COVID-19和mRNA疫苗-一种新方法的首次大规模测试

2020年1月10日，中国研究人员发布了新型冠状病毒的RNA序列（后来WHO将其命名为严重急性呼吸系统综合症-冠状病毒-2，即SARS-CoV-2）。立即，研究基因疫苗的科学家们便将注意力转向了引起冠状病毒疾病-2019（COVID-19）的这个新的病原体，SARS-CoV-2。他们知道，快速反应的基因平台可以将宝贵的开发时间缩短数周至数月，这在大流行期间至关重要。

 

他们是对的。仅在66天后，当美国首次针对SARS-CoV-2疫苗进行临床试验时，志愿者就接种了由生物技术公司Moderna和美国国家过敏和传染病研究所（NIAID）提供的mRNA疫苗（mRNA-1273）。

 

7月27日，基于mRNA疫苗令人鼓舞的早期结果，来自Moderna mRNA-1273与来自德国BioNTech/美国Pfizer的另一种候选mRNA疫苗BNT162b2均进入了3期试验，总共将招募6万名志愿者。美国国家卫生研究院（NIH）主任弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins）医师在当天的新闻发布会上说，这一里程碑“比通常的疫苗制备速度显著加快”。NIH官员说，最早可能在今年秋天获得结果。

 

尽管速度空前，但mRNA疫苗在临床上尚未得到证实。目前尚无商用mRNA疫苗使用，直到现在，还没有在大规模人体试验中对其进行过测试。使用COVID-19，这一切都会改变。专家在接受采访时说，如果这项技术流行，这种流行病将有助于引入一种新的“即插即用（plug-and-play） ”的疫苗学方法。

 

遗传基因优势

 

当前的抗病毒疫苗设计可分为两个阵营：基于蛋白质或基于基因。

 

基于蛋白质的疫苗将刺激免疫系统的抗原传递给人体。此类别包括小儿麻痹症和流感疫苗中的完全灭活（杀死）疫苗，以及乙型肝炎和人乳头瘤病毒疫苗中的亚单位疫苗和类病毒颗粒。

 

基于基因的疫苗具有不同的特色。它们带有宿主细胞的遗传指令以制造抗原，这种抗原更能模仿自然感染。就冠状病毒而言，目标抗原是病毒用来与人细胞结合并融合的表面刺突蛋白（Spike protein)。宾夕法尼亚大学疫苗学教授保罗·奥菲特（Paul Offit, MD）表示：“您不是在给他们蛋白质，而是给他们提供了遗传物质，然后指导他们如何制造这种刺突蛋白质，从而使他们产生希望具有保护作用的抗体反应。” 他在6月的JAMA直播中进行了解释。

 

这种方法并不完全陌生。在减毒活疫苗中，如麻疹，腮腺炎和风疹疫苗，弱化的病毒将其遗传学指令整合到宿主细胞中，导致人体产生引起抗体和T细胞反应的病毒拷贝。在基于基因的新型设计（病毒载体，DNA和mRNA疫苗）中，科学家合成并插入了感兴趣病原体的遗传指令以诱导免疫反应。

 

病毒载体技术可以通过危害较小的病毒（通常是引起普通感冒的腺病毒）传输遗传信息，这种病毒有时经过工程设计，因此无法在宿主中复制。DNA和mRNA疫苗设计可提供裸核酸，或者最近将其封装在载体纳米颗粒中。在每个通用平台中，可以使用相同的生产和纯化方法以及制造设备来生产针对不同疾病的疫苗。

 

当COVID-19正好出现时，这些高度适应性强的技术正在等待中。俄勒冈健康与科学大学疫苗与基因疗法研究所副所长路易斯·皮克（Louis Picker）医师说：“立即跳入这一步的人就是那些坐在那里就可以这样做的疫苗平台的人。” “他们所要做的基本上只是弄清楚他们将在疫苗中放入病毒的哪一部分，然后使用它。”

 

得益于2002年开始的关于严重急性呼吸系统综合症冠状病毒（SARS）的研究，然后是十年后出现的中东呼吸系统综合症冠状病毒（MERS）的研究，科学家们知道将最初的注意力集中在新型冠状病毒的刺突蛋白上。他们还已经知道哪些基因修饰可以稳定其“预融合”构型中的刺突（对于强有力和安全的抗体反应非常重要），以及哪些基因修饰可以使mRNA的炎症性降低，因此更加安全。他们还学习了如何纯化mRNA来去除污染物，以及如何通过将其包裹在脂质载体分子中来保护其在体内降解的速度不快。这些已经与治疗性小干扰RNA一起使用的传递载体，也有助于mRNA穿过细胞膜，甚至可能具有免疫刺激性佐剂作用。

 

