雙管齊下增強(qiáng)疫苗效果，華人學(xué)者引領(lǐng)mRNA技術(shù)新突破
將mRNA作為疫苗潛力巨大，但其先天免疫原性高、易降解和體內(nèi)遞送效率低等問題，導(dǎo)致其在疫苗開發(fā)中進(jìn)展不順。隨著 Drew Weissman 和 Katalin Karikó 提出的N1-甲基假尿苷（m1ψ）化學(xué)修飾，以及脂質(zhì)納米顆粒（LNP）遞送載體的發(fā)明，為mRNA疫苗的開發(fā)掃除了上述障礙。
mRNA新冠疫苗的成功，讓我們看到了這種基于mRNA技術(shù)的新型疫苗平臺的強(qiáng)大威力。以mRNA新冠疫苗為例，編碼了新冠病毒刺突蛋白（S蛋白）的經(jīng)過化學(xué)修飾的mRNA被封裝到了LNP中，以保護(hù)mRNA不會被快速降解，并幫助其進(jìn)入細(xì)胞。一旦進(jìn)入細(xì)胞中，其mRNA會被翻譯表達(dá)刺突蛋白，被免疫系統(tǒng)檢測到，從而產(chǎn)生中和抗體并激活T細(xì)胞免疫反應(yīng)。如果此后感染新冠病毒，免疫系統(tǒng)會識別并迅速動員。
然而，化學(xué)修飾的mRNA的耐受性和翻譯能力得到了提高，但也在很大程度上損害了先天免疫反應(yīng)。因此，全世界各地的科學(xué)家們正在努力改進(jìn)，嘗試開發(fā)出更強(qiáng)大、能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的免疫反應(yīng)的mRNA疫苗。
2023年9月6日，加拿大核酸疫苗與治療研究主任（Canada Research Chair）、多倫多大學(xué)藥學(xué)院助理教授李博文聯(lián)合麻省理工學(xué)院教授 Robert Langer、Daniel Anderson在 Nature Biomedical Engineering 期刊發(fā)表了題為：Enhancing the immunogenicity of lipid-nanoparticle mRNA vaccines by adjuvanting the ionizable lipid and the mRNA（通過佐劑化可電離脂質(zhì)和mRNA來增強(qiáng)LNP-mRNA疫苗的免疫原性）的研究論文【1】。
該研究同時對mRNA本身及其遞送載體LNP進(jìn)行工程化改造，一次通過雙管齊下的方式開發(fā)出了“自佐劑化”mRNA疫苗，該疫苗通過注射接種或鼻內(nèi)吸入式接種，均可大幅提高中和抗體滴度和T細(xì)胞應(yīng)答。
如果進(jìn)一步將其應(yīng)用于人體，這類新型mRNA疫苗所需的劑量更低，從而有助于降低成本，并可能產(chǎn)生更持久的免疫力。該疫苗平臺也可能有助于增強(qiáng)包括腫瘤疫苗在內(nèi)的其他類型mRNA疫苗的免疫反應(yīng)。
在這項發(fā)表于 Nature Biomedical Engineering 期刊的論文中，李博文等人希望進(jìn)一步提高mRNA技術(shù)的潛力，增強(qiáng)mRNA疫苗的免疫反應(yīng)。
佐劑（Adjuvant）是一種常用于增強(qiáng)疫苗免疫應(yīng)答的分子，但尚未應(yīng)用于mRNA疫苗。在這項研究中，研究團(tuán)隊對mRNA本身及其遞送載體LNP同時進(jìn)行工程改造，從而一次通過雙管齊下的方式開發(fā)出“自佐劑性”的mRNA疫苗，讓疫苗的內(nèi)外成分同時發(fā)揮佐劑作用，從而增強(qiáng)mRNA疫苗的免疫反應(yīng)。
首先，他們將目光聚焦在了C3d蛋白上，這是先天免疫系統(tǒng)的分支——補(bǔ)體系統(tǒng)的一部分，當(dāng)補(bǔ)體系統(tǒng)被外源微生物激活時，補(bǔ)體中的C3d會附著到潛在抗原上，放大機(jī)體對這些抗原的產(chǎn)生的免疫反應(yīng)。
在這種先天免疫機(jī)制的啟發(fā)下，研究團(tuán)隊構(gòu)建了編碼抗原（新冠病毒S蛋白的RBD結(jié)合域）和三個C3d的融合蛋白的mRNA，這樣一來，mRNA進(jìn)入細(xì)胞后就能夠表達(dá)出綜合這兩種功能的抗原-C3d融合蛋白。
