mRNA疫苗和免疫疗法的临床进展

细胞基因疗法 2022-12-21

收录于合集 #行业研究报告 92个

在病毒序列公布11 个月后，两种基于 mRNA 的冠状病毒 (SARS-CoV)-2 疫苗紧急使用授权 (EUA) 凸显了核酸技术的变革潜力。目前，mRNA 的大多数临床应用都集中在传染病和癌症疫苗上，由于某些mRNA种类和配方固有的免疫刺激特性，因此低剂量、低蛋白表达和局部传递也可能有效。此外，关于mRNA编码蛋白或细胞免疫疗法的研究工作也已开始进行，但由于需要最小的免疫刺激、靶细胞和组织中的高蛋白表达以及重复给药，导致了临床转化上制造与配方的挑战。在这一势头的基础上，去年mRNA技术在COVID-19疫苗、Omicron特异性加强针和季节性流感疫苗、Epstein-Barr病毒、人类免疫缺陷病毒（HIV）和癌症疫苗方面取得了临床进展。

麻省理工学院的Daniel G. Anderson教授和浙江大学的张鹏教授在2022年6月的·nature biotechnology上发表了题为“The clinical progress of mRNA vaccines and immunotherapies”的一篇综述，回顾了mRNA治疗的临床进展，并对这些基于mRNA的药物背后的转化技术进行了概述和展望。

随着Comirnity（BNT162b2）和Spikevax（mRNA-1273）两种针对COVID-19的mRNA疫苗的全面批准，mRNA的医学前景终于得到了人们的肯定。，在2020年1月11日公布病毒序列后，2020年3月16日Moderna的mRNA-1273就首次给人类志愿者完成注射。这一显著成就得益于近十年来传染性疾病和癌症mRNA疫苗的临床经验（图1）。

图1.抗SARS-coV-2 mRNA疫苗的快速发展

传统疫苗技术依赖于在生物反应器中使用哺乳动物细胞或鸡胚批量生产疫苗，而mRNA疫苗只在患者细胞内一次转化为最终产物。mRNA药物分为三个基本类别：预防性疫苗、治疗性疫苗和蛋白质编码疗法。所有应用程序都面临一个共同的挑战：在保持mRNA稳定性的同时，需要在细胞内将mRNA部分输送到靶细胞。RNA本质上是一种不稳定的分子，为此使用了各种技术，包括优化5′帽结构和3′聚（A）尾长度，以及5′和3′非翻译区域内的调节元件。除了在改善mRNA稳定性方面取得的进展，有效的体内mRNA药物还需要高效的细胞内传递。典型的脂质纳米颗粒（LNP）配方由可电离或阳离子脂质、胆固醇、辅助磷脂和PEG修饰的脂质分子组成。

传染病疫苗

在FDA批准COVID-19疫苗后，mRNA现在被认为是传染病中潜在的转化疫苗形式（表1），针对SARS-CoV-2以外病原体的mRNA疫苗的进一步验证十分迫切。mRNA分子固有的免疫刺激性质和作为免疫佐剂的功能被视为疫苗应用的关键优势，但将这些特性转化为一种安全有效的临床产品面临着平衡免疫刺激与编码抗原表达之间的挑战。迄今为止，临床上最先进的产品是具有化学修饰和未修饰核苷酸碱基的非复制性mRNA疫苗。

