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疫情发酵不断,mRNA疫苗时代是否来临?

2021-06-25 20:51    浏览量:476
近期,苏州艾博生物联合军事科学院军事医学研究院、云南沃森生物共同研制的mRNA疫苗ARCoV在海外多国(墨西哥,巴基斯坦,土耳其等地)进入三期临床,实现了我国自主研发首款新冠mRNA疫苗的突破。此外,斯微生物、丽凡达生物等国内公司也在快速推进新冠mRNA疫苗的研发和临床试验,毫不夸张地说,mRNA疫苗俨然成为当下生物医药产业最引人注目、最炙手可热的明日之星。mRNA疫苗技术在这次新冠疫情中首次走进大众的视野便大放异彩,让人不禁感叹这项新技术带来的革命性突破正成为人类应对如新冠这种大规模疫情的一件重要武器,那么mRNA疫苗的原理究竟是什么,在获批上市前经历了怎样的发展历程,又为什么被称为具有颠覆性的技术呢?

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mRNA疫苗的制备与发展

mRNA又称为信使RNA,是以细胞核中双链DNA的一条链作为模板转录而来,携带着DNA上的遗传信息,负责指导蛋白合成。mRNA疫苗的原理是将编码疾病特异性抗原的mRNA经改造后注射到人体中,利用宿主的细胞工厂合成抗原蛋白,从而训练免疫系统进行抗原识别、免疫应答并形成记忆,起到预防疾病的作用。

mRNA疫苗的制备使用的是一种全新的系统(图1。首先,mRNA疫苗的核苷酸部分以含有目标序列的DNA质粒作为转录模板,由RNA聚合酶在体外转录而来。获得mRNA后,DNA随即被DNA酶降解。转录出的RNA产物需要通过5'加帽和3'poly(A)加尾反应以保证其在细胞环境中的稳定性,并经过纯化、缓冲液稀释和无菌过滤等处理。最后一步,是用基于聚合物或脂质的纳米颗粒(LNPs)将纯化的mRNA封装起来,制成mRNA递送组件。用这种方法制成的mRNA疫苗需要冷冻储存以保证mRNA的活性。通常情况下,一个mRNA疫苗生产车间能够实现上亿剂次的年产能

图1.mRNA的制备:转录蛋白编码序列CDS和UTR’s, 加5’Cap和3‘Poly-A-tail后进行纯化。


mRNA技术的发展历史仅有短短数十年(图2)。1961年,加州理工学院的科学家首次发现了mRNA这种介于DNA和蛋白表达中间的“信使”。1990年,一项实验发现注射到小鼠中的外源性mRNA可以表达出目标蛋白并产生免疫反应,首次揭示mRNA可作为疫苗的前景。1992年,又有研究表明编码加压素的mRNA注射到小鼠大脑,可以提高加压素的表达以缓解尿崩症,显示出mRNA具备成为治疗性药物的潜力。

图2. mRNA技术发展历程


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技术瓶颈

mRNA要在临床应用中真正发挥作用,还需要解决与免疫原性和稳定性相关的两个瓶颈问题:
1. mRNA的免疫原性很强,容易引发宿主强烈的免疫反应,在还没有翻译出足够的抗原蛋白前就会被宿主固有的免疫系统识别并清除,导致预期中的免疫应答不足;

2. 由于环境中存在很多可以降解mRNA的酶,导致mRNA在递送过程中被降解,体内递送效率不高。

2005年,宾夕法尼亚大学的研究人员Katalin KarikoDrew Weissman通过mRNA修饰技术,降低了mRNA的免疫原性,首先解决了mRNA容易被免疫系统清除的问题;2015年,另一项重要技术被发明出来:使用脂质纳米颗粒(LNPs)封装mRNA可以使mRNA免于降解,提高mRNA稳定性,还能够提高给药效率,降低单剂药剂量。随着阻碍mRNA实现临床应用的技术难题相继被解决,mRNA疫苗平台的搭建终于逐步完善。辉瑞和莫德纳的新冠mRNA疫苗正是基于这两种重要技术得以迅速完成研发并进行商业化。

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显著优势

比传统疫苗,mRNA疫苗技术具有三点突出优势,即快速、安全和高效


1. mRNA疫苗最大的优势在于研发和生产周期短面临快速传播的传染病危机,疫苗公司的最大挑战不再仅仅是有效性,而是如何能够在最短的时间内对疫情做出最快的反应,能够大规模、低成本地生产出社会需要的疫苗。mRNA疫苗只需要掌握病毒的基因序列,就可以在几周内设计和构建出成品疫苗。在新冠病毒基因序列公布仅42天后,Moderna就研发出第一批可用于临床试验的疫苗。进入生产阶段后,由于mRNA疫苗的生产不需要细胞培养、抗原提取等过程,工艺相对简单,疫苗能够迅速量产。此外,面对容易产生基因组突变的病毒,mRNA疫苗也能够灵活应变,只要改变mRNA序列,就可以在1-2个月内推出新一代疫苗,能够有效防止变种病毒逃逸人体的免疫识别。

