《mRNA-LNP疫苗的結構與穩定性》文獻解讀系列一

文章來源:AVT發布時間:2021-08-23瀏覽次數:

摘要:


當前mRNA脂質納米粒(LNP)疫苗的一個缺點是它們必須在(超)di溫下儲存,了解這些疫苗不穩性的根本有助于我們合理提高mRNA-LNP產品的穩定性,從而降低對儲存溫度的要求。在這篇綜述中,我們討論了mRNA-LNP可能的內部結構、影響mRNA-LNP穩定性的因素以及優化mRNA-LNP產品穩定性的策略。對mRNA-LNP結構的分析表明,mRNA、可電離的陽離子脂質和水存在于LNP中,中性輔助脂質主要位于包裹的外壁。mRNA水解是mRNA-LNP不穩定的主要因素。目前尚不清楚LNP中的水如何與mRNA相互作用,以及mRNA的易降解位點通過與可離子化的陽離子脂質的結合而受到多大程度地保護。為了提高mRNA-LNP疫苗的穩定性,首先,應優化mRNA的核苷酸組成。其次,更好地了解mRNA在LNP中所處的環境可能有助于合理調整LNP結構以保持mRNA的完整性。此外,干燥技術如凍干,可能是仍有待探索的可行途徑。

 

1、背景介紹

當下正在開發的許多疫苗中,有兩款疫苗已在預防感中顯示出高效保護率,這兩款疫苗代著新一代疫苗產品:它們由脂質納米粒包裹信使核糖核酸鏈(mRNA)。BioNTech/Pfizer和Moderna開發的這些mRNA疫苗的保護效力約為95%,并且是首批獲得FDA“緊急使用授權”和EMA “條件批準”的mRNA疫苗。疫苗mRNA編碼SARS-CoV-2病毒的刺突(S)糖蛋白,其中包括兩個脯氨酸替換(K986P和V987P突變),以穩定糖蛋白的融合前構象。在肌肉 (IM) 注射給藥后,LNP系統使宿主細胞能夠攝取并遞送mRNA 到細胞質內,其中mRNA序列在核糖體中翻譯成S蛋白。在宿主細胞進行翻譯后加工后,S蛋白在細胞表面以其融合前構象作為膜結合抗原被呈遞,為B細胞提供抗原靶標。此外,部分翻譯表達的S蛋白進入抗原呈遞途徑,通過T細胞表位的組織相容性復合體(MHC)呈遞提供T細胞的抗原識別。EMA評估報告將mRNA疫苗在注射部位的作用機制認定如下:“注射LNP包裹的mRNA疫苗會導致短暫的局部炎癥,從而促使中性粒細胞和抗原呈遞細胞(APC)募集到注射部位,招募的APC能夠攝取 LNP納米粒繼而表達S蛋白,隨后可以遷移到發生T細胞的局部淋巴結”,由于這種固有的先天免疫,沒有必要用額外的佐劑配制mRNA疫苗。有趣的是,輝瑞/BioNTech和Moderna專門使用修飾后的核糖核苷酸來構建mRNA,以降低(而不是提高)mRNA固有的免疫原性,強調需要適當平衡mRNA疫苗的先天免疫活性(下文詳細討論)。體內抗原表達可以通過疫苗給藥后來實現,與mRNA疫苗的自佐劑特性相配合,終產生有效地中和抗體應答和細胞免疫,從而為疫苗接受者降低感的風險。


與其他類型的疫苗相比,mRNA疫苗有幾個優點。mRNA疫苗的一個普遍優勢是它們的開發相對較快,因為mRNA-LNP是一種平臺技術。在鑒定保護性蛋白抗原并對相應基因進行測序后,可在數周內制備mRNA。由于編碼不同抗原的mRNA在化學和物理上高度相似,新mRNA疫苗的配方設計和制造過程遵循相同的步驟。與有復制缺陷的病毒型載體相比,mRNA疫苗可能有更高的病毒保護效力。與基于病毒載體的疫苗不同,機體不會對載體產生免疫反應。在這方面,mRNA疫苗類似于基于脫氧核糖核酸(DNA)的疫苗。然而,DNA疫苗仍有極小的機會進行潛在的基因組整合。此外,與mRNA疫苗相比,DNA疫苗在早期臨床試驗中顯示出相當低的免疫原性,這可能是因為基于DNA的疫苗需要進入細胞核才能發揮作用,從而使有效遞送變得復雜??傮w而言,靈活的設計、標準化的生產流程和相對較短的細胞質存在時間使mRNA疫苗非常有優勢,尤其是在病毒快速變異的大流行背景下。


然而,在開發 mRNA疫苗時遇到的挑戰之一是它們的穩定性差。目前,大多數mRNA疫苗是通過肌肉注射給藥的,在注射部位被宿主細胞攝取mRNA繼而表達出抗原。mRNA疫苗的早期研究表明,裸露的mRNA在給藥后會迅速降解。因此,在過去很多年,人們一直在努力改善體內給藥后mRNA的穩定性,一種方法是通過優化mRNA結構的方法來減緩其降解。另一種成功且目前廣使用的方法是用LNP將mRNA包封,從而保護 LNP中的mRNA。這減少了給藥后mRNA過早的降解,并增強了向抗原呈遞細胞胞內遞送的能力。


盡管目前在提高mRNA-LNP疫苗的體內穩定性和功效方面取得了進展,但對其儲存過程中的穩定性仍然關注較少。為了疫苗能有效地在全球范圍內進行流通,mRNA-LNP疫苗能夠在冷藏溫度(2-8°C)或更高的溫度下有足夠長的有效期。目前,公開資料中幾乎沒有關于mRNA-LNP制劑長期儲存穩定性數據。此外,尚不清楚在LNP中包封的mRNA會在多大程度上改善mRNA疫苗的儲存穩定性。關于LNP包封mRNA的結構和形態、LNP組分的化學穩定性和mRNA-LNP系統的膠體穩定性也知之甚少?,F在已知的是,為了更長時間地儲存當前的mRNA疫苗,它們必須被冷凍。目前Moderna和BioNTech/輝瑞的疫苗分別需要在-15~-25℃和-60~-90℃儲存,但迄今為止,這兩家公司mRNA疫苗產品的降解過程和儲存溫度要求不同的原因尚不完全清楚。


將mRNA-LNP需要冷凍儲存阻礙了疫苗的流通。尤其是,需要儲存在-60~-90 °C的極低溫,對疫苗在全球運輸、儲存和流通是個極大的挑戰。大多數其他疫苗可以在2–8 °C下儲存。顯然,當前迫切需要研發出性質更加穩定不需要冷凍儲存的mRNA-LNP疫苗。本綜述概述了使mRNA疫苗更穩定的方法,以便它們可以在不太極端的溫度下儲存更長時間。為了探討該主題,討論了mRNA-LNP疫苗的特性及其對儲存穩定性的影響,以確定mRNA疫苗不穩定的原因并探索提高其穩定性的方法。


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