.avif)
针对 SARS-CoV-2 的信使 RNA (mRNA) 疫苗的开发和部署，是面对全球健康危机时取得的一项巨大公共卫生成就。这一成功激发了人们对 mRNA 技术的热情，显著加速了其在多种疾病中的开发与应用。
目前全球约 70% 的 mRNA 疫苗临床前和临床试验专注于 COVID-19 以外的疾病，其中 31% 的 mRNA 疫苗试验针对癌症，69% 针对其他传染病、遗传病和免疫系统疾病（见图 1）。自 2020 年以来，针对这些疫苗的研究激增，已超过 COVID-19 相关研究，证明它们将成为长期研发的方向。
mRNA 疫苗研究现状
尽管 mRNA 疫苗看起来像是近期的发明，但对此类疫苗的研究已持续了 30 多年。正如 CAS Content CollectionTMTM（全球最大的人工收录科学信息库）所示，mRNA 疫苗领域的期刊出版物产出从 1965 年到 2019 年呈缓慢上升趋势，每年有小幅增长。截至 2019 年，关于 mRNA 疫苗的期刊出版物仅有 571 篇（见图 2B）。
2020 年开始出现显著增长，到 2024 年，与 mRNA 疫苗相关的期刊出版物已超过 8,000 篇。专利也反映了这一趋势，mRNA 疫苗专利出版物从 2020 年的约 30 项增加到 2024 年的数百项（见图 2C）。2020 年至 2024 年间预印本出版物的显著增加，可归因于疫情期间传播 mRNA 疫苗研究成果的迫切需求。
尽管 COVID-19 在本世纪初几年无疑主导了研究布局，但疫情期间建立的基础设施和创新成果目前正被应用于其他疾病，包括癌症、艾滋病和罕见病。如图 1A 所示，截至 2024 年 12 月，处于研发阶段的疫苗共有 280 种，其中 55% 处于临床前阶段，45% 处于不同的临床阶段。
COVID-19 是大规模 mRNA 疫苗开发的催化剂，但该技术目前正处于应对一系列挑战性疾病的长期研发路径上。
什么是 mRNA？
mRNA 是一种由核苷酸亚基组成的单链大分子，它可以携带相应 DNA 的遗传序列，并被核糖体读取，从而在细胞质中翻译成蛋白质。mRNA 疫苗技术的核心是使用合成 mRNA，其设计旨在编码特定的抗原（见图 3A）。
非翻译区 (UTRs)、5’ 端帽和 3’ 多聚腺苷酸 (poly(A)) 尾部位于编码区两侧，mRNA 内的核苷被修饰（图 3D），以延缓其在细胞质中的降解、降低免疫原性并增强翻译。一旦 递送至细胞内，这些疫苗必须利用宿主细胞的翻译机制翻译成抗原，以触发抗原特异性免疫反应。
翻译出的抗原可以被分泌并作为外源性抗原被细胞吸收，从而刺激 MHC II 类分子介导的免疫。此外，当 mRNA 疫苗被递送至抗原呈递细胞 (APCs) 时，翻译出的抗原会被宿主视为内源性抗原，主要激活 MHC I 类分子免疫反应。mRNA 链会被核酸酶分解，且半衰期较短。
这种方法前景广阔，但 mRNA 可能会被细胞外 RNases 降解，这可能导致翻译失败和无法被 APCs 内化。它也难以穿过阴离子细胞膜。然而，两项关键突破使 mRNA 疫苗成为可能：使用脂质纳米颗粒 (LNPs) 作为 mRNA 递送材料，以及对 mRNA 进行化学修饰以避免不必要的免疫反应。
用于 mRNA 疫苗递送的 LNPs 是唯一被证明具有临床有效性并获批用于人类的药物递送系统。2023 年，宾夕法尼亚大学的两位科学家 Katalin Karikó 博士和 Drew Weissman 博士， 荣获诺贝尔生理学或医学奖 因其在化学修饰 mRNA 碱基方面取得的突破，显著影响了 mRNA 的稳定性、翻译效率和免疫逃避能力。