李博文表示，在這項實驗中，雖然添加C3d重復(fù)序列稍微降低了mRNA的蛋白表達(dá)量，但在相同的mRNA劑量下，生成的抗原-C3d融合蛋白的免疫激活能力卻超過了原始抗原的10倍以上。重要的是，如果把抗原和C3d分開在兩條獨(dú)立的mRNA中表達(dá)，就不會產(chǎn)生這種顯著的免疫增強(qiáng)效應(yīng)。這一特異性意味著C3d不會盲目地增強(qiáng)其他抗原的免疫活性， 從而確保了它應(yīng)用于疫苗增強(qiáng)上的安全性。這個idea起初是受到自己研究生階段閱讀的一篇發(fā)表于1996年的 Science 論文的啟發(fā)。該論文顯示，含有兩個和三個C3d的雞蛋溶菌酶的免疫原性分別是單獨(dú)雞蛋溶菌酶的1000倍和10000倍，而單獨(dú)游離的C3d對該抗原的免疫反應(yīng)沒有影響。mRNA技術(shù)讓我們能容易就可以實現(xiàn)抗原與C3d的融合，迅速在mRNA框架內(nèi)驗證了這一論文的發(fā)現(xiàn)，并將C3d當(dāng)做分子佐劑一次應(yīng)用到mRNA疫苗里。
除了對mRNA分子層面的修改之外，研究團(tuán)隊還嘗試優(yōu)化用于遞送mRNA疫苗的脂質(zhì)納米顆粒（LNP），從而讓LNP除了遞送mRNA外，還能發(fā)揮刺激免疫反應(yīng)的作用。
納米顆粒本身可能具有刺激免疫反應(yīng)作用，但并不確定什么組分能夠優(yōu)化這種刺激作用。為了確定較有效的組分，研究團(tuán)隊構(gòu)建了一個包含480種具有不同化學(xué)性質(zhì)的可電離脂質(zhì)文庫，通過對這一文庫進(jìn)行高通量篩選和評估，從中發(fā)現(xiàn)了一些可能提高免疫反應(yīng)的脂質(zhì)。
接下來，研究團(tuán)隊在小鼠模型中測試了基于上述發(fā)現(xiàn)的新型mRNA疫苗，其mRNA編碼了S蛋白和C3d融合蛋白，并使用了從文庫中篩選鑒定到的性能較好的可電離脂質(zhì)（lipid 331）組成的LNP遞送載體。
與接種無佐劑的新冠mRNA疫苗的小鼠相比，接種這種新型mRNA疫苗的小鼠產(chǎn)生的中和抗體水平提高了10多倍，而且還產(chǎn)生了更強(qiáng)的T細(xì)胞反應(yīng)。
今年6月份，賓夕法尼亞大學(xué)Michael J. Mitchell 教授團(tuán)隊（韓雪祥博士為第一作者）在 Nature Nanotechnology 期刊發(fā)表論文【2】，開發(fā)了一種新的LNP組分——佐劑類脂質(zhì)，可以增強(qiáng)mRNA-LNP疫苗的佐劑性。
李博文表示，團(tuán)隊開發(fā)多重佐劑平臺的目的是克服單一佐劑類脂質(zhì)在劑量依賴性方面的局限，這一點(diǎn)在疫苗劑量較低時尤為明顯。這并不難理解，因為更高的疫苗劑量會帶來更多的佐劑類脂質(zhì)以加強(qiáng)免疫激活，反之則效果有限。考慮到疫情初期mRNA疫苗的供應(yīng)短缺，我們希望通過極低的劑量下也能實現(xiàn)優(yōu)越或至少相似的疫苗效果，而單一佐劑方案無法實現(xiàn)這一目標(biāo)。因此，我們構(gòu)建了這個具有多重佐劑性能的疫苗平臺，即使在非常低的劑量下，也能顯著增強(qiáng)疫苗的免疫效應(yīng)，實現(xiàn)“1+1>2”的綜合效果。這種多重佐劑性mRNA-LNP疫苗設(shè)計不僅能通過降低劑量來減少成本和潛在的副作用，還在某些特定應(yīng)用場景（如兒童疫苗或鼻腔疫苗）具有很高的價值。
針對呼吸道黏膜的鼻內(nèi)疫苗可能解決肌肉內(nèi)接種的不足。鼻內(nèi)流感疫苗的臨床前研究顯示，黏膜免疫可以通過IgA抗體和組織駐留T記憶細(xì)胞增強(qiáng)對不同亞型流感病毒的保護(hù)， 并提高抗病毒免疫力的持久性。此外，鼻內(nèi)疫苗對兒童和有針頭恐懼癥的人更容易接受，也能規(guī)避針頭和注射器或其他材料的短缺。尤其在大流行期間，使用鼻內(nèi)疫苗對整個人群進(jìn)行免疫將比肌肉內(nèi)注射更快、更具成本效益。
李博文還提到，這項工作開始于新冠疫情初期，當(dāng)時還不清楚mRNA疫苗是否可以進(jìn)行鼻腔內(nèi)接，因為其有效性可能會受到覆蓋上呼吸道的黏液纖毛屏障的嚴(yán)重阻礙。
考慮到鼻腔疫苗的潛在優(yōu)勢， 團(tuán)隊進(jìn)一步探索了將這種新型RNA疫苗平臺進(jìn)行鼻腔內(nèi)接種的可行性。當(dāng)將該疫苗注入小鼠鼻腔后，他們在小鼠身上觀察到了與注射注射接種類似的強(qiáng)烈免疫反應(yīng)。如果該疫苗被開發(fā)用于人體，這種鼻內(nèi)吸入式疫苗可能會提供更強(qiáng)的保護(hù)作用，因為它會在鼻腔和肺部的黏膜組織中產(chǎn)生免疫反應(yīng)， 在傳染病毒進(jìn)入血液循環(huán)之前就在黏膜處將其消滅。
