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新冠疫情释放RNA疫苗潜力

Jan 19, 2021 No Comments

 

新冠疫情释放RNA疫苗潜力
疫苗生产设施必须迅速提高其生产RNA疫苗的产能。

 

RNA疫苗技术可以彻底改变针对艾滋病、疟疾、流感等疾病的免疫接种方法。

这是2013年3月的一个星期五下午,当Andy Geall接到电话时,中国只有三人感染了一种新的禽流感病毒。Novartis公司疫苗研究的全球负责人Rino Rappuoli想知道Geall等人是否准备好将他们的新疫苗技术用于测试。

一年前,就职于美国马萨诸塞州剑桥市Novartis公司美国研究中心的Geall团队将RNA核苷酸序列包装在名为脂纳米颗粒(lipid nanoparticles, LNP)的小脂肪滴中,并用它们成功地为大鼠接种了呼吸道病毒疫苗。他们现在可以对新型流感病毒株做同样的事情吗?他们可以尽快做到吗?

答案是:可以。到周一,该团队已开始合成RNA;到周三,他们在组装疫苗;到周末,他们已经在细胞中进行了测试;一周后,在小鼠中进行了测试。

开发速度惊人。Novartis团队在一个月内就取得了通常需要一年或一年以上才能取得的进展。

但是当时,制造临床级别RNA的产能受到了限制。Geall等人无法测试这种疫苗以及他们开发的其它几种疫苗是否能在人体内起作用。2015年,Novartis出售了其疫苗业务。

五年之后,一场全球大流行让RNA疫苗证明了自己的价值。上个月,两个RNA疫苗候选药物—一个来自美国制药巨头Pfizer公司和德国美因茨的BioNTech公司,另一个来自马萨诸塞州剑桥市的Moderna公司——获得了多个国家监管机构的紧急批准以抗击COVID-19。
 
RNA疫苗的时代已经到来——数十家公司参与其中。GlaxoSmithKline公司疫苗部门的临床前研究与开发负责人、Geall团队的前成员Jeffrey Ulmer指出,所有大型制药公司都在以某种方式对这项技术进行测试。

在疫苗中使用RNA的想法已有近三十年的历史。与传统方法相比,遗传技术更为简化,使研究人员可以快速追踪疫苗研发的多个阶段。现在,公众的强烈兴趣可能会推动使用RNA技术去解决特别顽固的疾病,例如肺结核、艾滋病和疟疾。而且RNA疫苗的生产速度之快可以提高季节性流感疫苗的有效性(传统疫苗的生产速度难以跟上季节性流感病毒变异的速度)。

但是该技术的未来应用将面临一些挑战。原材料很贵,副作用可能令人不安。目前,分销需要昂贵的冷链——例如,Pfizer-BioNTech的新冠疫苗必须在-70°C保存。COVID-19的紧迫性可能会加速解决其中一些问题,但是一旦当前危机消退,许多公司可能会放弃该策略。问题仍然存在:RNA疫苗终将走向何方?

Pfizer公司病毒疫苗研究负责人,Geall的前同事Philip Dormitzer表示,RNA技术已经证明了自己的价值,但还有一大块处女地等着我们去开发。现在我们已经看到它适用于COVID-19,因此探索它在其它疾病上的潜力非常吸引人。

 

小颗粒,大进步

疫苗教会人体识别和消灭致病因子。通常,注射弱化的病原体或蛋白质或其表面的糖(这些都是抗原),来训练免疫系统识别入侵者。但是RNA疫苗仅需要引导这些抗原蛋白的产生便可。目的是使它们进入人体细胞并使其产生抗原,从而将人体转变为自己的接种工厂。

基于RNA的疫苗的想法可以追溯到1990年代,当时法国的研究人员(现就职于Sanofi Pasteur公司)首先在小鼠中使用编码流感抗原的RNA。小鼠产生了响应,但是该团队使用的脂质输送系统被证明毒性太大,无法在人体内使用。10多年后,关注RNA干扰技术(利用RNA阻断特定蛋白质的合成)的公司开发了LNP技术。这一技术的发现为现在新冠疫苗的成功奠定了基础。
 
奥斯陆流行病防备创新联盟(Coalition for Epidemic Preparedness Innovations)创新技术和项目负责人Nick Jackson指出,终于有了突破,LNP技术的开发确实是一个分水岭,使信使RNA可以应用于各种不同的疾病适应症。

2012年,大约在Geall等人开发第一种用LNP包裹的RNA疫苗的时候,美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)开始资助Novartis、Pfizer、AstraZeneca、Sanofi Pasteur和其他机构,致力于RNA编码疫苗和治疗剂。然而,没有一家大公司坚持使用这项技术。DARPA前项目经理Dan Wattendorf表示,即使数据看起来不错,他们也不愿承担基于新技术的疫苗的任何风险。
 
但是与DARPA计划有联系的两家较小的公司继续从事这项技术的研究。其中之一是德国图宾根的CureVac,该公司于2013年开始对狂犬病疫苗进行人体测试。CureVac的一款新冠疫苗目前出于后期测试阶段。