mRNA 疫苗的类型
目前 mRNA 疫苗主要有三种类型：非复制型 mRNA、自扩增 RNA (saRNA) 和环状 RNA (circRNA)。
- 常规/非复制型/非扩增型 mRNA： 此类 mRNA 疫苗由编码目标蛋白的开放阅读框 (ORF)、5’ 端帽结构、5’ 非翻译区 (UTR)、3’ 非翻译区 (UTR) 以及多聚腺苷酸 (poly(A)) 尾组成，可转录产生一份免疫原性蛋白（图 3A）。免疫反应与转录的 mRNA 数量直接相关。虽然此类疫苗生产快速且成本效益高，但由于 mRNA 半衰期短，必须重复接种。
- 自扩增 RNA (saRNA) 和反式自扩增 RNA (taRNA)： 除了线性 mRNA 的常规元件外，saRNA 还包含一段较长的 ORF 序列，该序列编码源自甲病毒的病毒复制酶（非结构蛋白；nsP1–nsP4），用于在宿主细胞内扩增 mRNA（图 3B）。这些疫苗同样易于大规模生产，且在较低剂量下比常规 mRNA 产生更多的抗原。然而，其合成难度较大，且较大的复制子尺寸（约 10 kb）限制了细胞内化。saRNA 可分为两组 taRNA（图 3C），即不含 nsP1–nsP4 的 mRNA 和编码 nsP1–nsP4 基因的 mRNA，以避免尺寸过大和包封效率低的问题。
- 环状 mRNA (circRNA)： 此类 mRNA 疫苗包含闭环结构，没有 5’ 和 3’ 非翻译区。CircRNA 是通过 mRNA 前体的反向剪接产生的。其翻译起始不依赖于 5’ 端帽结构，而是通过滚环扩增 (RCA) 翻译蛋白质。闭环结构保护 circRNA 免受核酸外切酶的降解，且这些带有 LNP 载体的疫苗具有高度稳定性。然而，在获批临床使用前，仍需进行更多的安全性测试。
针对 COVID-19 以外疾病的 mRNA 疫苗
多年来，针对 COVID-19 以外传染病的 mRNA 疫苗研发取得了持续进展（见图 4）。流感占该研究领域临床试验的一半，其次是呼吸道合胞病毒 (RSV)、艾滋病毒 (HIV) 和水痘带状疱疹病毒。2020 年之前，研究主要集中在流感、HIV 和人乳头瘤病毒 (HPV) 等疾病上，早期的临床试验展示了 mRNA 技术的潜力。2020 年 mRNA COVID-19 疫苗的成功，推动了到 2021 年针对衣原体、巨细胞病毒 (CMV)、EB 病毒、乙型肝炎、丙型肝炎、疟疾、炎症性肠病和寨卡病毒的研究工作进一步扩大。
流感（四价流感 mRNA 疫苗 MRT-5413，NCT05650554）和呼吸道合胞病毒（RSV）的多价疫苗在 2022 年进入后期试验阶段，同时针对基孔肯雅热、尼帕病毒、单纯疱疹病毒（HSV）、狂犬病、黄热病、水痘-带状疱疹以及多组分疫苗（如流感与 RSV；流感、RSV 与 SARS-CoV-2）的早期研究也已启动。
重点在于扩展 mRNA 疫苗平台以应对未来的未满足需求，包括登革热、埃博拉、哈特兰病毒、淋病、日本脑炎、拉沙病毒、马尔堡病毒、猴痘、人类偏肺病毒、白蛉病毒和结核病，这凸显了该领域的显著增长。Moderna 最近从美国政府获得了大量资金，用于 开发 针对禽流感的 mRNA 疫苗，旨在为潜在的人类疫情做好准备。
