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mRNA疫苗的設計和載體

健康知識養生常識

作者：小藥說藥
【mRNA疫苗的設計和載體】前言
疫苗是預防傳染性疾病傳播的最有效的公共衛生干預措施 。 成功的疫苗接種根除了許多威脅生命的疾病 ， 如天花和脊髓灰質炎 ， 世界衛生組織估計疫苗每年可防止200-300萬人死于破傷風、百日咳、流感和麻疹 。 然而 ， 盡管常規疫苗取得了明顯的成功 ， 但它們并不能有效對付瘧原蟲、丙型肝炎和HIV等逃避免疫監視的病原體 。 此外 ， 它們需要定期修改以應對快速變異的病原體 ， 如流感病毒 。
基于mRNA的核酸疫苗是在30多年前提出的 ， 希望能產生安全、多功能、易于生產的疫苗 。 mRNA疫苗比傳統疫苗有許多優點：與某些病毒疫苗不同 ， mRNA不會整合到基因組中 ， 從而避免了對插入突變的擔憂；mRNA疫苗可以以無細胞的方式制造 ， 從而實現快速、經濟、高效的生產 。 此外 ， 單個mRNA疫苗可以編碼多種抗原 ， 增強針對適應性病原體的免疫反應 ， 并能夠以單一配方針對多種微生物或病毒變體 。
最初 ， 由于擔心其穩定性、低效性和過度免疫刺激 ， mRNA治療并沒有得到重視 。 然而在過去的十年中 ， mRNA治療領域日新月異 ， 包括mRNA藥理學的深入研究 ， 有效載體的開發和mRNA免疫原性的控制 ， 使得mRNA疫苗的臨床應用進入了一個嶄新的階段 。
mRNA的設計與合成
體外轉錄（IVT）mRNA模擬內源性mRNA的結構 ， 有五個部分 ， 從5?到3?包括：5?cap ， 5?非翻譯區（UTR） ， 一個編碼抗原的開放閱讀框 ， 3?UTR和一個PolyA尾 。
mRNA疫苗的設計和載體
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與天然真核mRNAs一樣 ， 5′端帽結構包含一個7-甲基鳥苷核苷 ， 5′端結構會在空間上保護mRNA不被核酸外切酶降解 ， 并與翻譯起始因子蛋白協同工作 ， 招募核糖體以啟動翻譯 。 PolyA尾的長度間接調節mRNA翻譯和半衰期 。
編碼區兩側的5′和3′UTR調節mRNA翻譯、半衰期和亞細胞定位 ， 來自高表達基因（如α-和β-珠蛋白基因）的天然UTR是合成mRNAs的首選 。 此外 ， UTR可根據細胞類型進行優化 ， 如通過去除3′UTR中的miRNA結合位點和富含AU的區域 ， 將mRNA降解降至最低 。
mRNA疫苗的開放閱讀框是最關鍵的組成部分 ， 盡管開放閱讀框不像非編碼區那樣具有可塑性 ， 但可以通過優化密碼子 ， 從而在不改變蛋白質序列的情況下增加翻譯 。 例如 ， CureVacAG公司發現人類mRNA密碼子很少在第三位有A或U ， 從而用G或C替換開放閱讀框第三位的A或U 。 并將此優化策略用于其SARS-CoV-2疫苗CVnCoV ， 目前正處于III期試驗階段 。
為了最大化翻譯 ， mRNA序列通常包含修飾的核苷 ， 例如假尿苷、N1-甲基假尿苷或其他核苷類似物 。 修飾核苷的使用 ， 特別是修飾尿苷 ， 阻止了模式識別受體的識別 ， 保證了翻譯過程產生足夠水平的蛋白質 。 Moderna和Pfizer–BioNTechSARS-CoV-2疫苗都含有核苷修飾 。 另一種避免模式識別受體檢測的策略 ， 由CureVac首創 ， 使用序列工程化和密碼子優化 ， 通過提高疫苗mRNA的GC含量來消耗尿苷 。
除了mRNA序列的改進外 ， 在簡化mRNA生產方面也取得了重大進展 。 臨床上使用的合成mRNA通過使用噬菌體RNA聚合酶T7（也可以使用T3和SP6聚合酶）從DNA質粒在體外轉錄 。 另外 ， 使用CleanCap的共轉錄封蓋技術 ， 簡化了純化步驟 。
mRNA疫苗的載體
由于mRNA較大（104–106Da）且帶負電 ， 因此無法通過細胞膜的陰離子脂質雙層 。 此外 ， 在體內 ， 它會被先天免疫系統的細胞吞噬 ， 并被核酸酶降解 。 因此 ， 體內應用需要使用mRNA遞送載體 ， 該載體轉染免疫細胞而不會引起毒性或不必要的免疫原性 。 目前 ， 已經為此開發了許多基于創新材料的解決方案 。