基于mRNA的癌症疫苗|从mRNA药物分子设计到免疫反应（中篇）

Original 向阳屯铁匠细胞与基因治疗领域 2023-01-13

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在2020年之前，提到疫苗大家可能只会想到灭活疫苗、病毒载体疫苗，而在COVID-19肆虐全球之后，相信所有人都了解到了一个疫苗新品种----mRNA疫苗。在2020年，Moderna与BioNTech以史无前例的速度推动了两款新冠疫苗的研发与上市，让上亿的人群免受COVID-19的重症侵害。同样的，mRNA疫苗技术也为治愈癌症提供了新的武器，本系列文章小编就带大家从药物分子设计到免疫反应等方面聊一聊基于mRNA的癌症疫苗，本次（中篇）小编主要为大家介绍mRNA疫苗在体内的免疫学作用。

一、mRNA药物分子设计

（详见往期文章：基于mRNA的癌症疫苗专题|从mRNA药物分子设计到免疫反应（上篇））

二、mRNA疫苗在体内的免疫学作用

T细胞依赖性B细胞活化

对预防性疫苗例如新冠疫苗、乙肝疫苗来说，他们的保护机制主要是依赖于中和抗体反应：注射疫苗，生成抗体，抗体会与宿主细胞表面的病毒受体（例如ACE2）一同竞争病毒抗原表位，并以此阻止病毒吸附到宿主细胞表面，与此同时，由于病毒表面挂满了抗体，则可以达到抗体中和作用或被被巨噬细胞等识别，进而被清除掉。在细胞层面上，mRNA 疫苗通过肌肉内注射给药后，会在注射部位的细胞中表达其所编码的抗原。这些表达出的抗原会被一些迁移到注射部位附近淋巴管道的APC（有报道主要是巨噬细胞，但也有文章说多依靠DC）等摄入体内。做为外源蛋白，这些抗原会被运送到溶酶体中，再介用MHC-II传递给+CD4细胞，促其成熟，这些激活的辅助性的T细胞，尤其是滤泡辅助 T 细胞会产生白细胞介素 21 (IL-21) ，并帮助 B 细胞分化和记忆 B 细胞的产生。与此同时，注射进组织的LNP 也会被转运到引流淋巴结中，进而由APC细胞摄取，并在APC中表达抗原。此时的抗原，既可以与B细胞的BCR相结合，又可以被B细胞内吞后介用MHC-II传递给+CD4细胞。召唤来的Th细胞，在被激活后可以分泌细胞因子，促进B细胞分化为能够生成IgG、 IgA、或 IgE的成熟B细胞。进而促进germinal center (GC) reaction，完成亲和力成熟，产生针对mRNA疫苗编码的高滴度、高亲和力抗体。

SARS-CoV-2 mRNA 疫苗引发的免疫反应

然而治疗性疫苗尤其是癌症疫苗的保护机制则略有不同，它需要激发T细胞反应，尤其是需要激活CD+8 细胞毒性T细胞并由其完成对癌细胞的特异性杀伤。在注射 mRNA 疫苗后，mRNA可以直接在注射部位细胞内翻译表达目的抗原，这个过程与自然界中DNA/RNA病毒感染的过程及其对免疫反应的连续诱导非常相似。为了有效地诱导适应性免疫反应，在细胞内（主要需要依靠APC，尤其是DC）翻译后的抗原需要通过MHC I 类和 MHC II 类分子来进行抗原呈递。APC 具有将细胞外抗原通过MHC-I（通常细胞外抗原会通过 MHC-II 呈递给 CD4+ T 细胞）交叉呈递给 CD8+ T 细胞的独特能力，这样可以有效地帮助刺激信号从 CD4+ T 细胞传递到 CD8+ T 细胞。由此产生的CD4+T细胞对CD8+T细胞的诱导效应即交叉引发已被证明对于诱导 CTL 和 B 细胞反应很重要，因此这也是mRNA肿瘤疫苗的一个重要优势。

为了有效地激活T 细胞、诱导免疫反应，几个额外的刺激信号是也是关键因素：除了抗原识别信号外（相当于TCR 与肽-MHC 复合物的结合），还需要有共刺激信号，以及随后连续产生的细胞因子来辅助。① 由APC提供的共刺激信号：在自然条件中，APC 在感知到病原体相关分子模式 (PAMPs) 后可以表达共刺激信号（如 B7 分子、CD70分子、CD137分子等，在向CD4+ T细胞进行抗原提呈时，B7分子可以与T细胞表面的CD28结合，促进T细胞与APC的识别与激活反应；而针对CD8+T细胞，承担这一作用的是CD70分子等），已表明机体受到微生物感染或危险。而这一过程，可以通过利用 Toll 样受体 (TLR) 配体来实现。TLR 属于先天免疫系统固有的模式识别受体 (Pattern recognition receptor)，其功能就是用来检测 PAMPs。因此，TLR会分布于细胞中各种潜在的病原体进入位点，例如TLR2/1、TLR2/6位于细胞膜上，TLR7/8/9位于内体膜上等等。它们对外源RNA分子的识别，会引起APC细胞表达共刺激信号分子。② 细胞因子：常见的细胞因子如IFN1，对于免疫反应也是有极大的促进作用的。在自然条件下， APC会因病毒或其他病原体的PAMPs的诱导而表达细胞因子。同时这些细胞因子的表达，会促进APC的的成熟并加强APC的抗原交叉呈递。总的来说，T细胞会在同时接收到T细胞识别抗原后传来的信号1和结合共刺激分子后传来的信号2时，会被这两个信号所激活。然而，仅接收信号1对T细胞来说是一个关闭信号，T细胞会转化成tolerance、clone incompetent 或 deletion的状态。