另一个令人振奋的进展是利用 mRNA 疫苗诱导强效的 T 细胞反应并 根除 癌细胞。2010 年代，mRNA 技术和递送系统的进步促成了针对黑色素瘤及其他癌症的个性化癌症疫苗早期临床试验的启动。在 COVID-19 疫苗成功应用后，mRNA 疫苗的研究投入大幅增加。
目前已有超过 60 项 mRNA 癌症疫苗试验被列出，涵盖多种癌症，包括乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、结肠癌、转移性肾细胞癌、胶质母细胞瘤、黑色素瘤和实体瘤。其中大多数处于临床前阶段，但部分已进入 II 期（见图 5）。
作为 mRNA 疗法开发的先驱，CureVac、Moderna 和 BioNTech 设计了一系列基于肿瘤相关抗原（TAA）和肿瘤特异性抗原（TSA）的 mRNA 疫苗。最近，默沙东（Merck）和 Moderna 启动了一项 III 期研究（NCT05933577），评估 V940 (mRNA-4157) 的疗效。该疫苗编码多达 34 种新抗原，并联合 KEYTRUDA®（帕博利珠单抗）用于高危（IIB-IV 期）黑色素瘤切除术后的辅助治疗。
mRNA 疫苗递送的最新进展
选择合适的载体对于疫苗的成功至关重要，它会影响免疫反应的强度和精确度。 纳米技术 的进步使得多种载体系统得以应用，从而改善了 mRNA 在靶细胞中的递送和表达。表 1 展示了 主要的递送载体 专注于 mRNA 疫苗开发，包括 脂质纳米颗粒（LNPs）、 基于聚合物的纳米结构以及天然来源的材料。这些基于纳米颗粒的递送系统可保护所施用的 mRNA 免受核酸酶降解、自水解和免疫系统的攻击。它们还提供了一种通用且具有靶向性的系统，可将 mRNA 安全地递送至目标细胞。
表 1： mRNA 疫苗技术中用于 mRNA 递送的纳米颗粒平台总结。改编自 Meng-Zhen Yu 等人 2023 年的研究。 mRNA 疫苗的临床进展与挑战 - PubMed
mRNA 疫苗当前的局限性及其克服方法
mRNA 疫苗的最新突破证明，这是一种行之有效的技术，可用于对抗许多其他疾病。然而，未来的发展仍面临挑战，包括与 mRNA 的免疫原性和稳定性相关的问题、生物安全顾虑、递送系统中的靶向难题，以及 mRNA 疫苗大规模生产的质量控制问题。
例如，SARS-CoV-2 和流感等冠状病毒不断出现新的变异株和毒株，这需要研发新的疫苗。因此，研究人员正在致力于针对此类病毒研发多价加强针和通用疫苗。艾滋病毒（HIV）也表现出快速突变和蛋白聚糖屏蔽的特性，从而掩盖了关键表位。mRNA 疫苗需要产生广谱中和抗体才能有效对抗 HIV。任何 mRNA 疫苗要应对埃博拉病毒等疾病，都需要具备热稳定性。目前唯一获得 FDA 批准的埃博拉疫苗需要 -80℃ 储存，且目前尚无其他 mRNA 埃博拉疫苗处于临床开发阶段。狂犬病、呼吸道合胞病毒（RSV）和疟疾也是潜在的 mRNA 疫苗目标，但每一种都需要在临床试验中证明其成功。
尽管存在这些挑战，但该技术的未来前景极其广阔。数十年来在 mRNA 设计和核酸递送技术方面的进步，加上新型抗原靶点的发现，使 mRNA 疫苗处于疾病预防和治疗的最前沿。虽然与 COVID-19 疫苗相关的 mRNA 研究出现了激增，但我们看到，其他非 COVID-19 相关的研发技术目前已在临床前和临床试验中占据主导地位，特别是在传染病和癌症领域。随着研究的深入，我们可以期待 mRNA 技术出现更多创新应用。
