mRNA疫苗的设计和载体

2022-12-30 健康知识养生常识

作者：小药说药
【mRNA疫苗的设计和载体】前言
疫苗是预防传染性疾病传播的最有效的公共卫生干预措施。成功的疫苗接种根除了许多威胁生命的疾病，如天花和脊髓灰质炎，世界卫生组织估计疫苗每年可防止200-300万人死于破伤风、百日咳、流感和麻疹。然而，尽管常规疫苗取得了明显的成功，但它们并不能有效对付疟原虫、丙型肝炎和HIV等逃避免疫监视的病原体。此外，它们需要定期修改以应对快速变异的病原体，如流感病毒。
基于mRNA的核酸疫苗是在30多年前提出的，希望能产生安全、多功能、易于生产的疫苗。 mRNA疫苗比传统疫苗有许多优点：与某些病毒疫苗不同， mRNA不会整合到基因组中，从而避免了对插入突变的担忧；mRNA疫苗可以以无细胞的方式制造，从而实现快速、经济、高效的生产。此外，单个mRNA疫苗可以编码多种抗原，增强针对适应性病原体的免疫反应，并能够以单一配方针对多种微生物或病毒变体。
最初，由于担心其稳定性、低效性和过度免疫刺激， mRNA治疗并没有得到重视。然而在过去的十年中， mRNA治疗领域日新月异，包括mRNA药理学的深入研究，有效载体的开发和mRNA免疫原性的控制，使得mRNA疫苗的临床应用进入了一个崭新的阶段。
mRNA的设计与合成
体外转录（IVT）mRNA模拟内源性mRNA的结构，有五个部分，从5?到3?包括：5?cap ， 5?非翻译区（UTR），一个编码抗原的开放阅读框， 3?UTR和一个PolyA尾。

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与天然真核mRNAs一样， 5′端帽结构包含一个7-甲基鸟苷核苷， 5′端结构会在空间上保护mRNA不被核酸外切酶降解，并与翻译起始因子蛋白协同工作，招募核糖体以启动翻译。 PolyA尾的长度间接调节mRNA翻译和半衰期。
编码区两侧的5′和3′UTR调节mRNA翻译、半衰期和亚细胞定位，来自高表达基因（如α-和β-珠蛋白基因）的天然UTR是合成mRNAs的首选。此外， UTR可根据细胞类型进行优化，如通过去除3′UTR中的miRNA结合位点和富含AU的区域，将mRNA降解降至最低。
mRNA疫苗的开放阅读框是最关键的组成部分，尽管开放阅读框不像非编码区那样具有可塑性，但可以通过优化密码子，从而在不改变蛋白质序列的情况下增加翻译。例如， CureVacAG公司发现人类mRNA密码子很少在第三位有A或U ，从而用G或C替换开放阅读框第三位的A或U 。并将此优化策略用于其SARS-CoV-2疫苗CVnCoV ，目前正处于III期试验阶段。
为了最大化翻译， mRNA序列通常包含修饰的核苷，例如假尿苷、N1-甲基假尿苷或其他核苷类似物。修饰核苷的使用，特别是修饰尿苷，阻止了模式识别受体的识别，保证了翻译过程产生足够水平的蛋白质。 Moderna和Pfizer–BioNTechSARS-CoV-2疫苗都含有核苷修饰。另一种避免模式识别受体检测的策略，由CureVac首创，使用序列工程化和密码子优化，通过提高疫苗mRNA的GC含量来消耗尿苷。
除了mRNA序列的改进外，在简化mRNA生产方面也取得了重大进展。临床上使用的合成mRNA通过使用噬菌体RNA聚合酶T7（也可以使用T3和SP6聚合酶）从DNA质粒在体外转录。另外，使用CleanCap的共转录封盖技术，简化了纯化步骤。
mRNA疫苗的载体
由于mRNA较大（104–106Da）且带负电，因此无法通过细胞膜的阴离子脂质双层。此外，在体内，它会被先天免疫系统的细胞吞噬，并被核酸酶降解。因此，体内应用需要使用mRNA递送载体，该载体转染免疫细胞而不会引起毒性或不必要的免疫原性。目前，已经为此开发了许多基于创新材料的解决方案。

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