2. mRNA疫苗是非常安全的疫苗,具体包括:
1)与传统疫苗相比,mRNA疫苗不含病毒颗粒,因此疫苗本身不会诱发它所预防的疾病;
2
mRNA疫苗无佐剂,从而减少由佐剂导致的不良反应发生;

3mRNA疫苗的生产不需要动物源性的细胞,因此避免了可能存在的生物毒性;
4
mRNA疫苗不需要像灭活病毒疫苗那样大量培育活病毒,可以避免活病毒泄露的风险。

目前关于mRNA疫苗的安全问题还有一个令人关心的议题,即mRNA疫苗是否会改变人体细胞中的DNA遗传物质。实际上,mRNA在翻译出蛋白后会在细胞微环境中自然降解,仅在宿主细胞中短暂存在,因此mRNA不会进入细胞核与人体基因组相互作用,逆转录整合进入宿主基因组的风险和诱导宿主基因突变的风险都很低。当然,对于这种全新机制的疫苗,少不了在临床应用中持续进行安全性监测,以完善对疫苗安全性的验证。

3. mRNA疫苗在有效性上有显著的竞争力。通过在宿主细胞中内源性的抗原表达,mRNA疫苗可以有效模拟病毒感染,诱导强烈的体液免疫和CD4+T细胞免疫反应(图3)。在细胞中,核糖体将mRNA翻译成抗原蛋白后,蛋白可能有两种去向。一方面,抗原蛋白会被酶解成较小的抗原多肽片段,与MHCI形成抗原递呈复合物,被CD8+T细胞识别从而诱导细胞介导的免疫反应;另一方面,表达的抗原蛋白可能被转运到细胞外,再被不同的免疫细胞吞噬、分解后形成MHCII复合物,被CD4+T细胞识别,促进B细胞产生特异性抗体,诱导体液免疫反应。对比之下,传统疫苗只能通过外源性抗原识别途径刺激免疫系统,因此通常只会增强体液免疫。

3. 左:基于mRNA的内源性抗原识别途径;右:基于mRNA的外源性抗原识别途径

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未来可期

目前全球范围内大规模接种的两款mRNA疫苗分别是Pfizer-BioNTechBNT1262b2ModernamRNA-1273。在疫苗设计上,这两款疫苗都采用脂质纳米颗粒(LNPs)递送编码全长刺突蛋白(Spike)的mRNA,并在Spike蛋白基因序列上的K986V987两个位点做了脯氨酸(proline)突变以使表达出来的S蛋白稳定在融合前(Pre-fusion)构象,更有利于免疫系统识别新冠病毒。在三期临床实验中,这两款疫苗分别被证明具有95%94.5%的保护效力。目前,两家公司都在加速疫苗生产,Moderna原预计今年的疫苗产量将达到8亿-10亿剂,辉瑞计划到2021年底生产25亿剂新冠疫苗。

目前的两款mRNA疫苗都需要-70BioNTech)或-20Moderna)的冷链运输和保存才能保证mRNA的稳定性,这是发展中地区接种的一大受限因素。因此,mRNA疫苗一个重要的优化方向是设法降低苛刻的低温要求。目前,Moderna正在开发热稳定性更好的二代疫苗mRNA-1283,已接近一期临床试验阶段。苏州艾博开发的ARCoV疫苗经动物实验验证具有较好的热稳定性,在2-8环境下可以长期保存,在室温下可以存储至少一周。这款我国自主研发的疫苗预计在今年10月底完成临床试验的初步研究。

为了持续优化mRNA疫苗的有效性,科学家们需要经过更深入的研究全面地了解mRNA疫苗的作用机制。为了确保疫苗的长期有效性和安全性,mRNA新冠疫苗三期临床试验对象也需要持续追踪。mRNA技术未来还涉及许多值得探究的问题,包括如何通过基因编辑进一步提高mRNA的翻译效率和稳定性;能够进行自身复制(self-amplifying)的mRNA是否会更有利于增强免疫原性;为扩大疫苗接种率,如何设计出使用更便捷、侵入性更弱的鼻喷式mRNA疫苗;免疫水平下降后,是否有必要再次接种一剂甚至多剂mRNA疫苗;mRNA疫苗在特殊人群中的适用性,如高龄老人、儿童、孕妇、免疫系统缺陷病人等。