T-cell two-step priming model

对于mRNA疫苗来说特别有意义的一点是，通常外源性的 mRNA被认为是具有免疫原性的，因为它本身就是一类PAMP，可以通过 TLR（特别是 TLR3 、TLR7 和 TLR8）激活先天免疫细胞。一旦 PRR 感知 PAMP，先天性炎症反应（包括释放IFN1）就会随着适应性免疫反应的连续激活而启动。更准确地说，在APC 中，TLR 与mRNA相识别，会诱导产生多种促炎性细胞因子例如 TNF-α、IFN-α、IL-6、干扰素-γ 诱导的蛋白 10 (IP-10) 等，并会诱导产生共刺激信号。从而满足了关键因素中的①与②。而这一系列反应最终会引发适应性的 B 和 T 细胞反应。

mRNA疫苗对免疫系统的影响

通常，传统疫苗注射部位包括肌肉、皮下组织，mRNA疫苗还有一些非传统的注射部位，如结内、脾内、皮内、鼻内、静脉内和肿瘤内等。不同的注射部位、给药途径，会使疫苗被不同类型的细胞吸收，而其中有效性的关键点是看所选用的途径是否能有效地将目标抗原递送至淋巴组织内的APC中。目前来看，并不是非要将DC分离出来，然后用mRNA直接转染才能够有效的诱导免疫反应。将mRNA 注射到次级淋巴组织同样有助于将抗原靶向递送至 APC，且无需 DC 迁移。肌肉内和皮内注射mRNA疫苗也有可行性，如果相比与静脉注射，会引起更持久的蛋白质表达。

①如果将mRNA疫苗直接注射到淋巴结中，APC可以直接通过胞饮作用吸收mRNA，并且由于节内有大量可用的免疫细胞，因此可以有效地产生 CD4+、CD8+ T 和 B 细胞反应，一些临床前和临床研究已经采用了结内注射的方法并证明这是一种非常有效的 mRNA疫苗的递送方式。很多离体的DC在经过mRNA转染后，也会通过节内注射输注到病人体内。

②鼻内给药也有类似的作用，这种给药方式会通过 DC 快速摄取抗原。上呼吸道（鼻、鼻道、鼻窦、喉和咽）含有大量的黏膜组织，黏膜组织是抵御病原体入侵的第一道防线（物理屏障）。而第二道防线则由免疫细胞组成，尤其是树突状细胞，它们在鼻上皮细胞内形成分布广泛的网络屏障（免疫屏障）。DC 能够打开呼吸道上皮细胞间的紧密连接，进而能够接触上皮以外的抗原。由于鼻内给药有非侵入性、易于给药的性质，因此这种递送方式可能很有前景。

③在人体皮肤中，也存在着许多 APC，例如表皮中的Langerhans细胞以及真皮中的间质 DC。因此，在皮内注射给药后，mRNA 会在注射部位被皮肤中的许多 APC吸收并进行局部表达，但大部分的mRNA还是被非免疫细胞例如肌肉细胞、成纤维细胞和角质形成细胞等吸收并表达（但APC可以提呈有非免疫细胞表达后分泌出的抗原）。

④骨骼肌中虽然仅存在少量的免疫细胞，但循环免疫细胞最终会经过肌肉内的给药部位，这样就会可以对肌肉细胞表达出的的抗原进行处理和呈递。不过这种局部的先天免疫反应和炎症反应的程度会影响适应性免疫。因此，传统疫苗会含有加重注射部位炎症反应的佐剂，从而促进机体在注射部位对免疫细胞进行募集和激活。

⑤还有一些研究对瘤内注射进行了评估。大家发现，肿瘤内免疫细胞的组成非常重要。一些 “热”肿瘤的特点是免疫细胞的高度浸润，该类病人有着更高的治疗疗效和和更高的生存率。因此，瘤内浸润的免疫细胞的数量和种类比例在很大程度上决定了免疫疗法的功效。目前也有一些研究测试了改变肿瘤内免疫微环境，将“冷”肿瘤转换为“温”肿瘤的方法，例如将编码免疫刺激蛋白的 mRNA和流感疫苗进行瘤内注射等，都取得了一些好的结果。

⑥最后，mRNA疫苗也可以考虑采用静脉注射，但必须克服一些风险和障碍。例如静脉注射后 mRNA 疫苗会与血清蛋白聚集也更容易被降解，LNP包裹的RNA疫苗会大量聚集在肝脏部位等，这都会对疫苗的功效造成困扰。静脉内注射mRNA疫苗最终希望得到的结果是，吞噬外源 mRNA 的免疫细胞继续游走直至到达淋巴结，然后在淋巴结中诱导和激活免疫反应。

mRNA 注射的不同位置后所诱导的免疫反应

参考资料：

交叉呈递：

https://www.nature.com/articles/nri3254

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2018.01643/full

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2018.02874/full

mRNA疫苗的免疫反应：

https://www.dovepress.com/the-development-of-mrna-vaccines-for-infectious-diseases-recent-update-peer-reviewed-fulltext-article-IDR

https://www.mdpi.com/2076-393X/9/2/147/htm#B23-vaccines-09-00147

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6422039/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8402319/#B48-vaccines-09-00848

T-cell：