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mRNA疫苗免疫学机制研究进展
现代畜牧网 http://www.cvonet.com 2022/9/13 7:42:55 关注：1289 评论： 我要投稿
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摘要：信使核糖核酸（mRNA）疫苗属于第三代疫苗，具有抗原表达效率高、安全性高、免疫原性强、可编译性强，以及制备工艺简单、易规模化生产和针对病原体变异有效性高等技术优势，在新冠疫情防控中被视作一种革命性的疫苗技术。但mRNA 疫苗稳定性差，传递效率低，在临床应用方面受到很大限制。因此，当前及未来的研究主要集中在保证疫苗安全性的前提下，设计先进和可耐受的递送系统，来提高抗原表达和提呈的效率，以及优化mRNA结构，达到延长和控制表达持续时间的目的。本文从mRNA疫苗的分类、作用机制、技术优势、递送系统4个方面，对mRNA疫苗免疫学机制研究进行综述，旨在为mRNA疫苗研发工作提供参考。
疫苗技术分为全病毒灭活疫苗、减毒活疫苗、病毒载体嵌合疫苗、基因工程亚单位疫苗、核酸疫苗等多条技术路线。第一代灭活和减毒活疫苗的生产应用已然成熟，第二代基因工程疫苗也先后有产品问世。而信使核糖核酸（mRNA）疫苗属于第三代疫苗技术，具有制备工艺简单、易规模化生产和针对病原体变异有效性高等技术优势。灭活疫苗、亚单位疫苗安全性高，但免疫原性差，诱导细胞免疫的能力有限；弱毒疫苗、载体疫苗免疫原性强，能够诱导较强的体液免疫与细胞免疫，但安全性较差，存在核酸整合进入宿主基因组的风险，其中弱毒疫苗还存在毒力返强风险；核酸疫苗中，DNA疫苗能够同时诱导体液免疫与细胞免疫反应，但其保护效率通常较低，且也存在核酸整合进入宿主基因的风险。相关研究表明，有的mRNA本身可作为疫苗佐剂，其作用机制是通过刺激免疫系统产生多种细胞因子，从而提高机体免疫力，大大缩减免疫应答时间，增强产生和释放抗体的能力，具有极大应用价值。
mRNA疫苗的主要组成部分是人工合成的mRNA分子，其由5'端帽、5'非转录区、编码抗原的开放阅读框、3'UTR和多腺嘌呤尾5个部分组成。mRNA分子可指导细胞合成抗原，激发免疫反应。由于mRNA能够以快速、直接的方式进行反应合成，因此mRNA疫苗在面对突发性传染病流行时，能够成为理想的候选疫苗类型。本文从mRNA疫苗的分类、作用机制、技术优势、递送系统4个方面，对mRNA疫苗免疫学机制研究进展进行综述，旨在为疫苗研发人员选择mRNA疫苗特异高效递送系统，降低mRNA疫苗副反应，降低mRNA疫苗成本，提高mRNA疫苗稳定性等技术方面提供参考。
mRNA疫苗分类
mRNA 疫苗包括非复制型mRNA（non-replicating mRNA）疫苗与自扩增型mRNA（self-amplifying mRNA，SAM mRNA）疫苗。两种mRNA疫苗都可以通过cDNA、线性化质粒DNA体外转录而成，经呈递系统转导进入细胞，表达目的抗原。与非复制型mRNA疫苗相比，SAM mRNA疫苗诱导的抗原产量显著提升，抗原持续时间、免疫应答时间大大延长。同样是编码H1N1 HA蛋白的mRNA，1.25 μg SAM mRNA疫苗即可达到与80 μg非复制型mRNA疫苗相同的效果。非复制型mRNA疫苗仅编码抗原蛋白，具有结构简单的优点，但需要成熟的优化工艺才能以较低的剂量诱发有效的免疫应答。SAM mRNA疫苗利用了病毒的非结构蛋白基因，用外源靶蛋白基因（抗原基因）替换病毒的结构基因，因而可以在转染细胞内扩增，使其编码的抗原基因大量表达，且因结构蛋白基因缺失，使病毒不具有原有的感染性和毒性，具有较好的安全性。
mRNA疫苗技术优势