另一个是Moderna,它是在DARPA资助的工作的基础上,最终将一种用于新型禽流感病毒、基于RNA的疫苗在2015年底进行临床测试。这种疫苗引起了足够的免疫反应,因此该公司继续进行RNA疫苗的人体实验。这些疫苗分别针对巨细胞病毒(出生缺陷的常见原因)、两种蚊媒病毒(基孔肯雅热和寨卡病毒)以及引起儿童呼吸道疾病的三种病毒。

收购了Novartis大部分疫苗资产的GlaxoSmithKline也于2019年开始评估基于RNA的狂犬病疫苗。

到2020年初,这就是RNA疫苗临床开发的全部范围:只有十几个候选疫苗进入人体试验阶段;经过初步测试后,有4种被迅速抛弃;仅有一项针对巨细胞病毒的研究已进行到更大规模的后续研究。

随之而来的是新冠疫情,南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学(University of the Witwatersrand)的基因疗法研究人员Kristie Bloom指出,伴随而来的全世界瞩目。仅在过去的十个月,至少有六种基于RNA的COVID-19疫苗进入了人体测试。还有几个即将上市。

 

快速推进

RNA疫苗似乎是专为应对紧急需求而生。研究人员可以从病原体的遗传序列中快速提取出潜在的抗原编码片段,并将该序列插入DNA模板中,然后合成相应的RNA,然后再包装疫苗以将其运送到体内。

例如,Moderna在收到SARS-CoV-2基因组序列后的四天内进行了处理。Moderna专注于病毒的刺突蛋白,一种病毒用于进入细胞的表面蛋白。然后,该公司与美国NIH合作,在小鼠中进行了概念验证实验,然后在短短两个月内就开始了人体首次测试。

从理论上讲,任何疫苗都可以用相同的方法制造。Sanofi Pasteur疫苗研发总监John Shiver指出,从这个意义上说,它确实是一个平台。使用RNA,你不必重新开发整个过程。

相比之下,经典的疫苗生产方法需要经过昂贵费时的从头开发进程。这些低效率的开发进程也是卫生当局必须在流感季节开始前几个月选择每年在季节性流感疫苗中放入哪种菌株的原因。这些选择通常会错过目标,并且没有时间回头去测试替代方案。结果,流感疫苗的有效性很少超过60%。

但是,有了RNA,疫苗生产商可以更快地转向有效的抗原。马萨诸塞州列克星敦专注于RNA的Translate Bio公司的首席执行官Ron Renaud表示,理论上,我们几乎可以随时快速地调整序列并解决问题。流感、COVID-19和其它几种病毒和细菌病原体的疫苗都是换汤不换药,只需要换掉其中包裹的RNA序列便可。

由于具有即插即用功能,RNA疫苗可以辅助基础研究。芝加哥伊利诺伊大学医学院(University of Illinois College of Medicine)的疫苗学家Justin Richner正在他自己的实验室开发基于RNA的登革热疫苗。Richner等人例行地调整了编码登革热病毒用来攻击人类细胞的包膜蛋白的基因序列。通过迭代他们的设计,研究人员在小鼠中测试了大约15种候选疫苗。

Richner指出,操纵疫苗的RNA序列来尝试新的假设和策略是非常容易的事情。

 

其它宝藏

该技术的进步现在正在帮助研究人员了解疫苗开发的一些特别之处,例如一种通用的流感疫苗,该疫苗可应对任何病毒株,而无需每年重新设计。其他团队则在开发针对低收入国家的艾滋病毒和其它头号杀手的疫苗。由于病原体系统地改变其表面蛋白以逃避免疫识别的方式,这种疫苗经常让科学家头疼不已。一些传染性病原体,例如疟疾,也具有复杂的生命周期,这使挑选抗原的过程更加复杂。

RNA疫苗可能包含多种抗原的指令,这些抗原要么串成一条链,要么与多个RNA一起封装在单个纳米颗粒中。

费城宾夕法尼亚大学佩雷​​尔曼医学院(University of Pennsylvania Perelman School of Medicine)的疫苗科学家Norbert Pardi采用了后一种方法来制作实验性流感疫苗。多重疫苗由四个RNA链组成,每个RNA链编码不同的流感蛋白,成功地保护了小鼠免于感染一种特定的流感病毒亚型。

现在,Pardi和他在纽约市西奈山伊坎医学院(Icahn School of Medicine)的合作者希望对其它两种主要病毒亚型重复上述试验,然后再将所有序列放到一个包含12个RNA链的流感疫苗中,以取代每年一次的疫苗接种需求(因为流感病毒每年毒株不一样,所以每年都要接种)。Pardi提醒,如果靶向病毒的多个组分,就可以诱导广泛的保护性免疫反应。

 

稳定性和安全性

尽管具有许多潜在的优势,但是现在的RNA疫苗技术仍有改进的余地。伦敦帝国理工学院(Imperial College London)的免疫学家Robin Shattock指出,这项技术还处于早期阶段,他怀疑,未来几年我们将看到RNA疫苗技术的不断改进。

