mRNA技术成药特点、机制及应用现状
2022年6月21日/医麦客--星耀研究院新闻 PharmaBIGStar News/--当下mRNA疫苗风头正劲，特斯拉CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）曾在采访中表示：医学的未来是mRNA，基本上你可以用mRNA治愈一切，它就像一个计算机程序，你可以对它进行编程以执行所需的任何操作，你实际上可以变成一只蝴蝶。mRNA技术背后的研发历程离不开数百名研究人员几十年来的艰难耕耘，现已展现了巨大的应用前景及潜力。
理论上，mRNA拥有能够合成“任意一种蛋白质”的潜力，将mRNA制成疫苗或者药物，相当于送出一张可以在人体内生成药物工厂的“施工图纸”，根据这张图纸，mRNA可以在细胞内翻译表达而无需进入细胞核，因此相比于DNA药物，mRNA药物并没有整合人体DNA的风险，也可作用于传统蛋白药物(如抗体等)无法触及的胞内靶点。
▲图1 mRNA药物的作用机理(图片来源：Nature Drug Review)
如图1所示，mRNA药物在体内发挥作用大体可分成6个步骤：①注射的mRNA药物被抗原呈递细胞内吞；②mRNA进入胞质后，由核糖体翻译成蛋白质，翻译的抗原蛋白可以通过几种方式刺激免疫系统；③细胞内抗原被蛋白酶体复合物分解成较小的片段，片段通过主要组织相容性复合体(MHC)Ⅰ类分子在细胞表面展示给细胞毒性T细胞；④活化的细胞毒性T细胞通过分泌溶细胞分子，如穿孔素、颗粒酶等杀死感染细胞；⑤此外，分泌的抗原可被细胞摄取，在内体内部降解，并通过MHC II类蛋白在细胞表面呈递给辅助性T细胞；⑥辅助性T细胞通过刺激B细胞产生抗体，并通过炎性细胞因子激活吞噬细胞，如巨噬细胞，有利于循环病原体的清除。
mRNA发现之处，不稳定性和免疫原性等问题阻碍了其应用。直到近几年，通过在mRNA序列中引入经过修饰的核苷，并开发出RNA递送系统，这些关键问题基本得到解决。许多证据表明，mRNA不仅能介导更优的转染效率和更长的蛋白表达时间，而且和DNA相比具有更大优势。
➤ 首先，mRNA无需进入细胞核即可发挥功能：到达细胞质中mRNA即启动蛋白质翻译，因此效率更高。另外mRNA免疫源性低，不易触发机体免疫反应，半衰期短、代谢产物纯天然，没有持续累积毒性的风险。
➤ 其次，与DNA和病毒载体相比，mRNA不会插入基因组：mRNA只是瞬时表达编码蛋白，由于其低插入风险，为药物研发人员提供了绝佳的安全选择，很多难成药的蛋白或胞内蛋白均可由mRNA编码表达。
➤ 最后，mRNA很容易通过体外转录过程合成：这个过程相对廉价，并且可以快速应用于各种疗法。因此从制药行业的角度来看，mRNA是一种非常有潜力的候选药物，可以满足基因治疗、癌症治疗以及开发疫苗等的需求。
▲图2 mRNA药物研发及生产流程图（图片来源：中国食品药品网）
如图2所示：从mRNA药物的研发来看，mRNA生产有三个关键方面：靶点设计、化学修饰及序列优化。
➤ 靶点设计：无论在哪一个疾病领域，要想真正成药，第一步必须完成对于该疾病的mRNA靶点设计。不同于传统药物靶点的概念，蛋白、病毒的某些结构、基因片段等都有可能成为mRNA的靶点。具体来看，在肿瘤领域，mRNA靶点可以是肿瘤抗原、抗体，也可以是肿瘤免疫相关的细胞因子和免疫佐剂；在传染病领域，mRNA靶点可以是一些具有免疫原性的病毒抗原，或者是病原体的蛋白；也可以是抗病毒的中和抗体。而在遗传性疾病中，mRNA靶点则可以是基因发生突变的位点。
➤ 化学修饰：这些修饰可以调控基因的表达，并由此决定细胞的状态，影响细胞的分化和发育。
➤ 序列优化：mRNA序列优化的目标是提高稳定性和效率。不过这种设计理念并不是每一次都能针对性地找到实践解决方案，原因在于序列设计对算法的要求极高。目前，需要借助专业软件及人工智能算法对二级结构进行设计优化，以提高mRNA序列的结构紧密性、转录稳定性及翻译效率，最终提升疫苗诱导的免疫原性。