表1.针对传染病的mRNA疫苗研发进展

发现和开发时间短 SARS-CoV-2大流行在全球的迅速传播突出了能够快速部署用于人体试验的疫苗技术的重要性。. mRNA疫苗的发展速度很快，Pfizer-BioNTech和Moderna两项独立工作的时间线非常相似，表明监管机构从病原体的基因鉴定到EUA的发展轨迹，比典型的疫苗开发时间短11个月或几年。其他mRNA公司也能够以相对快速的方式利用其先前在疫苗开发方面的专业知识。例如，CureVac宣布批准于2020年6月开始CVnCOV的I期临床研究（NCT04449276），并于一年后获得其第II-III试验的中期结果（HERALD，NCT04652102）；2020年11月9日，Arcturus宣布了ARCT-021（NCT04480957）I期研究的中期结果；Sanofi Pasteur–Translate Bio（NCT04798027）、伦敦帝国理工学院（ISRCTN17072692、Eudract 2020-001646-20）和云南华威生物技术（ChiCTR2000034112）都在SARS-CoV-2序列公布后不到一年的时间内将mRNA疫苗用于人体试验。

制造和规模扩大 由于mRNA编码相关免疫原性蛋白，不需要活病毒，因此不需要专门的设施或生物安全实验室。与以鸡胚为基础的疫苗相比，mRNA疫苗不受鸡胚生产能力的限制，允许对鸡蛋过敏的个人进行疫苗接种。在无细胞系统中生产可将细菌污染的风险降至最低，无需生物反应器工艺。

所有基于核酸的疫苗（无论是mRNA还是DNA）都编码感兴趣的免疫原，但其特性独立于该免疫原。具有mRNA平台的不同疫苗的制造依赖于相同的化学成分，这意味着，一旦对该平台进行了投资，就可以很容易地适应新的病原体。在为新出现的流行病或季节性疫苗做好准备的情况下，这是一个特别有吸引力的特点。

快速的抗原特异性序列优化 mRNA 技术的另一个优势是能够基于引入核酸变化来设计和重新设计抗原，与不同蛋白质或肽的生物工程相比，这是一个相对简单的过程。对于 SARS-CoV-2，这主要采取了引入脯氨酸的形式，以将免疫原性 S 蛋白稳定到融合前的构型中。其中，BioNTech 应用了这种技术灵活性，将不少于五种不同的 COVID-19 mRNA 候选疫苗投入临床（三种使用核苷修饰的 mRNA，一种使用含尿苷的 mRNA，一种使用自扩增 mRNA）。

编码多种蛋白质和/或蛋白质亚基 对于 SARS-CoV-2，S 蛋白免疫原是同源三聚体，因此只需要引入单个 mRNA 序列。对于主要免疫原由多个亚基组成的病原体，不难想象产生重组蛋白亚基并以正确的化学计量成功地将它们重组为完整蛋白质是十分困难的。相比之下，mRNA 很容易适应这种应用。单独的亚基可以编码为单个长 mRNA，也可以编码为单独的 mRNA 链。例如，针对 CMV 的疫苗 mRNA-1647 包含六种 mRNA，其中五种编码五种不同的蛋白质，这些蛋白质结合形成五聚体蛋白，第六种编码 CMV 糖蛋白 B蛋白。

调节 mRNA 免疫原性 除了迭代优化序列以优化抗原的免疫原性外，完整的 mRNA 转录物本身和其制造过程中产生的其他 RNA 产物的先天免疫原性也可用于增强对 mRNA 疫苗的免疫反应。RNA 的先天潜在免疫原性在疫苗接种中可能是有利的，因为它可以激活免疫反应途径，例如 TLR 系统，从而导致 DC 成熟并随后产生强大的 B 和 T 细胞免疫反应。然而，这种 RNA 驱动的免疫刺激也可能是有害的，导致临床副作用以及感兴趣的蛋白质的表达减少。例如，RNA 依赖性蛋白激酶 R (PKR) 的激活与翻译抑制有关。

