COVID-19和mRNA疫苗-一種新方法的首次大規模測試

2020年1月10日，中國研究人員發布了新型冠狀病毒的RNA序列（後來WHO將其命名為嚴重急性呼吸係統綜合症-冠狀病毒-2，即SARS-CoV-2）。立即，研究基因疫苗的科學家們便將注意力轉向了引起冠狀病毒疾病-2019（COVID-19）的這個新的病原體，SARS-CoV-2。他們知道，快速反應的基因平台可以將寶貴的開發時間縮短數周至數月，這在大流行期間至關重要。

 

他們是對的。僅在66天後，當美國首次針對SARS-CoV-2疫苗進行臨床試驗時，誌願者就接種了由生物技術公司Moderna和美國國家過敏和傳染病研究所（NIAID）提供的mRNA疫苗（mRNA-1273）。

 

7月27日，基於mRNA疫苗令人鼓舞的早期結果，來自Moderna mRNA-1273與來自德國BioNTech/美國Pfizer的另一種候選mRNA疫苗BNT162b2均進入了3期試驗，總共將招募6萬名誌願者。美國國家衛生研究院（NIH）主任弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins）醫師在當天的新聞發布會上說，這一裏程碑“比通常的疫苗製備速度顯著加快”。NIH官員說，最早可能在今年秋天獲得結果。

 

盡管速度空前，但mRNA疫苗在臨床上尚未得到證實。目前尚無商用mRNA疫苗使用，直到現在，還沒有在大規模人體試驗中對其進行過測試。使用COVID-19，這一切都會改變。專家在接受采訪時說，如果這項技術流行，這種流行病將有助於引入一種新的“即插即用（plug-and-play） ”的疫苗學方法。

 

遺傳基因優勢

 

當前的抗病毒疫苗設計可分為兩個陣營：基於蛋白質或基於基因。

 

基於蛋白質的疫苗將刺激免疫係統的抗原傳遞給人體。此類別包括小兒麻痹症和流感疫苗中的完全滅活（殺死）疫苗，以及乙型肝炎和人乳頭瘤病毒疫苗中的亞單位疫苗和類病毒顆粒。

 

基於基因的疫苗具有不同的特色。它們帶有宿主細胞的遺傳指令以製造抗原，這種抗原更能模仿自然感染。就冠狀病毒而言，目標抗原是病毒用來與人細胞結合並融合的表麵刺突蛋白（Spike protein)。賓夕法尼亞大學疫苗學教授保羅·奧菲特（Paul Offit, MD）表示：“您不是在給他們蛋白質，而是給他們提供了遺傳物質，然後指導他們如何製造這種刺突蛋白質，從而使他們產生希望具有保護作用的抗體反應。” 他在6月的JAMA直播中進行了解釋。

 

這種方法並不完全陌生。在減毒活疫苗中，如麻疹，腮腺炎和風疹疫苗，弱化的病毒將其遺傳學指令整合到宿主細胞中，導致人體產生引起抗體和T細胞反應的病毒拷貝。在基於基因的新型設計（病毒載體，DNA和mRNA疫苗）中，科學家合成並插入了感興趣病原體的遺傳指令以誘導免疫反應。

 

病毒載體技術可以通過危害較小的病毒（通常是引起普通感冒的腺病毒）傳輸遺傳信息，這種病毒有時經過工程設計，因此無法在宿主中複製。DNA和mRNA疫苗設計可提供裸核酸，或者最近將其封裝在載體納米顆粒中。在每個通用平台中，可以使用相同的生產和純化方法以及製造設備來生產針對不同疾病的疫苗。

 

當COVID-19正好出現時，這些高度適應性強的技術正在等待中。俄勒岡健康與科學大學疫苗與基因療法研究所副所長路易斯·皮克（Louis Picker）醫師說：“立即跳入這一步的人就是那些坐在那裏就可以這樣做的疫苗平台的人。” “他們所要做的基本上隻是弄清楚他們將在疫苗中放入病毒的哪一部分，然後使用它。”

 

得益於2002年開始的關於嚴重急性呼吸係統綜合症冠狀病毒（SARS）的研究，然後是十年後出現的中東呼吸係統綜合症冠狀病毒（MERS）的研究，科學家們知道將最初的注意力集中在新型冠狀病毒的刺突蛋白上。他們還已經知道哪些基因修飾可以穩定其“預融合”構型中的刺突（對於強有力和安全的抗體反應非常重要），以及哪些基因修飾可以使mRNA的炎症性降低，因此更加安全。他們還學習了如何純化mRNA來去除汙染物，以及如何通過將其包裹在脂質載體分子中來保護其在體內降解的速度不快。這些已經與治療性小幹擾RNA一起使用的傳遞載體，也有助於mRNA穿過細胞膜，甚至可能具有免疫刺激性佐劑作用。

 

