在 COVID-19 疫情成功之後，研究人員致力於開發針對其他疾病的 mRNA 疫苗

當針對 COVID-19 的各種疫苗正在進行臨床試驗時，只有少數專家預計未經證實的 mRNA 技術會成為明星。在 10 個月內，mRNA 疫苗既是首批獲得批准的疫苗，也是最有效的疫苗。雖然這些是首批獲得批准的 mRNA 疫苗，但 mRNA 疫苗的故事始於 30 多年前，並且在此過程中經歷了許多坎坷。

1990 年，已故的醫師科學家喬恩·A·沃爾夫和他在威斯康星大學麥迪遜分校的同事將 mRNA 注射到小鼠體內，導致小鼠體內的細胞產生編碼蛋白。在許多方面，這項工作是利用 mRNA 製造疫苗的第一步，但還有很長的路要走——對於許多應用來說仍然如此。

傳統疫苗使用減弱或滅活的微生物形式來調動免疫系統對抗入侵者。當一個人接種 mRNA 疫苗後，他們的細胞會製造部分或全部蛋白質，從而引起免疫反應，包括抗體的產生。儘管最廣為人知的例子是 BioNTech-輝瑞和 Moderna 針對引起 COVID 的 SARS-CoV-2 冠狀病毒的 mRNA 疫苗，但這只是該領域的一小部分——而且這些疫苗並非首次嘗試使用 mRNA。

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儘管使用這種分子作為疫苗的基礎有很多好處，但它也帶來了一些根本性的挑戰：它在細胞內不是很穩定，並且當用作基因傳遞工具時，mRNA 不能有效地翻譯成蛋白質。如今，mRNA 可以被設計用於對抗許多疾病，但它並非對所有疾病都有效。

mRNA 的優勢

德國生物技術公司 BioNTech 的首席醫療官厄茲勒姆·圖雷西（醫生、免疫學家和企業家）表示，“mRNA 有幾個有趣的特性，使其對疫苗具有吸引力。” 在這種應用及其他領域，適應性是這種分子的關鍵特徵：mRNA 不僅可以被設計用於製造疫苗的抗原，還可以編碼抗體、細胞因子和其他與免疫系統相關的蛋白質。她解釋說：“mRNA 的多功能性創造了巨大的設計空間。”

BioNTech 的科學家們花費多年時間研究和開發全面掌控 mRNA 的技術，包括最佳化其非編碼部分、設計特定序列、開發生產工藝等等。圖雷西用以下語言描述了這些努力的結果：“我們有一個多樣化的工具箱，透過混合和匹配這個工具箱中的模組，我們可以設計出具有我們為特定目的所需功能的 mRNA。” 她補充說，“這有點像編寫程式碼——透過掌握一種術語豐富的程式語言，人們可以給出任何想要的指令。” 藉助 BioNTech 工具箱，科學家們可以控制蛋白質的產生量和持續時間、mRNA 的給藥途徑、表達蛋白質的細胞，以及 mRNA 是否精確啟用或抑制免疫系統。

一旦科學家們知道他們想要製造什麼 mRNA，這個過程就相對容易了。對於疫苗而言，使用 mRNA 比傳統方法（在細胞或雞蛋中培養疫苗）要快得多。為了製造 mRNA，科學家首先使用計算機來佈置所需的序列。然後，使用體外轉錄反應來建立可以合成所需 mRNA 的 DNA 模板。因此，這個過程不需要細胞培養或動物材料，並且無論 mRNA 的序列如何，生產過程都基本保持不變。

增強方法

儘管 mRNA 疫苗在對抗 COVID 疫情中的高效性似乎是奇蹟，但這遠非故事的全部。沃爾夫 1990 年代的工作引發了人們對使用 mRNA 疫苗的興趣，但科學家們遇到了一個根本問題：“RNA 具有高度炎症性，”賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的醫師科學家德魯·韋斯曼說。