mRNA疫苗具有诸多优势：抗原表达效率高，因无需进入细胞核即可完成翻译，其翻译效率是DNA疫苗的数倍；安全性高，生产过程中不使用病原及抗生素，且不存在整合进入宿主基因组的风险，因而提高了生物安全性；免疫原性强，能够同时激活体液免疫与细胞免疫，满足抵御各类病原体的需要；可编译性强，能够以设想方式编码目的抗原，从而实现高效表达。当机体接种mRNA疫苗后，其将进入细胞内并能够在细胞质中进行翻译，从而成功激活体内的免疫应答。mRNA疫苗不进入细胞核即可进行反应，而DNA疫苗只有到达细胞核才能发挥效果，因此mRNA疫苗不存在整合机体基因组的风险，不会导致基因整合突变，即不存在转基因生物安全风险，理论上比DNA核酸疫苗安全性更高。同时，mRNA疫苗生产不需要用细菌或细胞作为培养基，因此病原微生物污染风险较低。mRNA分子还具有免疫佐剂效用，可以有效激活机体的免疫应答，作为佐剂时以被Toll样受体识别方式来刺激机体免疫细胞分泌产生肿瘤坏死因子（TNF-α）和干扰素（IFN-γ）等细胞因子，从而调节机体免疫应答。mRNA疫苗的制备生产采用全合成制备技术，不同品种mRNA疫苗使用的生产工艺和仪器设备均是相同的，因此研发周期较短，成本较低，易于标准化和规模化生产。此外，在mRNA疫苗的研发制备生产过程中，即使发现或寻找到新的病原体抗原蛋白，也不需要调整规模化生产过程，不需要更改生产设施、设备及其他工艺条件，仅需调整mRNA表达序列，因此mRNA疫苗的生产具有较高的灵活性和效率。
mRNA疫苗区别于其他疫苗的另一个技术优势是其可引发机体主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex，MHC）Ⅰ类免疫通路和MHC Ⅱ类免疫通路的呈现，可引发机体细胞毒性T淋巴细胞反应。mRNA分子能够在机体细胞质中瞬时表达抗原蛋白，这些被瞬时表达的抗原蛋白大量积聚，被加工成抗原多肽，装载至MHC Ⅰ类免疫通路中。mRNA分子也可在MHC Ⅱ类免疫通路中作为抗原蛋白来源，在mRNA分子瞬时表达抗原蛋白分泌和循环后，直接从细胞质穿梭至溶酶体。此外，机体细胞浆中少量的mRNA分子即可将大量的抗原蛋白递呈至细胞毒性T淋巴细胞。
mRNA疫苗递送系统
mRNA在机体外的高效合成技术以及在机体内的高效递送技术是现阶段开发和应用mRNA疫苗的两大核心技术。在体内环境中，mRNA半衰期短、稳定性差，直接进入机体容易被体内广泛存在的RNA酶降解。而合适的载体材料可确保mRNA疫苗具有极高的稳定性和可控的安全性，可将mRNA高效递送到机体细胞内。mRNA疫苗只有进入到细胞质中，才能发挥抗原效应，这是其发挥疫苗关键效力的重要基础。相关研究表明，只有小于1 000 Da的分子才可进行被动转运，转运一般是在细胞膜上进行。mRNA相对分子质量较大时，携带负电荷，且由磷脂双分子层结构组成的细胞膜同样携带负电荷，因此mRNA分子可被包裹形成纳米微粒，在载体帮助下进入细胞内。
抗原呈递细胞将mRNA分子转运至机体内的靶细胞时需要避免酶的干扰，避免其发生降解。mRNA疫苗成功表达的关键是避免mRNA酶的降解，从而保证其完整性。采用纳米载体包裹的mRNA疫苗可通过静脉注射方式的原因是其能够很好抵御酶的降解。对于mRNA疫苗来说，递送系统的选择至关重要。递送系统分为非靶向递送系统和靶向递送系统。非靶向递送是指运输进入机体的mRNA非特异性地进入各类细胞或组织，通常使用脂质纳米颗粒来完成；靶向递送则是指通过结合抗体或核酸适配体等方式，将mRNA靶向递送到特定的细胞或组织。
靶向递送系统主要有抗原抗体特异性结合和核酸适配体及其受体特异性结合两种模式，其原理是在运载mRNA的纳米颗粒中加入靶向特定细胞表面分子的抗体或者核酸适配体，通过抗原-抗体作用或核酸适配体-受体的高亲和力结合，来实现mRNA向目的细胞的特异性运输。非靶向递送系统包括脂质纳米颗粒（LNP）、多聚体纳米颗粒和蛋白衍生物-mRNA复合体。LNP通常由4个部分组成，分别是阳离子脂质、脂质连接的聚乙二醇（PEG）、胆固醇和天然磷脂。阳离子脂质能够与mRNA一起组装成病毒大小的颗粒，并协助mRNA在细胞质中的释放；PEG可延长制剂的半衰期；胆固醇主要起稳定剂的作用；而天然磷脂则构建起脂质单层结构，将阳离子脂质-mRNA包裹于其中。
