的副作用。

一般
在 2020 年之前,没有任何 mRNA 技术平台(药物或疫苗)被授权用于人类,因此存在未知作用的风险。 2020 年 COVID-19 大流行需要更快的 mRNA 疫苗生产能力,使它们对国家卫生组织具有吸引力,并引发了关于 8-8 之后 mRNA 疫苗应获得的初始授权类型(包括紧急使用授权或扩展访问授权)的争论。最终人体试验后的一周时间。

贮存
由于 mRNA 是脆弱的,一些疫苗必须保存在非常低的温度下,以避免降解,从而对受体产生很少的有效免疫力。 Pfizer–BioNTech 的 BNT162b2 mRNA 疫苗必须保持在 -80 和 -60 °C(-112 和 -76 °F)之间。 Moderna 表示,他们的 mRNA-1273 疫苗可以储存在 -25 到 -15 °C(-13 和 -5 °F)之间,这与家用冰箱相当,并且在2°C 和 8°C(36°F 和 46°F)最多 30 天。 2020 年 11 月,Nature 报道,“虽然 LNP 配方或 mRNA 二级结构的差异可能是 [Moderna 和 BioNtech 之间] 热稳定性差异的原因,但许多专家怀疑这两种疫苗产品最终将证明具有相似的储存要求和保质期在各种温度条件下。”正在研究几种可能允许在更高温度下储存的平台。

好处
传统疫苗
RNA 疫苗比传统的蛋白质疫苗具有特定的优势。因为 RNA 疫苗不是由活性病原体(或什至是灭活的病原体)构建的,所以它们是非传染性的。相比之下,传统疫苗需要生产病原体,如果大量生产,可能会增加生产设施局部爆发病毒的风险。 RNA 疫苗可以更快、更便宜、更标准化的方式(生产中的错误率更低)生产,这可以提高对严重爆发的反应能力。例如,辉瑞-BioNTech 疫苗最初需要 110 天才能生产(之前辉瑞开始将生产过程优化到只有 60 天),但这仍然比传统的流感和脊髓灰质炎疫苗快得多。在那个更大的时间范围内,实际生产时间只有大约 22 天:DNA 质粒的分子克隆和 DNA 纯化需要两周,DNA 到 RNA 的转录和 mRNA 的纯化需要四天,以及将 mRNA 封装在脂质中的四天纳米粒子,然后填充和完成。每次生产运行所需的大部分天数都分配给每个阶段的严格质量控制。

DNA疫苗
除了共享理论 DNA 疫苗相对于已建立的传统蛋白质疫苗的优势外,RNA 疫苗还具有优于 DNA 疫苗的额外优势。 mRNA在细胞质中翻译,因此无需RNA进入细胞核,避免了被整合到宿主基因组中的风险。修饰的核苷(例如,假尿苷、2'-O-甲基化核苷)可掺入 mRNA 以抑制免疫反应刺激,从而避免立即降解并通过增强翻译能力产生更持久的效果。 mRNA 的开放阅读框 (ORF) 和非翻译区 (UTR) 可以针对不同目的进行优化(称为 mRNA 序列工程的过程),例如通过丰富鸟嘌呤胞嘧啶含量或选择已知可增加翻译的特定 UTR。

可以添加编码复制机制的额外 ORF 以放大抗原翻译,从而增强免疫反应,减少所需的起始材料量。

疫苗犹豫
有错误信息暗示 mRNA 疫苗可以改变细胞核中的 DNA。细胞质中的 mRNA 在有时间进入细胞核之前会非常迅速地降解。 (mRNA疫苗必须储存在非常低的温度以防止mRNA降解。)逆转录病毒可以是单链RNA(就像SARS-CoV-2疫苗是单链RNA)进入细胞核并使用逆转录酶制造DNA来自细胞核中的RNA。逆转录病毒具有输入细胞核的机制,但其他 mRNA 缺乏这些机制。一旦进入细胞核,没有引物就无法从 RNA 产生 DNA,它伴随着逆转录病毒,但如果放置在细胞核中,其他 mRNA 就不会存在引物。因此,mRNA 疫苗不能改变 DNA,因为它们不能进入细胞核,也因为它们没有激活逆转录酶的引物。

2020 年 11 月,《华盛顿邮报》报道了美国医疗保健专业人员对新型 mRNA 疫苗的犹豫不决,并援引调查称“有些人不想进入第一轮,所以他们可以观望是否有潜在的副作用”。

COVID-19 mRNA 疫苗的功效
目前尚不清楚为什么来自 Moderna 和 Pfizer–BioNTech 的新型 mRNA COVID-19 疫苗显示出 90% 至 95% 的潜在有效率,而先前针对除 COVID-19 以外的病原体进行的 mRNA 药物试验并不那么有希望并且不得不放弃试验的早期阶段。医师兼科学家 Margaret Liu 表示,这可能是由于“大量资源”投入开发,或者疫苗可能“引发对 mRNA 的非特异性炎症反应,这可能会增强其特异性免疫反应,因为改良的核苷技术减少了炎症,但并没有完全消除炎症”,“这也可以解释一些 mRNA SARS-CoV-2 疫苗接种者报告的剧烈反应,如疼痛和发烧”。这些反应虽然严重,但都是短暂的,另一种观点认为它们是对脂质药物递送分子的反应。

与 DNA 分子不同,mRNA 分子是一种非常脆弱的分子,在暴露的环境中会在几分钟内降解,因此 mRNA 疫苗需要在非常低的温度下运输和储存。在细胞或其药物递送系统之外,mRNA 分子也很快被宿主分解。 mRNA 分子的这种脆弱性是任何 mRNA 疫苗功效的障碍,因为它在进入细胞之前会大量分解,这可能会让人们相信,并在他们没有免疫时表现得好像他们是免疫的。

自扩增RNA
自扩增 RNA (saRNA) 是一种类似于 mRNA 的技术,不同之处在于 saRNA 在像 mRNA 一样产生蛋白质之前在细胞中产生自身的多个拷贝。这允许使用更小的数量并具有其他潜在优势。正在研究 saRNA 疫苗,包括开发疟疾疫苗。

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