2005 年，韋斯曼和他的同事卡塔琳·卡里科（現任職於賓夕法尼亞大學和 BioNTech）找到了一種降低 RNA 炎症性的方法。他們表明，在 RNA 的基本結構中加入修飾的核苷，可以顯著降低炎症反應。這項工作探索了諸如 5-甲基胞嘧啶、假尿苷和其他形式的核苷的使用。韋斯曼說，透過這些修改，“您可以將 mRNA 可以產生的蛋白質數量增加 10 到 1000 倍，並製造出更好的疫苗。” 此外，色譜技術可以去除汙染物，例如雙鏈 mRNA，從而進一步降低炎症反應。

十年後，根特大學基因治療實驗室的首席研究員尼克·桑德斯和他的同事們發現了 mRNA 的另一種修飾。與之前的修飾產生的 mRNA 相比，摻入 N1-甲基假尿苷修飾的 mRNA 單獨或與 5-甲基胞嘧啶一起使用時，產生的預期產物多達 44 倍，並且仍然可以減少對分子的免疫攻擊。桑德斯說：“這仍然是最好的修飾，並且也用於 BioNTech-輝瑞和 Moderna 的 COVID-19 mRNA 疫苗中。”

構建載體

微生物學家賈斯汀·裡奇納（伊利諾伊大學芝加哥醫學院）說，無論是否經過化學修飾，單獨注射 mRNA 都無法發揮作用。“裸露的 mRNA 會被破壞，並且不會被細胞吸收。” 一旦 mRNA 被注射，細胞外核糖核酸酶就會將其切碎。

各種版本的脂質，例如可電離脂質奈米顆粒，可用於安全地將 mRNA 遞送至靶細胞。圖雷西和她的同事優化了一種療法，她將其描述為“不同的脂質體配方，使 RNA 適合各自的目的，例如肌肉內注射或靜脈注射，以及靶向特定細胞型別。” BioNTech 發現，例如，對於基於脂質體配方 mRNA 的抗癌疫苗，抗原主要在淋巴結室的樹突狀細胞中表達。這些細胞專門用於引發抗原特異性免疫反應。

未來，科學家們希望能夠更好地控制最終的蛋白質生產。在包括麻省理工學院合成生物學家羅恩·韋斯等人在內的合作中，桑德斯描述了可切換的 mRNA。“這是 mRNA 的開關，”桑德斯說，“我們已經證明它在小鼠身上有效。” 使用這種形式的 mRNA，可以在需要時開啟治療，並且可以更精確地控制蛋白質的生產水平。

這些改進中的每一項——減少炎症、增加表達、保護性遞送和受控蛋白質生產——都使研究人員能夠構建更好的基於 mRNA 的疫苗。

改進流感疫苗

在最常用的疫苗中，流感疫苗可能最需要改進。據估計，這種疫苗每年可預防數萬例住院病例。然而，美國疾病控制與預防中心關於 2009-2020 年季節性流感疫苗的資料表明，平均有效率約為 43%。在此期間，即使是最有效的疫苗——2010-2011 年的疫苗——也僅達到 60% 的有效率。在最壞的情況下，在 2014-2015 年，疫苗的有效率僅為 19%，僅保護了約五分之一的人。

為這些疫苗辯護的是，它們必須追蹤一個移動的目標。葛蘭素史克公司疫苗研發高階副總裁兼全球負責人菲利普·多米策爾說：“流感疫苗是唯一一種常規更換的大規模分銷生物製品。” “流感面臨的一大挑戰是跟上變化。”

使用傳統方法制造流感疫苗，開發人員必須修改正在製造的病毒或蛋白質。這種修改可能需要改變生產工藝。例如，修改後的病毒的生長方式可能與預期略有不同，這可能需要改變疫苗的配方。此外，供應商通常在流感疫苗使用前六個月開始生產，因此當人們接種疫苗時，它們可能無法提供針對本季最流行的流感毒株的保護。