从目前正在开发的基于mRNA技术的疫苗和药物，可根据其潜在作用机制分为三大应用方向：预防性疫苗、治疗性疫苗和治疗性药物，涉及到的疾病领域主要是肿瘤学、自身免疫和呼吸系统等。目前势头最猛的是预防性疫苗，但治疗性疫苗和治疗性药物目前也布局了许多不同的适应症，同样具有巨大的潜力和前景。
1. 预防性疫苗领域势头正劲：开发针对传染性病原体的预防性或治疗性疫苗是控制和预防流行病的最有效手段。然而，传统疫苗方法在很大程度上未能生产针对引起慢性或反复感染的具有挑战性的病毒的有效疫苗，例如HIV-1、单纯疱疹病毒和呼吸道合胞病毒(RSV)。此外，像2014-2016年埃博拉和寨卡病毒爆发所表明的那样，基于传统疫苗的商业疫苗开发和批准的缓慢速度不足以应对迅速出现的急性病毒性疾病。因此，开发更有效、更快速、更通用的疫苗平台至关重要。
mRNA疫苗可以分为两种主要类型：非复制mRNA疫苗和自扩增mRNA疫苗。其中非复制mRNA疫苗还可以根据递送载体分为两类：体外转染树突状细胞类型和体内直接注射类型。
➤ 直接注射非复制性mRNA疫苗直接注射、非复制性mRNA疫苗是一种有吸引力的疫苗形式，因为简单、经济，特别是在资源有限的环境中。目前已有两款mRNA疫苗获得FDA批准上市，分别来自 Moderna 和 BioNTech，均用于预防新冠病毒(SARS-CoV-2)感染。
➤ 自扩增mRNA疫苗自扩增mRNA疫苗在mRNA序列中加入了可复制序列，在进入细胞内能够利用宿主细胞进行自我复制，从而在极低注射剂量的情况下，实现抗原的高表达，达到产生较强免疫反应的能力。
➤ 树突状细胞mRNA疫苗这种mRNA疫苗是在体外将mRNA转染到树突状细胞，目前主要限于HIV-1治疗性疫苗。
因预防性疫苗目前具有大量的研发管线、更高的成功概率以及mRNA相对于其他疫苗技术的优势，预防性疫苗在未来15年将依旧是mRNA领域的主导，目前的mRNA行业研发活动也主要集中在预防性疫苗上。
短期内，大部分预防性疫苗收入仍将来自新冠肺炎产品，而中长期来看，其他针对呼吸道合胞病毒和流感等疾病的疫苗可能会覆盖更广泛的人群，但价格上涨空间有限。尽管许多适应症已有上市的产品占据，并且疫苗的竞争可能会很激烈，但mRNA在研发速度方面比其他技术具有明显优势，至少在新冠肺炎的保护率方面具有优势。因此，预计预防性mRNA疫苗将比其他技术类型疫苗赢得更大市场份额。
鉴于mRNA预防性疫苗的显著优势和市场潜力，Nature Reviews Drug Discovery 预计1，mRNA预防性疫苗在2035年市场规模达到 120-150 亿美元。
➤ 新冠疫苗：2021年570亿美金左右(辉瑞/BioNTech/复星400亿美金+Moderna 170亿美金，由于加强针接种和降价趋势，预计2035年新冠疫苗贡献50亿美金左右。
➤ 其他疫苗：预计2024-25年开始进入市场销售，随着市场的开拓和放量，假设平均每个在研管线的销售峰值为8亿美金，预计2035年销售额达到70-100亿美金。
2. 治疗性疫苗领域紧随其后：癌症疫苗和其他免疫疗法代表了治疗恶性肿瘤的有希望的新策略。癌症疫苗是利用肿瘤抗原诱导机体自身的免疫反应对肿瘤细胞进行特异性杀伤。由于机体的免疫反应具有系统性和全身性的特点，这种疗法不仅可以对术后残留的肿瘤病灶进行特异性杀伤，也能有效作用于远端转移的细胞，相比于其他治疗方法作用范围更特异且广泛。其中癌症疫苗可分为树突状细胞mRNA癌症疫苗、直接注射的mRNA癌症疫苗。
2.1 树突状细胞mRNA癌症疫苗，自1996年首次报道了用电穿孔转染mRNA的树突状细胞可以引发针对肿瘤抗原的有效免疫反应后，许多研究和临床试验证实了这种方法的可行性和有效性。