脂质载体对mRNA分子的包封率高，对机体细胞的靶向性强、亲和性好，生物相容性高。同时，有一部分脂质载体可以将mRNA疫苗，以非侵入性方式在机体内进行靶向递送。基于脂质载体的递送系统能够包裹mRNA分子，凭借其包封率高的特点，保护mRNA分子免受mRNA酶降解的干扰。目前，能够进行mRNA疫苗递送的另外一种非病毒载体材料主要有多聚物、阳离子脂质、细胞穿透肽、树形分子及其衍生物、阳离子脂质聚合纳米颗粒、多聚腺苷酸结合蛋白等。但mRNA疫苗递送系统的自身稳定性差，对机体细胞有毒副作用，载体对mRNA包封率低等一系列问题还有待进一步解决。
mRNA疫苗免疫学机制
mRNA 疫苗基于“中心法则”，将含有编码特定抗原的mRNA序列进行优化、化学修饰以及基因纯化加工，通过接种进入机体，在机体细胞中翻译产生编码蛋白，从而诱导免疫反应，补充接种机体的蛋白含量，产生机体的免疫反应，从而预防传染病。mRNA疫苗可经MHC Ⅰ类以及MHC Ⅱ类2种抗原提呈途径，引发体液免疫与细胞免疫反应。mRNA疫苗经注射进入机体后，可被抗原递呈细胞捕获，先启动机体先天免疫应答，后启动机体适应性免疫应答，从而全面激活体液免疫与细胞免疫。mRNA疫苗可在抗原递呈细胞中表达抗原蛋白，当抗原蛋白经溶酶体处理为抗原肽后，这些肽段又被MHC递呈给CD4+、CD8+ T细胞或者通过释放被B细胞识别，从而激活细胞免疫与体液免疫。mRNA疫苗在机体细胞内翻译产生的蛋白质可模拟病毒感染，从而引起机体的体液免疫和细胞免疫。
不同的RNA序列可编码不同的蛋白质，因而确定主要抗原蛋白是研发mRNA疫苗的核心环节。向mRNA分子中添加修饰过的核苷酸，可提高翻译效率和自身稳定性，延长半衰期。mRNA疫苗的接种途径可分为肌肉注射、皮下注射、静脉注射、鼻内喷雾等不同方式。mRNA疫苗进入机体后，编码的蛋白质将被翻译并呈递给免疫系统。该过程类似于RNA病毒感染的自然过程及其连续诱导的保护性免疫应答。外源 mRNA 进入细胞质后会发生与内源性mRNA相似的反应。mRNA在细胞质中被翻译成蛋白质，蛋白质经过翻译后修饰，通过靶向序列或跨膜结构域进入亚细胞间隔，比如分泌途径、细胞膜、细胞核、线粒体或过氧化物酶体。体外转录后再加帽、加尾是mRNA疫苗公认的生产方法。它类似于真核细胞胞浆中自然加工和成熟的mRNA。当被接种疫苗部位的细胞吸收后，mRNA被运输到细胞质；接着，通过核糖体合成 mRNA 编码的蛋白质，然后进行翻译后修饰，产生正确折叠的功能蛋白质。mRNA 疫苗可以使其编码的蛋白或肽瞬时表达，并持续几天或几周，使得 mRNA 更容易被控制。不同的接种途径对于mRNA接触的细胞类型和激发免疫应答的能力起着重要作用，相对于皮下注射，未经修饰的裸mRNA疫苗经淋巴结注射，其诱导T细胞免疫的效力可以大幅度增高。
讨论
mRNA疫苗集众多优点于一身，如安全性高、免疫原性强、可编译性强、设计速度快、产量大、成本低、易于储存等，在新冠疫情防控中被视作一种革命性的疫苗技术。自新冠疫情暴发以来，英国紧急批准使用辉瑞和BioNTech公司联合研发的mRNA疫苗（BNT162b2），从而成为首个批准紧急使用mRNA疫苗的国家；美国食品药品监督管理局批准了针对新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的mRNA 疫苗，临床试验证明，mRNA 疫苗具有良好的安全性和有效性。除疫病防控外，mRNA疫苗正在被越来越多地用于医疗领域，如肿瘤、罕见疾病的治疗等。
mRNA是一个包含负电荷的大分子，它无法穿过由阴离子脂质构成的细胞膜，而且在体内，它会被先天免疫系统的细胞吞噬，或者被核酸酶降解，因此需要创新递送载体。在保证安全性的前提下，为将mRNA疫苗更好地应用于临床，聚焦于进一步增强mRNA疫苗稳定性，适当降低mRNA疫苗过高的免疫原性，优化和完善其递送系统。随着mRNA技术和LNP递送技术的不断完善，这一新型疫苗技术将有助于解决传统小分子和抗体疗法无法解决的问题，为癌症、罕见疾病、神经系统疾病等疾病提供更有效、更持久的治疗技术选择。相信mRNA疫苗技术将会具有更广泛的适用空间，成为人类对抗众多疾病的有力武器。
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| 文章来源：中国动物检疫 ，作者李超等 文章编辑：一米优讯 |
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