NIAID疫苗研究中心副主任Barney Graham医师表示，其中许多创新直到最近才得以实现。他说：“在过去的十年中，疫苗学发生了根本的变化。” “我从事这种工作已经很长时间了，现在可以做的事情，可用的技术，我们能够非常详细地理解事物的方式对我来说真的很神奇。”

 

与传统疫苗不同，mRNA疫苗不是在鸡蛋或细胞中生长的，这是一个耗时且昂贵的过程。从本质上讲，这些疫苗只是在试管或储罐中催化的化学物质。尽管以前从未大规模生产它们，但这使它们更容易快速地（至少在理论上）大规模开发。

 

宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究mRNA疫苗的医学博士Drew Weissman说：“我们在发表SARS-CoV-2序列的一周左右内就制备出RNA。”这种速度推动了发展：根据魏斯曼（Weissman）的说法，目前这两个小组都在3期试验中测试基于核酸的疫苗，这两个小组均从大学获得了他团队的mRNA制剂许可。

 

为什么是mRNA？

 

截至8月20日，已有30种针对COVID-19的潜在疫苗在临床试验中，另有139种在临床前开发中，包括基于基因和蛋白质的候选疫苗。但是基因方法具有潜在的免疫学优势。除了引发抗体和CD4 +辅助性T细胞外，它们还通过主要的组织相容性I（MHC I）类途径募集CD8 +细胞毒性T细胞，也称为杀伤性T细胞。

 

据加州大学洛杉矶分校戴维·格芬医学院的传染病研究人员和临床医生奥托·杨医师说，如果人体细胞自身产生了这种蛋白质，那么人体细胞通过这种途径只能在其表面出现这种病毒蛋白质。他说：“如果您只是注射一种蛋白质或注射一种死病毒，它就不会进入该途径并且不会以这种方式展示出来，因此不会刺激T细胞。”

 

即使在基于基因的平台中，也存在明显的优势。在切除病毒载体时，DNA和mRNA疫苗都消除了针对它的预先存在的免疫风险，这可能会限制有效性。杨说：“如果您的免疫系统在载体真正进入细胞之前清除了载体，那就是一个大问题。”这种免疫力在某些地理区域中也可能比其他地理区域更普遍，从而使载体疫苗的有效性或多或少取决于区域。

 

已有的免疫力可以解释为什么在1期临床试验中，来自CanSino Biologics Inc和几家中国机构的非复制型病毒载体COVID-19候选疫苗引起的中和抗体水平低。预先存在的针对载体的中和抗体，即人类腺病毒5（称为Ad5），在美国范围内高达69％，在非洲范围内高达80％。奥菲特在十多年前的八月直播中表示，还需要进一步关注的是，具有Ad5免疫力的男性在接受实验性Ad5载体的HIV疫苗后感染HIV的风险增加。

 

为了解决这些问题，ChAdOx1 nCoV-19（一种来自阿斯利康和牛津大学的3期试验中非复制型病毒载体候选物）使用的是一种感染黑猩猩而不是人类的腺病毒。但是，有可能对人腺病毒进行交叉反应的既存免疫力仍会减少反应。

 

据魏斯曼说，mRNA疫苗也比DNA疫苗更具优势。在DNA疫苗中，遗传物质必须首先进入宿主细胞的细胞核。从那里创建mRNA，mRNA从细胞核进入细胞质，在细胞质中形成蛋白质。但是，遗传信息只能在细胞分裂时进入细胞核，从而使过程效率低下。

 

研究人员正在尝试使用电脉冲来解决这一问题，以增加疫苗接种时DNA进入细胞的吸收。但是，mRNA平台只是绕过了这一步骤。魏斯曼说：“但遇到RNA时，百分之九十五的细胞都会吸取RNA并制造蛋白质，因此这是一个非常有效的过程。”

 

证明在布丁（证明在于有证据）

 

前4名已发表临床试验数据的COVID-19疫苗开发商均使用了非复制型腺病毒或mRNA平台。美国政府押注其中一些新技术。在“操作闪电速度”疫苗开发计划的主持下，美国政府已经在早期试验时购买了数亿剂强生公司的ChAdOx1 nCoV-19，modern啊的mRNA-1273，Pfizer 的BNT162b2和一种研究性非复制型病毒载体疫苗。是否或何时批准，剂量已待用。

 

现在所有人都在关注安全性和有效性。非复制型病毒载体疫苗虽然是相对较新的方法，但已在HIV和其他疾病试验中进行了广泛研究。詹森（Janssen）的新埃博拉疫苗方案使用了2种不同的非复制型病毒载体，并于7月获得了欧洲的批准。

 

不过，尚未对mRNA疫苗进行相同程度的临床测试。研究人员已经研究了基于研究的基于mRNA的治疗性抗体和治疗性癌症疫苗。但是不到三年前，德国公司CureVac和学术合作者发表了第一项预防性mRNA疫苗临床试验的第一阶段结果，用于抗狂犬病。