调节 mRNA 免疫原性的主要方法之一是用化学修饰的形式替换未修饰的核苷酸。研究表明，某些核苷修饰，如假尿苷和 5-甲基胞苷，可显着降低 TLR 信号传导和 PKR 激活，从而导致小鼠中蛋白质表达水平增加。然而，与具有修饰核苷的 mRNA 相比，其他人随后证明，未修饰核苷的掺入实际上导致 HeLa 细胞中更高水平的蛋白质表达和小鼠肝脏中相似水平的表达。CureVac 的研究人员报告说，经 HPLC 纯化、序列优化、未修饰的核苷 mRNA 不具有免疫原性，并且在小鼠中产生的蛋白质表达水平高于化学修饰的核苷 mRNA。

mRNA 递送的纳米制剂 现在临床上的大多数 mRNA 药物都使用 LNP 进行递送。LNP 制剂的组成可以显着影响细胞内递送效率、确定递送的细胞特异性和调节免疫原性。尽管所有脂质成分对 LNP 功能都很重要，但 LNP 的可电离脂质成分因其在 RNA 传递的多个方面（包括颗粒形成、细胞摄取和内体逃逸）中的关键作用而备受关注。尽管脂质开发的最新趋势集中在加入可水解键以促进清除，但这些可降解键可能会影响制剂的稳定性，这仍然是 LNP 制剂的挑战。mRNA LNPs 冻干的进展似乎可能会提高制剂的稳定性，但对于低剂量应用（例如疫苗），耐水解脂质可能被证明是有利的。

除了全身递送的 RNA 纳米颗粒外，其他方式的 RNA 应用也有可能为神经系统、眼睛、心脏、和肺提供治疗。特别值得注意的是，已经开发出基于可生物降解聚合物和寡聚合物以及脂质的纳米制剂，以促进通过雾化输送到肺上皮。例如，囊性纤维化患者已反复服用 MRT5005，这是一种 LNP 配制的 mRNA 的雾化制剂，编码囊性纤维化跨膜调节蛋白 (NCT03375047)。

储存和运输 COVID-19 影响各大洲，维持疫苗冷链运输和储存的挑战凸显。据报道， Moderna 的 mRNA-1273 在 -20 °C 下最多 6 个月，在冷藏条件下最多 30 天，在室温下最多12 小时。

将制剂制成干粉形式是运输和长期储存许多药品的最常用方法之一。然而，冻干过程中结晶和真空脱水产生的应力可能会降低大分子或 LNP 的稳定性，导致活性丧失。据报道，添加适当的冷冻保护剂，如海藻糖、蔗糖和甘露醇，可以在特定配方中保持 LNP 的稳定性。辉瑞已经启动了一项Ⅲ期研究，以比较冻干 BNT162b2 制剂与其冷冻液体 BNT162b2 制剂 (NCT04816669) 的安全性和耐受性。

给药途径 尽管已批准的SARS-CoV-2 mRNA疫苗采用i.m.给药，但对于最佳给药途径尚未达成共识。大流行性流感疫苗的全球推广理想的支持方式是采用低技术的给药途径只需对众多被要求接种疫苗的医疗保健提供者进行少量培训。通过腹腔注射给药BTN162b2、CVnCoV、ARCT-021和mRNA-1273。伦敦帝国理工学院的一个研究小组正在考虑研究他们吸入后自我扩增mRNA的COVID-19疫苗，类似于对季节性流感所做的研究。吸入疫苗或鼻内疫苗可引起细胞和体液反应，这些反应在中和传染性呼吸道病毒（如SARS-CoV-2）方面特别有效；然而，鼻内mRNA疫苗的研究仅限于临床前动物模型，进一步开发LNP载体可能需要有效靶向上呼吸道的适当细胞类型。

目前，注射i.m.似乎是最广泛使用的传染病mRNA疫苗给药途径，与蛋白质和DNA疫苗的情况相同。

给药方案 理想的给药方案，尤其是对于全球预防，是单次给药，给药后不久100%血清转化。但由于增强免疫力的现象，大多数给药方案包括至少两次注射，通常间隔几周。SARS-CoV-2 mRNA疫苗也是如此：BNT162b2分两次注射，间隔21天；对于CvnCOv和mRNA-1273，在初始注射4周后进行强化注射。BNT162b2和mRNA-1273获得了各自给药方案的EUA。