2.2 直接注射的mRNA癌症疫苗一些临床前研究表明，将mRNA癌症与辅助疗法(如传统化疗、放疗和免疫检查点抑制剂)相结合，增加了mRNA癌症疫苗接种的有益结果。
总的来说，mRNA 癌症疫苗已被证明对人类具有免疫原性，进一步改进疫苗接种方法可能需要获得更大的临床益处。因此治疗性疫苗很可能是mRNA产品的一个利基空间，由于患者群体的规模以及在针对多种肿瘤相关抗原的疗法中可能占主导地位，因此具有巨大的市场潜力。
目前，大多数mRNA治疗性疫苗是多抗原疫苗，行业也越来越关注与免疫肿瘤药物(如PD1/PDL1阻滞剂)的联合策略，用于疾病负担较低且免疫系统仍然有效患者的早期治疗。因此，单一个性化癌症疫苗的市场规模可能很大。在获得领域领导者的概念验证数据后，用于各种癌症类型的mRNA个性化癌症疫苗研发管线将出现爆炸式增长。
上文提到的Nature Reviews Drug Discovery，对mRNA治疗疫苗预计：2035 年市场规模达到 70-100 亿美金，假设个性化肿瘤疫苗的销售峰值为 50 亿美金，单一肿瘤疫苗的销售峰值为 13 亿美金。同时根据美国ASCO的数据显示，癌症患者在初始阶段平均年治疗费用为 4.18 万美元，合计市场规模超过 100亿美元。
3. 治疗性药物领域尚处萌芽期：mRNA药物开发过程中的主要技术门槛在于稳定性和递送，如果相关难点能够得以解决，再加上mRNA能够合成任意一种蛋白质的潜力，除用于预防传染病外，其也可作为蛋白质补充或替代疗法治疗其他疾病；另外，由于癌症基因测序和抗原表位发现等技术的发展，mRNA也可针对肿瘤患者进行个性化治疗。因此，mRNA药物在传染病预防、癌症和包括罕见病在内的多种疾病治疗领域均有巨大的应用潜力。在罕见病治疗领域，目前较为有进展的mRNA药物包括Moderna治疗甲基丙二酸血症(MMA)的mRNA-3704和Translate Bio治疗囊性纤维化(CF)的MRT-5005，已进入2期临床阶段。
对于蛋白质替代疗法，在某些情况下，与标准重组蛋白策略相比，mRNA平台可能具有递送优势，但面临的技术挑战近期还没有明确的解决方案，包括缺乏器官选择性、频繁递送的潜在需求和高免疫原性。最初，由于治疗药物利用免疫系统，例如，编码双特异性抗体的mRNA与T细胞上的CD3和肿瘤细胞上的靶抗原结合，这可能会限制mRNA疗法来解决肿瘤学适应症的子集。对于遗传疾病和罕见疾病，mRNA疗法可能需要与基因疗法竞争。后者已在遗传疾病方面处于更晚期的临床试验阶段，可以为患者提供更持续的治疗性蛋白供应。
鉴于上述情况，治疗性药物占比因此较低，每个治疗领域的mRNA治疗性药物成功概率也会低于平均水平。因此根据上文Nature Reviews Drug Discovery，预计mRNA 治疗药物：2035 年市场规模达到 40-50 亿美金，假设肿瘤、呼吸 系统、罕见病等管线的销售峰值分别为 11 亿美金、18 亿美金、5亿美金。在蛋白替代治疗领城，mRNA 技术有望实现对于部分抗体类药物的替代，根据markets and markets 的数据，预计 2025年全球免疫冶疗药物市场规模将达到 2746亿美元，CAGR为11%，假设mRNA的蛋白替代治疗领域对于免疫治疗药物的替代率为 2%，则该领城市场规模为 55亿美元。
mRNA技术起始于90年代，当时证明在小鼠中注入mRNA后可以产生该基因编码的蛋白质，之后进展缓慢。直到进入21世纪技术进步解决了两个瓶颈问题才得以快速发展，即利用非病毒载体脂质递送技术解决mRNA成药稳定性和人体免疫系统对mRNA药物排斥问题。
相比于DNA疫苗，mRNA疫苗更为直接，不需要进入细胞核也不会参与DNA结构改造，因而机理更简单也更安全。相比于传统疫苗，mRNA药物的设计不需要病毒株，只需要病毒的基因序列。而且mRNA药物，无需细胞培养或者动物源基质，生产过程比蛋白质简单，所以成本更低。同时mRNA属于人体细胞内自有物质，可以自然降解无代谢毒性。如果病毒变异，修改mRNA的结构比修改蛋白质结构容易很多。因此mRNA疫苗最大优势还是速度，这对于突发疫情显然是一个巨大优势。