論文通訊作者 Daniel Anderson 教授表示：如果你只是往鼻子里噴一些東西，而不是排隊接種注射疫苗，那么鼻內(nèi)疫苗可能也更容易讓多人接種。
除了用于傳染病疫苗外，mRNA技術(shù)的另一個重要應(yīng)用是腫瘤疫苗，據(jù)悉，研究團(tuán)隊正在進(jìn)行相應(yīng)探索，還計劃在大動物模型中測試這些新疫苗配方的有效性和安全性，希望終能在人類患者上進(jìn)行測試。此外，這種mRNA疫苗能夠在較低劑量下能引起更強(qiáng)的免疫反應(yīng)，這也有助于減少接種所需的疫苗劑量，從而降低成本，幫助疫苗覆蓋到更多的人群，特別是在中低收入國家和地區(qū)。
李博文表示，實驗室正積極致力于將該疫苗增強(qiáng)平臺應(yīng)用于新抗原腫瘤疫苗的研發(fā)。眾所周知，由于腫瘤引發(fā)的免疫抑制現(xiàn)象，癌癥疫苗的研發(fā)難度相對傳染病疫苗來說更大， Curevac公司的CEO Ingmar Hoerr 在其前列腺癌mRNA疫苗進(jìn)入第二期臨床試驗失敗后指出：What we’ve learned here is that mRNA is not enough on its own — you have to break tolerance and you have to make it more immunogenic （我們從這里學(xué)到的是，單純的mRNA是不夠的——你需要打破免疫耐受，并增強(qiáng)其免疫原性）。如何在保證安全性的前提下有效地打破免疫抑制，增強(qiáng)癌癥疫苗引起特異性免疫反應(yīng)一直是研究界的關(guān)注焦點(diǎn)。
博士后研究期間，李博文師從LNP技術(shù)先驅(qū)、麻省理工學(xué)院教授 Robert Langer（Moderna聯(lián)合創(chuàng)始人）和 Daniel Anderson（Orna Therapeutics聯(lián)合創(chuàng)始人），在此期間，他開發(fā)了能夠高通量合成和篩選用于mRNA遞送的可電離脂質(zhì)組合文庫，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了一系列新型LNP，可將mRNA遞送到包括肝臟、脾臟和肺部等器官中，還可將Cas9/sgRNA-mRNA遞送到肺上皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞以及肝臟細(xì)胞中，實現(xiàn)長期的基因編輯。此外，他還開發(fā)了一系列具有雙重功能的LNP，不僅能夠遞送mRNA，還可以作為佐劑來增強(qiáng)免疫反應(yīng)。這些工作可應(yīng)用于更好地幫助人類對抗傳染病、癌癥、自身免疫疾病，以及罕見遺傳疾病。
2022年2月，李博文加入了多倫多大學(xué)藥學(xué)院，任助理教授，并出任加拿大核酸疫苗與治療研究主任（Canada Research Chair），他的實驗室致力于開發(fā)新型、安全有效的核酸遞送平臺，開發(fā)基于核酸的新型疫苗和治療方法，用于包括疫苗接種、免疫治療和再生醫(yī)學(xué)在內(nèi)的一系列人類健康應(yīng)用。
眾所周知，LNP會向肝臟富集，因此，如何實現(xiàn)肝外靶向，是將mRNA技術(shù)應(yīng)用于肝臟以外疾病治療中的一大挑戰(zhàn)。
今年3月份，李博文、Robert Langer、Daniel Anderson 等在 Nature Biotechnology 期刊發(fā)表了題為：Combinatorial design of nanoparticles for pulmonary mRNA delivery and genome editing（用于肺部mRNA遞送和基因組編輯的納米顆粒的組合設(shè)計）的研究論文【3】。
該研究利用構(gòu)建的可電離脂質(zhì)組合文庫，篩選并鑒定了吸入式遞送載體——RCB-4-8 LNP，這種領(lǐng)先的LNP具有更好的生物可降解性和安全性，可重復(fù)氣管內(nèi)給藥。它提供了全球一個成功利用LNP實現(xiàn)高效肺上皮細(xì)胞基因編輯的方法，為先天性肺部疾病的基因治療開辟了新的途徑。
該研究實現(xiàn)了LNP對對肺部的靶向，通過吸入式遞送，成功在小鼠肺部細(xì)胞進(jìn)行CRISPR基因編輯，這為開發(fā)有效治療肺部疾病的基因編輯藥物奠定了基礎(chǔ)。
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