如今,mRNA疫苗的概念不仅局限于新冠病毒,还广泛应用于其它传染性疾病(人类呼吸道合胞病毒、狂犬病毒、寨卡病毒、艾滋病病毒等)、肿瘤免疫和遗传性疾病等领域的疫苗或药物开发(4)。从新冠疫苗起步,到癌症治疗,未来mRNA技术或许能够攻克更多领域的难题,为人类带来新的希望。

4. mRNA疫苗主要研发公司和研究机构,其研究方向、合作伙伴及应用平台

为助力疫苗研发,ACROBiosystems已开发一系列mRNA疫苗研发和生产所需的上游原料,产品主要包括多种突变抗原蛋白、中和抗体、试剂盒和磁珠产品。

ACRO生产的蛋白产品具备高纯度、高稳定性、批间差小等优势,适用于Western blot/ELISA/SPR/BLI等各种实验,服务于准确、高效的疫苗评价。




产品列表


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新冠野生型&突变株抗原 — 用于疫苗研发中抗体滴度检测

新冠野生型抗原

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新冠突变株抗原

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种属

抗原表位

标签

SARS-CoV-2 (D614G)

Spike S1

Spike protein

His Tag
His Tag & Avi Tag

英国突变株 Alpha| B.1.1.7

Spike RBD

Spike S1

Spike NTD

Spike S2

Spike protein

Nucleocapsid protein

His Tag
His Tag & Avi Tag
Fc Tag

南非突变株 Beta| B.1.351

Spike RBD
Spike S1
Spike NTD
Spike S2
Spike protein
Nucleocapsid protein

His Tag
His Tag & Avi Tag
Fc Tag
Mouse IgG Fc Tag

巴西突变株 Gamma| P.1

Spike RBD
Spike S1
Spike NTD
Spike S2
Spike protein
Nucleocapsid protein

His Tag
His Tag & Avi Tag
Fc Tag
Mouse IgG Fc Tag

美国加州突变株 Epsilon| B.1.417/B.1.429

Spike RBD
Spike S1

His Tag
His Tag & Avi Tag

印度突变株 Kappa| B.1.617.1

Spike RBD
Spike S1
Spike NTD
Spike protein
Nucleocapsid protein

His Tag
His Tag & Avi Tag
Fc Tag

印度突变株 Delta| B.1.617.2

Spike RBD
Spike S1
Spike NTD
Spike protein
Nucleocapsid protein

His Tag
His Tag & Avi Tag

菲律宾突变株 Theta| P.3

Spike RBD

His Tag

越南突变株

Spike RBD

His Tag

欧洲/中非突变株 B.1.620

Spike RBD
Spike NTD
Spike protein

His Tag
His Tag & Avi Tag

法国突变株 B.1.616

Spike RBD

His Tag

> SARS-CoV-2 其它突变株 Othervariants

> SARS-CoV-2 高频N突变 Nucleocapsid protein mutations


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抗体类产品 — 用于疫苗评价中作为阳性参照物

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检测用试剂盒 — 用于疫苗评价

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预偶联抗原磁珠 — 用于捕获抗体&疫苗效价评价


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参考文献:

1. Cross, R. Without these lipid shells, there would be no mRNA vaccines for COVID-19. March 6, 2021. Volume 99, Issue 8, Chemical & Engineering News. Retrieved from https://cen.acs.org/pharmaceuticals/drug-delivery/Without-lipid-shells-mRNA-vaccines/99/i8

2. First Participants Dosed in Phase 1 Study Evaluating mRNA-1283, Moderna’s Next Generation COVID-19 Vaccine. March 15, 2021. Retrieved from https://www.businesswire.com/news/home/20210315005475/en/

3. 英珠,.攻克COVID-19的希望新秀—mRNA疫苗. September 2nd, 2020. CAS American Chemical Society. Retrieved from https://www.cas.org/zh-hans/resource/blog/covid-mrna-vaccine

4. Amanat F, Strohmeier S, Rathnasinghe R, et al. Introduction of two prolines and removal of the polybasic cleavage site leads to optimal efficacy of a recombinant spike based SARS-CoV-2 vaccine in the mouse model. bioRxiv [Preprint]. Sep 17, 2020. doi: 10.1101/2020.09.16.300970. Retrieved from https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32995785/

5. Jackson, N.A.C., Kester, K.E., Casimiro, D. et al. The promise of mRNA vaccines: a biotech and industrial perspective. npj Vaccines 5, 11 (2020). https://doi.org/10.1038/s41541-020-0159-8

6. Pardi N, Hogan MJ, Porter FW, Weissman D. mRNA vaccines - a new era in vaccinology. Nat Rev Drug Discov. 2018 Apr;17(4):261-279. doi: 10.1038/nrd.2017.243. Retrieved from https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29326426/


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