自2020年初首款新冠疫苗获批以来，疫苗接种大大抑制了新冠疫情的过快传播。其中，新冠mRNA疫苗备受瞩目，辉瑞/BioNTech和Moderna研发的mRNA疫苗可以说是迄今为止两种最有效的COVID-19疫苗。在临床试验中，这两种疫苗在预防症状性感染方面都有90%以上的效果，并获得美国FDA批准上市。虽然随着Delta和Omicron突变株的出现，突破性感染有所增加，但这两款新冠mRNA疫苗在预防新冠感染者住院和死亡方面仍然相当有效。
2021年，华盛顿大学病理学与免疫学、医学和分子微生物学副教授 Ali Ellebedy博士报告说，在人们接受第一剂辉瑞mRNA疫苗近4个月后，他们的淋巴结中仍然有生发中心，这些生发中心正在大量生产针对SARS-CoV-2的免疫细胞。之后，在2021年12月23日，华盛顿大学医学院和圣犹达儿童研究医院的研究人员在 Cell 发表了一篇相关研究论文2，在这篇Cell论文中，研究团队旨在了解滤泡辅助性T细胞(TFH)在产生如此强的生发中心反应中的作用。
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图3 研究模式图(图片来源：Cell)该研究表明，mRNA疫苗强烈而持久地激活一种辅助免疫细胞——滤泡辅助性T细胞（TFH），协助抗体产生细胞在产生大量越来越强大的抗体的同时，也推动了一些免疫记忆的发展。一旦TFH细胞衰退，产生抗体的长寿命细胞和记忆B细胞就会帮助提供保护，防止严重疾病和死亡。此外，许多滤泡辅助性T细胞会被病毒的一部分激活，这一病毒组分即使是在高度突变的奥密克（Omicron）变体中也没有发现突变。这项研究有助于解释为什么mRNA疫苗能产生如此高水平的中和抗体，并表明即使病毒发生变化，疫苗接种也可以帮助许多人继续产生强效抗体。
Cell的这篇文章很好地解释了mRNA疫苗效应机制及mRNA疫苗热潮的原因，它们提供的保护是否能够随着新变体的出现而持续下去的问题，同时也促使科学家们更加着力于探索mRNA技术更深的机制和特性。
从mRNA被发现，至COVID-19疫情加速了mRNA疫苗技术平台的发展，数亿人接种mRNA新冠疫苗，再到如今各个企业争相布局mRNA领域不同适应症，mRNA技术已经过几十年的技术沉淀，其中有不断的阻碍和探索，也显示出了研究者们夜以继日的努力和钻研。
发掘mRNA的潜力的关键是要清楚世界上的每一种蛋白质都可以由RNA编码。鉴于此，mRNA脱颖而出作为一个真正的“颠覆性技术”，它是一种由机体管理的活性物质，它本身不具有功能，但可以为机体提供“制药”信息。
换言之，mRNA是一个疾病的根除平台，因为它可以将每个人的身体转化为医院或疫苗工厂来给自己治病。即使在这个重组蛋白的时代，这个想法仍然是真正具有革命性意义的，而且有可能转化成为我们所熟知的药物。
参考来源：
[1] Xie et al., (2021). Evolution of the market for mRNA technology. Nature Reviews Drug Discovery，https://doi.org/10.1038/d41573-021-00147-y
[2]SARS-CoV-2 mRNA vaccination elicits a robust and persistent T follicular helper cell response in humans，https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.12.026
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