NIAID疫苗研究中心副主任Barney Graham醫師表示，其中許多創新直到最近才得以實現。他說：“在過去的十年中，疫苗學發生了根本的變化。” “我從事這種工作已經很長時間了，現在可以做的事情，可用的技術，我們能夠非常詳細地理解事物的方式對我來說真的很神奇。”

 

與傳統疫苗不同，mRNA疫苗不是在雞蛋或細胞中生長的，這是一個耗時且昂貴的過程。從本質上講，這些疫苗隻是在試管或儲罐中催化的化學物質。盡管以前從未大規模生產它們，但這使它們更容易快速地（至少在理論上）大規模開發。

 

賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的研究mRNA疫苗的醫學博士Drew Weissman說：“我們在發表SARS-CoV-2序列的一周左右內就製備出RNA。”這種速度推動了發展：根據魏斯曼（Weissman）的說法，目前這兩個小組都在3期試驗中測試基於核酸的疫苗，這兩個小組均從大學獲得了他團隊的mRNA製劑許可。

 

為什麽是mRNA？

 

截至8月20日，已有30種針對COVID-19的潛在疫苗在臨床試驗中，另有139種在臨床前開發中，包括基於基因和蛋白質的候選疫苗。但是基因方法具有潛在的免疫學優勢。除了引發抗體和CD4 +輔助性T細胞外，它們還通過主要的組織相容性I（MHC I）類途徑募集CD8 +細胞毒性T細胞，也稱為殺傷性T細胞。

 

據加州大學洛杉磯分校戴維·格芬醫學院的傳染病研究人員和臨床醫生奧托·楊醫師說，如果人體細胞自身產生了這種蛋白質，那麽人體細胞通過這種途徑隻能在其表麵出現這種病毒蛋白質。他說：“如果您隻是注射一種蛋白質或注射一種死病毒，它就不會進入該途徑並且不會以這種方式展示出來，因此不會刺激T細胞。”

 

即使在基於基因的平台中，也存在明顯的優勢。在切除病毒載體時，DNA和mRNA疫苗都消除了針對它的預先存在的免疫風險，這可能會限製有效性。楊說：“如果您的免疫係統在載體真正進入細胞之前清除了載體，那就是一個大問題。”這種免疫力在某些地理區域中也可能比其他地理區域更普遍，從而使載體疫苗的有效性或多或少取決於區域。

 

已有的免疫力可以解釋為什麽在1期臨床試驗中，來自CanSino Biologics Inc和幾家中國機構的非複製型病毒載體COVID-19候選疫苗引起的中和抗體水平低。預先存在的針對載體的中和抗體，即人類腺病毒5（稱為Ad5），在美國範圍內高達69％，在非洲範圍內高達80％。奧菲特在十多年前的八月直播中表示，還需要進一步關注的是，具有Ad5免疫力的男性在接受實驗性Ad5載體的HIV疫苗後感染HIV的風險增加。

 

為了解決這些問題，ChAdOx1 nCoV-19（一種來自阿斯利康和牛津大學的3期試驗中非複製型病毒載體候選物）使用的是一種感染黑猩猩而不是人類的腺病毒。但是，有可能對人腺病毒進行交叉反應的既存免疫力仍會減少反應。

 

據魏斯曼說，mRNA疫苗也比DNA疫苗更具優勢。在DNA疫苗中，遺傳物質必須首先進入宿主細胞的細胞核。從那裏創建mRNA，mRNA從細胞核進入細胞質，在細胞質中形成蛋白質。但是，遺傳信息隻能在細胞分裂時進入細胞核，從而使過程效率低下。

 

研究人員正在嚐試使用電脈衝來解決這一問題，以增加疫苗接種時DNA進入細胞的吸收。但是，mRNA平台隻是繞過了這一步驟。魏斯曼說：“但遇到RNA時，百分之九十五的細胞都會吸取RNA並製造蛋白質，因此這是一個非常有效的過程。”

 

證明在布丁（證明在於有證據）

 

前4名已發表臨床試驗數據的COVID-19疫苗開發商均使用了非複製型腺病毒或mRNA平台。美國政府押注其中一些新技術。在“操作閃電速度”疫苗開發計劃的主持下，美國政府已經在早期試驗時購買了數億劑強生公司的ChAdOx1 nCoV-19，modern啊的mRNA-1273，Pfizer 的BNT162b2和一種研究性非複製型病毒載體疫苗。是否或何時批準，劑量已待用。

 

現在所有人都在關注安全性和有效性。非複製型病毒載體疫苗雖然是相對較新的方法，但已在HIV和其他疾病試驗中進行了廣泛研究。詹森（Janssen）的新埃博拉疫苗方案使用了2種不同的非複製型病毒載體，並於7月獲得了歐洲的批準。

 