多米策爾說，使用基於 mRNA 的方法，“用 mRNA 替換一個基因對其生產特性的改變非常小，這比改變病毒株容易得多。” 速度也很重要，開發人員可以快速製造 mRNA 疫苗。“您將毒株選擇移至流感季節的時間越近，您就越準確，”多米策爾說。由於他們可以更快地製造 mRNA 疫苗，製造商可以選擇比傳統方法更晚的目標流感毒株，這應該會提高治療的有效性。

mRNA 疫苗背後的工程技術還允許科學家構建多價疫苗。多米策爾解釋說：“我們可以增加正在表達的抗原數量，這可以提高流感疫苗的穩健性。”

然而，為一種新的流感疫苗尋求批准與 COVID 疫苗的情況不同，COVID 疫苗當時沒有治療方法或疫苗。對於流感，多米策爾說，“市面上有很多疫苗，但它們的有效性可能會更好。” “因此，流感疫苗必須滿足所有條件：有效性、可靠性、供應、耐受性等等，這一點非常重要。”

因此，製藥公司很可能只有在基於 mRNA 的流感疫苗在多個方面超過現有疫苗時才會將其推向市場。

探索其他感染

COVID 和流感只是可能使用基於 mRNA 的疫苗治療的眾多傳染病中的兩種。例如，韋斯曼說，“我們正在研究大約 30 種不同的 mRNA 疫苗，包括針對流感、HIV、丙型肝炎、瘧疾、肺結核和許多其他疾病的疫苗。” 僅此一點就表明 mRNA 在構建疫苗方面的靈活性。

韋斯曼指出，一種由 mRNA 和脂質奈米顆粒製成的疫苗與另一種疫苗非常相似。“重要的是找到合適的抗原，”他補充道。“我們花費大量時間和精力進行大量實驗，以找到使疫苗發揮最佳作用的最佳抗原。”

對於某些感染，找到好的靶向抗原比其他感染更容易。韋斯曼說，對於 HIV，“包膜是重要的抗原，但它變異迅速，並且被糖覆蓋，您需要解決這些問題才能製造出產生正確反應的抗原。” mRNA 的設計也可能需要改變。

韋斯曼和賓夕法尼亞大學的病毒專家哈維·弗裡德曼找到了生殖器皰疹的靶向抗原。利用這些抗原，科學家們開發了一種由核苷修飾的 mRNA 和脂質奈米顆粒製成的疫苗。在小鼠和豚鼠中的測試表明，這種疫苗可以預防導致生殖器皰疹的病毒感染。韋斯曼說：“這種疫苗正在進入臨床試驗。”

mRNA 在疫苗中的應用也為以前難以解決但高度流行的病原體感染（如登革熱病毒）帶來了希望。登革熱病毒由蚊子傳播，危害著全球近一半人口，每年感染多達 4 億人。由於沒有針對這種感染的治療方法，裡奇納正在研究一種疫苗。

裡奇納說：“登革熱有點複雜。” 它由四種不同的病毒組成，這些病毒會導致類似的疾病。“我們希望針對所有四種病毒，”他指出。鑑於隨後感染不同的登革熱病毒往往會因抗體介導的增強作用而更加嚴重，因此靶向所有四種登革熱病毒是必要的。

裡奇納和他的同事從登革熱病毒血清型 1 開始。與韋斯曼一樣，裡奇納的團隊在脂質奈米顆粒中使用了核苷修飾的 mRNA。疫苗引起的中和抗體足以保護小鼠免受致命攻擊。現在，裡奇納的研究小組正在努力將這種疫苗擴充套件到血清型 2、3 和 4，登革熱病毒的差異需要在靶向每種病毒時進行一些調整。他說：“我們需要針對每種病毒最佳化疫苗。” 目標是用一種疫苗提供針對所有四種登革熱病毒的保護。