在SARS-CoV-2领域及之外，剂量范围广泛。在不同的疫苗中，从1μg（CV7202）到300μg（mRNA-1653和mRNA-1657）。给药剂量和方案，以及mRNA疫苗的储存物流，对全球免疫计划有着巨大的影响：最具影响力的COVID-19疫苗或针对未来大流行病毒的疫苗可能不是第一个接受EUA的疫苗，而是第一个生产数百万剂并将其有效交付服务点的疫苗。

作为佐剂的作用 作为通过天然RNA感应进行免疫刺激的补充或替代，一些研究小组已经在疫苗中添加了刺激分子，以增强对编码抗原的免疫反应，并取得了不同程度的成功。例如，CureVac使用CV8102，一种与阳离子肽载体复合的非编码无盖单链RNA，以增强狂犬病疫苗的免疫原性。

然而，在mRNA疫苗中使用佐剂似乎是一个例外；BNT162b2和mRNA-1273都只依赖mRNA-LNP配方，不使用佐剂，大多数公司在临床上开发mRNA疫苗都遵循无佐剂的方法。这可能是因为LNP成分本身刺激免疫系统的特定元件，如IFN-γ（STING）途径的刺激因子和先天免疫反应的TLR-RIG-I样受体（RLR）-非依赖性介质。纳米制剂既能将mRNA传递到适当的细胞靶点，又能通过设计选择性刺激免疫系统，这是mRNA作为疫苗平台的另一个优势。

不良事件 由于其作为预防性、非治疗性药物的性质，针对传染源的疫苗具有高标准的安全性和耐受性。RNA疫苗的安全性与基于蛋白质的疫苗的安全性一致。局部注射疼痛和局部或全身炎症反应（发热、不适）是最常见的不良反应。如果检测出非常罕见但潜在令人担忧的不良反应，其产生的益处也会远大于风险。

治疗癌症的mRNA疫苗

最近，癌症免疫疗法的迅速发展和成功引发了人们对使用mRNA疗法进行此项应用的兴趣（表2）。对于mRNA癌症免疫治疗，一种方法是通过表达缺失或改变的肿瘤抑制蛋白来改变免疫抑制肿瘤微环境。然而，目前的mRNA传递方式不太可能到达患者体内的每一个癌细胞。相反，人们越来越关注使用mRNA作为治疗性疫苗来训练免疫系统寻找并杀死癌细胞。mRNA疫苗的关键特性使其能够成功地作为SARS-CoV-2疫苗和一般传染病疫苗，包括快速开发和制造mRNA药物的能力以及mRNA编码整个抗原的能力，使其作为癌症疫苗的用途特别有希望。

表2.癌症疫苗的研究进展

肿瘤相关抗原 肿瘤相关抗原（TAA）优先表达于肿瘤细胞表面，是肿瘤细胞免疫杀伤的靶点。针对TAA的癌症疫苗涉及生产用于多种肿瘤的固定、现成的TAA。其中最先进的是BNT111，它是四种黑色素瘤相关抗原的混合物，现在与cemiplimab联合治疗晚期黑色素瘤已发展到II期。

CureVac对编码TAA的未修饰mRNA物种进行了早期研究，包括作为免疫治疗方案的自体扩增肿瘤mRNA的裸mRNA物种、编码六种肾癌相关抗原的裸mRNA 和六种不同黑色素瘤相关抗原（NCT00204516、NCT00204607）的鱼精蛋白稳定mRNA。这些研究主要提供所用制剂的安全性和耐受性信息。

个性化的新抗原 在癌变过程中，恶性细胞获得体细胞突变，导致产生正常细胞不表达的蛋白质序列。这些蛋白质通过蛋白酶体加工成肽，呈现在与MHC I类受体结合的细胞表面，并在那里被T细胞受体识别。这些新抗原通常对每个患者都是独特的，因此代表了与肿瘤特异性和患者定制免疫治疗相关的机遇和技术挑战。