 

从那时起，针对狂犬病，流感，寨卡病毒和其他一些病毒的潜在mRNA疫苗已经在小型早期试验中进行了研究，其中许多仍在进行中。在狂犬病和流感试验中，候选人都刺激了有前途但低于预期的中和抗体。据报道有些中度和重度注射部位或全身反应，尽管很少发生严重事件。

 

到目前为止，在早期的COVID-19试验中，mRNA平台的结果令人鼓舞。范德比尔特疫苗研究计划的科学总监凯瑟琳·爱德华兹（Kathryn Edwards）医师表示：“当然，这些疫苗看起来像是在产生我们所需的免疫反应，而且没有出现严重不良反应。”但是，她继续说，“布丁的真正证据将是第3期试验，我们将在其中查看疫苗是否能真正预防疾病。”美国食品和药物管理局表示，COVID-19疫苗至少需要50％的功效才能获得批准。

 

耐受性可能是另一个问题。爱德华兹说：“人们必须知道他们在疫苗注射后大约一天左右可能会有一些局部反应，或者感觉好像有点不适，”爱德华兹说。她和其他人说，与任何新药品一样，第3期研究也可能显示出更严重的安全隐患，并且以后可能会出现意想不到的不利影响。

 

在7月27日的媒体简报中，柯林斯谈到了一些担忧：“是的，我们的发展很快。但是，不，我们不会牺牲安全性或功效。”专家说，有几个因素证明了mRNA疫苗的安全性。首先，mRNA不会引起感染。它也不会进入细胞核，因此据信将其整合到人类DNA中的机会非常低。此外，人体可以在数小时内分解mRNA及其脂质载体，从而减轻了人们对长期危险的担忧。

 

但是，这种快速降解引发了有关mRNA疫苗保护期的疑问。香港的研究人员最近更担心疫苗的保护的持久性，他证实一名患有SARS-CoV-2的男子后来被再次感染，尽管他的第二例无症状。Yang及其同事发现，轻度COVID-19患者的抗体迅速消失。Yang指出，目前候选人的2剂量治疗方案可能有助于克服这一点，而且他们的细胞介导的免疫应会带来更多的吸引力。

 

奥菲特是美国国立卫生研究院（NIH）加速COVID-19治疗干预和疫苗工作组的成员，他说，直到获得批准并投入使用的产品，才可能知道对任何COVID-19疫苗的保护期将持续多长时间。但是，正如Picker所说的那样，即使在有限的时间内安全有效的疫苗也足以“打破流行病的根基”。

 

超越COVID-19

 

如果一种mRNA疫苗起作用，其影响可能会远远超出COVID-19。成功可以为平台广泛用于新兴病原体和既定病原体铺平道路。

 

约翰霍普金斯大学健康安全中心资深学者Amesh Adalja医师表示：“我们确实在疫苗开发方面取得了长足进步，这有望改变未来的疫苗处理方式。”

 

科学家说，mRNA可能会启用这种稳定的疫苗，而无需冷冻或冷藏。中国研究人员最近表明，一种潜在的基于mRNA的SARS-CoV-2疫苗可以在室温下保存至少一周。

 

魏斯曼（Weissman）正在尝试开发一种更有效的第二代mRNA疫苗，该疫苗可一次性使用。他还着眼于使用该基因平台的通用冠状病毒疫苗。他说：“过去20年来，我们已经发生3次冠状病毒流行病。” “下一次发生这种情况时，我们将已经生产出一种疫苗，准备好运出并迅速使用，以防止大流行病蔓延。”

 

在COVID-19之前，他的团队一直在研究mRNA流感疫苗以及生殖器疱疹和HIV的候选药物。流感病毒随季节而变化，使其成为快速“按需疫苗”平台的极佳候选者。

 

在魏斯曼看来，mRNA可能具有真正的变革性。在一项即将发表的研究中，他说他在同一疫苗中将mRNA结合了20种针对不同疾病的抗原。所有20种都在小鼠中引起了良好的反应。他说，从理论上讲，儿童可能有一天可以注射两次疫苗，以覆盖他们的50多种疫苗。

 

他的理念并不孤立。最近一篇评论文章的作者写道，mRNA疫苗“可以同时靶向多种抗原，病原体将对多种疾病具有广泛的用途，减少疫苗接种的次数和频率，并减轻医护人员的负担。”

 

其中很大一部分取决于mRNA COVID-19疫苗的成功或失败，并且寄予厚望。杨说：“我认为这是该技术大放异彩的机会。”

 

Ref：

Medical News & Perspectives

September 3, 2020

COVID-19 and mRNA Vaccines—First Large Test for a New Approach

Jennifer Abbasi

Article Information

JAMA. Published online September 3, 2020. doi:10.1001/jama.2020.16866