在 CureVac，該公司基於 mRNA 的狂犬病疫苗的 1 期臨床試驗資料看起來很有希望。CureVac 前通訊副總裁托爾斯滕·舒勒說：“極低劑量的疫苗接種在所有受試者中都產生了免疫反應。” “這首次證明了 mRNA 技術的潛力。”

開發抗癌疫苗

在 COVID 疫情爆發之前，圖雷西和她在 BioNTech 的同事們正在研究基於 mRNA 的抗癌疫苗。她解釋說：“您希望用敵人的通緝令來對抗患者的免疫系統，並訓練免疫系統的效應器識別敵人，並讓免疫系統知道這是危險的。”

圖雷西說，mRNA 可用於遞送兩種型別的癌症抗原。第一種方法是向免疫系統展示一個人自身的抗原，這些抗原通常在健康細胞中被關閉——胚胎基因編碼的抗原將是這方面的一個例子——但卻在癌細胞中表達。在這裡，抗癌疫苗將觸發對攜帶這些抗原的細胞的攻擊。她說：“對於每種癌症適應症，我們都使用計算機演算法和機器學習來識別儘可能多患者的抗原。” 例如，對於黑色素瘤，四種抗原覆蓋了 90% 以上的患者。BioNTech 製造了一種針對所有四種抗原的多價 mRNA 疫苗，目前正在進行臨床試驗。

或者，基於 mRNA 的疫苗可以靶向癌症的突變。然而，突變的概況對於每位患者都是獨一無二的，這需要個性化的方法。圖雷西說：“這是 mRNA 的完美遊樂場。” “我們從患者概況入手，在四周內為該患者生成一種多價、多突變疫苗，並用它來治療他們。”

這種方法正在 BioNTech 和 Genentech/Roche 進行的幾項臨床試驗中使用，它採用的方法與製造 BioNTech-輝瑞 COVID 疫苗的方法類似。圖雷西將該策略描述為分析“遺傳資訊以定製疫苗並快速生產”。她補充說，“我們已經為我們的癌症患者做了數百次這樣的事情，”這解釋了他們 COVID 疫苗開發背後的一些速度，以及為什麼她和她的同事感到有能力在必要時適應病毒變體。

對於實體瘤，僅靠免疫系統的攻擊是不夠的。腫瘤的微環境以各種方式對抗免疫反應，包括抑制 T 細胞的作用。教堂山北卡羅來納大學的生物物理學家葉夫·黃說，對於黑色素瘤，“腫瘤微環境是這些疫苗治療的真正障礙。” 疫苗必須與另一種修飾微環境的治療方法相結合，從而使疫苗觸發的 T 細胞能夠進入腫瘤組織。黃和他的同事將疫苗與化療藥物舒尼替尼結合使用，發現這種組合有助於免疫細胞到達腫瘤，從而提高了疫苗的療效。桑德斯認為，細胞因子（如 IL-12）也是打破免疫抑制性腫瘤微環境的良好候選者，他的團隊成功地將 IL-12 基因療法與基於基因的抗癌疫苗結合使用。

然而，黃說，“開發能夠安全有效地修飾腫瘤微環境的藥物還有很長的路要走。”

擴充套件創新

在許多方面，mRNA 疫苗才剛剛起步。裡奇納說：“我們沒有針對每種疾病的平臺，但 mRNA 疫苗的最大優勢在於，我們可以快速連續地測試新的假設。” “對於新疫苗，我們需要找到產生良好免疫反應的原因，這需要基礎科學。”

該領域將在未來幾年推動更多的基礎科學研究。還將涉及大量的工程技術。在 BioNTech，圖雷西稱該公司的疫苗科學家為“免疫工程師”，並展望未來會有許多進步。當她想到 mRNA 疫苗的可能性時，她說，“這關係到創新的本質——不是一項發明，而是找出許多事情中什麼是可能的，並將它們結合在一起。”

本文經許可轉載，並於 2021 年 5 月 31 日首次發表於《自然-醫學》。