为了产生针对患者特异性新抗原的mRNA疫苗，切除单个患者的肿瘤，并通过下一代测序鉴定患者特异性新抗原。然后将编码这些新抗原的mRNA注射到同一名患者体内，期望它能诱导免疫反应，攻击患者的肿瘤。

迄今为止，个性化新抗原疫苗的大部分工作涉及基于肽的新抗原疫苗而非mRNA疫苗的部署。BioNTech已经开发了几种用于治疗癌症的临床新抗原候选疫苗，并获得了有强大的免疫反应和一些临床活动的证据。

蛋白质和细胞免疫疗法

一个新的兴趣领域是使用mRNA给药，以产生治疗水平的免疫或免疫调节蛋白（表3），如抗体或细胞因子。与传染病和癌症疫苗相比，需要生产更多的蛋白质才能使此类治疗有效，在某些情况下，可能需要终身重复给药治疗。蛋白质免疫疗法的另一个挑战是将mRNA输送到所需的器官和细胞类型，以实现最佳的治疗效果。例如，某些表达的蛋白质需要进一步的PTM，如糖基化和蛋白水解处理，才能发挥完全的功能。然而，PTM对蛋白质的形成方式可能是组织依赖性的，并且可能不是简单地由mRNA序列决定的，因此强调需要组织特异性地传递mRNA。与疫苗相比，mRNA蛋白质免疫治疗在传递、蛋白质生产效率和耐受性方面提出了一些独特的挑战。

表3.用于蛋白质替代的mRNA应用

mRNA编码的单克隆抗体治疗 通过直接注射将mRNA传递到特定组织或器官是一大障碍。相反，暴露可以简化临床应用，只要它是安全的，并且表达足够水平的蛋白质以获得治疗效果。在mRNA药物中编码单克隆抗体（mAb）就是这种方法的一个例子，并以mRNA-1944为例，mRNA-1944是一种mRNA–LNP，编码一种抗基孔古亚病毒的中和mAb。利用mRNA生产抗体的应用仍然令人感兴趣，目前正在进行多个行业合作，例如CureVac和Genmab（基于mRNA的抗体抗癌疗法）之间的合作。

用于癌症治疗的 mRNA 编码的免疫刺激蛋白 另一种抗癌方法是注射预期具有直接治疗效果的mRNA编码蛋白，通常通过刺激免疫系统，如OX40配体（OX40L）或IL。其中一种产物mRNA-2416是编码免疫检查点调节器OX40L的mRNA，在肿瘤内给药。尽管首次报道的41名患有多种恶性肿瘤的患者的单药治疗结果不符合实体瘤部分疗效的疗效评估标准，但申办方目前正在将其纳入与杜洛单抗联合治疗卵巢癌的II期扩展队列。

过继免疫细胞治疗中的 mRNA 过继细胞移植是一种相对较新的治疗方法，涉及收集和使用患者自身的免疫细胞来治疗癌症。这一点已在乳腺癌患者中进行了探索，研究表明T细胞的耐受性良好，并在乳腺癌肿瘤组织内诱导炎症反应。此外还有能够促进体内递送至多类免疫细胞的纳米制剂，包括巨噬细胞、B细胞和T细胞，为一系列免疫疗法提供了希望。例如，通过T细胞靶向mRNA递送，体内CART细胞的产生可能成为可能，从而为癌症创造新的治疗方法。

mRNA在基因疗法和蛋白质疗法之间占有独特的地位，它结合了两者的许多优点，同时解决了任何一种面临的独特挑战。通过对工程化、非人类和人工蛋白质构建体的评估，mRNA疗法的潜力将进一步扩大。科学和医学界正在急切地等待进一步验证其他适应症的mRNA药物。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-022-01294-2.pdf

原文来源：细胞与基因线路设计

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