不過，尚未對mRNA疫苗進行相同程度的臨床測試。研究人員已經研究了基於研究的基於mRNA的治療性抗體和治療性癌症疫苗。但是不到三年前，德國公司CureVac和學術合作者發表了第一項預防性mRNA疫苗臨床試驗的第一階段結果，用於抗狂犬病。

 

從那時起，針對狂犬病，流感，寨卡病毒和其他一些病毒的潛在mRNA疫苗已經在小型早期試驗中進行了研究，其中許多仍在進行中。在狂犬病和流感試驗中，候選人都刺激了有前途但低於預期的中和抗體。據報道有些中度和重度注射部位或全身反應，盡管很少發生嚴重事件。

 

到目前為止，在早期的COVID-19試驗中，mRNA平台的結果令人鼓舞。範德比爾特疫苗研究計劃的科學總監凱瑟琳·愛德華茲（Kathryn Edwards）醫師表示：“當然，這些疫苗看起來像是在產生我們所需的免疫反應，而且沒有出現嚴重不良反應。”但是，她繼續說，“布丁的真正證據將是第3期試驗，我們將在其中查看疫苗是否能真正預防疾病。”美國食品和藥物管理局表示，COVID-19疫苗至少需要50％的功效才能獲得批準。

 

耐受性可能是另一個問題。愛德華茲說：“人們必須知道他們在疫苗注射後大約一天左右可能會有一些局部反應，或者感覺好像有點不適，”愛德華茲說。她和其他人說，與任何新藥品一樣，第3期研究也可能顯示出更嚴重的安全隱患，並且以後可能會出現意想不到的不利影響。

 

在7月27日的媒體簡報中，柯林斯談到了一些擔憂：“是的，我們的發展很快。但是，不，我們不會犧牲安全性或功效。”專家說，有幾個因素證明了mRNA疫苗的安全性。首先，mRNA不會引起感染。它也不會進入細胞核，因此據信將其整合到人類DNA中的機會非常低。此外，人體可以在數小時內分解mRNA及其脂質載體，從而減輕了人們對長期危險的擔憂。

 

但是，這種快速降解引發了有關mRNA疫苗保護期的疑問。香港的研究人員最近更擔心疫苗的保護的持久性，他證實一名患有SARS-CoV-2的男子後來被再次感染，盡管他的第二例無症狀。Yang及其同事發現，輕度COVID-19患者的抗體迅速消失。Yang指出，目前候選人的2劑量治療方案可能有助於克服這一點，而且他們的細胞介導的免疫應會帶來更多的吸引力。

 

奧菲特是美國國立衛生研究院（NIH）加速COVID-19治療幹預和疫苗工作組的成員，他說，直到獲得批準並投入使用的產品，才可能知道對任何COVID-19疫苗的保護期將持續多長時間。但是，正如Picker所說的那樣，即使在有限的時間內安全有效的疫苗也足以“打破流行病的根基”。

 

超越COVID-19

 

如果一種mRNA疫苗起作用，其影響可能會遠遠超出COVID-19。成功可以為平台廣泛用於新興病原體和既定病原體鋪平道路。

 

約翰霍普金斯大學健康安全中心資深學者Amesh Adalja醫師表示：“我們確實在疫苗開發方麵取得了長足進步，這有望改變未來的疫苗處理方式。”

 

科學家說，mRNA可能會啟用這種穩定的疫苗，而無需冷凍或冷藏。中國研究人員最近表明，一種潛在的基於mRNA的SARS-CoV-2疫苗可以在室溫下保存至少一周。

 

魏斯曼（Weissman）正在嚐試開發一種更有效的第二代mRNA疫苗，該疫苗可一次性使用。他還著眼於使用該基因平台的通用冠狀病毒疫苗。他說：“過去20年來，我們已經發生3次冠狀病毒流行病。” “下一次發生這種情況時，我們將已經生產出一種疫苗，準備好運出並迅速使用，以防止大流行病蔓延。”

 

在COVID-19之前，他的團隊一直在研究mRNA流感疫苗以及生殖器皰疹和HIV的候選藥物。流感病毒隨季節而變化，使其成為快速“按需疫苗”平台的極佳候選者。

 

在魏斯曼看來，mRNA可能具有真正的變革性。在一項即將發表的研究中，他說他在同一疫苗中將mRNA結合了20種針對不同疾病的抗原。所有20種都在小鼠中引起了良好的反應。他說，從理論上講，兒童可能有一天可以注射兩次疫苗，以覆蓋他們的50多種疫苗。

 

他的理念並不孤立。最近一篇評論文章的作者寫道，mRNA疫苗“可以同時靶向多種抗原，病原體將對多種疾病具有廣泛的用途，減少疫苗接種的次數和頻率，並減輕醫護人員的負擔。”

 

其中很大一部分取決於mRNA COVID-19疫苗的成功或失敗，並且寄予厚望。楊說：“我認為這是該技術大放異彩的機會。”

 

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