首先,存在冷藏问题。Pfizer-BioNTech的疫苗和Moderna的疫苗都需要低温才能维持其RNA的完整性。

但是至少有两家公司声称,其开发的COVID-19 RNA疫苗,在高温下可稳定保存数月。

首席技术官Mariola Fotin-Mleczek表示,与Pfizer-BioNTech使用相同LNP的CureVac将其RNA折叠成紧凑的3D结构,从而可以在冷藏温度下保存数月。中国苏州艾博生物科技公司正在进行新冠疫苗的早期人体试验,该公司专注于LNP的质量和纯度,以创造出一种可在室温下保持长达一周效力的疫苗。

还有一个挑战:到目前为止,人体使用的针对COVID-19或其它疾病测试的RNA疫苗通常需要加倍剂量才能有效。而且,鉴于公众对多剂量疫苗的依从性差,接种第一针疫苗的人相当一部分不会去接种第二针。

不过,新的递送系统可以解决此问题。例如,在马萨诸塞州剑桥市的Vaxess Technologies公司,研究人员开发了一种可穿戴的皮肤贴片,上面布满了细小的、可溶解的微针,可以将疫苗缓慢滴入体内。

滴注而不是一次性注射疫苗可以帮助克服第三个缺点:副作用。RNA疫苗可能存在严重的反应,尽管是短暂的,但COVID-19注射引起的副作用似乎比其它疫苗更常见——在临床试验中,超过80%的接受Moderna疫苗接种的个体对疫苗有全身性的反应,并伴有疲劳感、肌肉疼痛和其它经常被证明会使人变虚弱的症状。

疫苗专家Stanley Plotkin指出,在全球致命的大流行中,这种不愉快可能是可以接受的。不过这种不适在针对流感之类的疾病里可能就是不可接受的了。此外,对于任何针对婴儿的疫苗,研究人员肯定会希望减少反应原性。

疫苗合成和LNP输送系统中的污染物被认为是反应原性的两个主要来源。目前的纯化系统对污染物的去除能力有限,因此LNP的纯度也受限制。由于这些原因,疫苗制造商通常会降低剂量,以限制进入人体的污染物和LNP的量。对于常规的RNA疫苗,较低的剂量意味着较低的效力。但是,诸如加利福尼亚圣地亚哥的Arcturus Therapeutics和伦敦的VaxEquity这样的公司已经设计出了变通办法,即为其COVID-19疫苗创建自扩增RNA构建体(图:RNA疫苗如何发挥作用)。

 

新冠疫情释放RNA疫苗潜力1

 

小剂量

与先行的基于RNA的疫苗不同,新型RNA疫苗不仅包含冠状病毒刺突蛋白的编码序列和两端的调控序列,还包括RNA复制酶。

虽然这种疫苗构建体稍大一点,需要更多的序列优化,对生产设备也要求更高,但是它们允许降低剂量。复制型RNA疫苗更接近自然病毒感染,从而可以触发更强、更广泛的免疫反应,这种情况下单剂量接种方案才有可能实现。

BioNTech在扩增技术方面进行了改进。在COVID-19之前,该公司主要专注于癌症疫苗。但BioNTech联合创始人兼首席执行官UğurŞahin表示,凭借久负盛名的声誉,扩大的生产能力以及预计销售COVID-19疫苗可带来的大量现金流,这将使我们能够更快地在传染病平台上进行扩展。

比利时Oostkamp的Ziphius疫苗公司同样想借助新冠疫情这阵东风。Ziphius成立于2019年5月,最初致力于开发基于RNA的疗法来治疗杜氏肌营养不良和囊性纤维化等罕见疾病。Ziphius去年开始研究COVID-19的自扩增RNA疫苗后,全面修改了其开发计划。首席执行官Chris Cardon表示,这家初创企业现在正试图筹集3000万欧元(折合3700万美元),以推进针对各种传染病的14个临床前项目。

RNA疫苗可能仍面临财务阻力。许多行业内部人士认为,一旦大流行消退,当前的火热度不会持续。

位于加利福尼亚州圣地亚哥的Replicate Bioscience首席执行官Nathaniel Wang表示,很难说服人们押注在这种类型的传染病疫苗技术上。Wang去年与Geall共同创立了这家致力于开发癌症RNA疗法的公司。Wang指出,尽管他们公司已经围绕COVID-19和寨卡的RNA疫苗建立了一些学术和商业合作伙伴关系,但大多数风险投资公司并不愿意为这类项目投入资金。

尽管如此,随着RNA疫苗成为头条新闻,Geall和他的许多前同事一直在回想在Novartis的日子。如果公司没有出售其疫苗部门,他们是否可以在过去十年中帮助消除埃博拉或寨卡病毒的爆发?

Novartis疫苗部门的前研究和早期临床开发负责人Christian Mandl表示,回想这个总是充满悲伤。但是他对现在成功使用COVID-19疫苗感到欣慰,他为他们做出的宝贵贡献感到非常自豪。

 

原文检索:
Elie Dolgin. (2021) How COVID unlocked the power of RNA vaccines. Nature, 589: 189-191.
张洁/编译

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