分子技术#12：浅谈mRNA疫苗前世今生

一、疫苗的类型

在mRNA疫苗出现之前，我们先来简单回忆一下什么是疫苗？传统疫苗有哪些？

疫苗是指用各类病原微生物制作的用于预防接种的生物制品，它能够刺激免疫系统产生免疫应答，从而预防疾病。

传统疫苗包括灭活疫苗和减毒活疫苗。灭活疫苗是采用物理或化学方法杀死病原微生物，但仍保留其免疫原性，注射后可刺激机体产生免疫应答。减毒活疫苗是人工选择或通过实验室培养等方法减毒或无毒的病原微生物，它本质上就是低毒性的病原微生物，进入人体后引发一次轻型的人工自然感染过程，触发免疫反应，使机体获得长期或终生保护作用。

以上两种疫苗都采用了免疫应答的方式。其过程可以被划分为几个阶段：

①感应阶段：当病原体进入人体后，首先被免疫系统的吞噬细胞识别和吞噬。吞噬细胞将病原体吞噬后，将其抗原成分呈递给T淋巴细胞。

②反应阶段：T淋巴细胞接受抗原呈递后，会活化并分化为效应T淋巴细胞和记忆T淋巴细胞。同时，B淋巴细胞也会在T淋巴细胞的辅助下活化，并分化为浆细胞和记忆B淋巴细胞。

③效应阶段：效应T淋巴细胞和效应B淋巴细胞会合成和分泌抗体，这些抗体可以与病原体结合，从而帮助吞噬细胞更好地吞噬病原体。同时，效应T淋巴细胞还可以通过释放穿孔素等细胞因子来杀伤被病原体感染的细胞。

免疫应答的主要作用是保护机体免受外来抗原性物质的侵害，当机体再次受到相同抗原刺激后，迅速出现针对该抗原的免疫防护，发挥特异性免疫效应。

 

二、mRNA疫苗的来源雏形

mRNA疫苗的来源雏形可以追溯到20世纪90年代初，当时科学家们将体外转录的mRNA注射到小鼠体内，发现其可在小鼠体内表达，产生相关蛋白且具有剂量依赖性，并能够诱导免疫反应。这就是mRNA疗法的雏形。但是受到当时技术瓶颈限制，mRNA疗法并没有迅速应用到人体。

直到21世纪，随着mRNA合成、修饰技术和递送技术的发展，mRNA疗法才重返生物制药公司的视线。科学家们利用mRNA技术研发出针对COVID-19的疫苗，经过多次改进和测试后，最终获得了批准并大规模使用，这是mRNA疫苗的首次成功应用。

 

三、mRNA疫苗的工作原理

首先我们应先回忆一下，mRNA是什么？在生物体内哪个过程起作用？

mRNA是信使RNA（messenger RNA）的缩写，是生物体内的一种核糖核酸分子，主要在细胞核内合成。它的主要功能是将DNA上的遗传信息转录成具有相应氨基酸序列的蛋白质合成的信息。在细胞的细胞核中，DNA通过转录作用合成出mRNA分子，这个过程称为转录。mRNA分子通过细胞核孔转移至细胞质，然后与蛋白质合成机器（核糖体）结合，通过翻译作用将mRNA上的信息翻译成蛋白质。因此，mRNA在生物体内起着指导蛋白质合成的作用。

 

 

图注：中心法则是一个描述遗传信息传递和表达的过程，它包括以下步骤：

[1] 复制（Replication）：在DNA复制过程中，双螺旋解旋成为单链DNA，然后以每条单链为模板，合成其互补链。这个过程需要DNA聚合酶和其他相关酶的参与。

[2] 转录（Transcription）：在细胞核中，DNA通过转录作用合成出mRNA分子。转录由DNA模板链上的基因编码序列指导，RNA聚合酶催化合成。生成的mRNA链上保留了来自DNA模板链的遗传信息。

[3] 翻译（Translation）：mRNA通过细胞核孔进入细胞质，并与核糖体结合。mRNA上的遗传信息被翻译成具有特定氨基酸序列的蛋白质。

在中心法则中，mRNA起着承上启下的作用，它既是DNA遗传信息向蛋白质转化的中间媒介，也是实现遗传信息表达的重要环节。

再联合上面所述的mRNA疫苗来源与免疫应答过程，那我们就可以总结出mRNA疫苗的工作原理，其是：将含有编码抗原蛋白的mRNA导入人体，直接进行翻译，形成相应的抗原蛋白，从而诱导机体产生特异性免疫应答，达到预防免疫的作用。基本原理是通过特定的递送系统将表达抗原靶标的mRNA导入体内，在体内表达出蛋白并刺激机体产生特异性免疫学反应，从而使机体获得免疫保护。

图注：mRNA疫苗在体内的免疫机制（图源网络）

 

四、mRNA疫苗的制作步骤

图注：mRNA疫苗研发一般流程

 

mRNA疫苗的研发流程通常包括以下步骤：

1）质粒构建：首先需要设计和合成一个质粒，它是一种可以携带mRNA序列的DNA分子。这个质粒应该能够在人体细胞内表达出目标抗原，并刺激人体的免疫反应。这个过程需要对目标抗原的基因序列进行分析和优化，以确保质粒能够高效地表达出目标抗原。

2）质粒纯化与线性化：在构建好质粒后，需要对其进行纯化和线性化。纯化的目的是去除质粒中的污染物和其他杂质，以确保其质量和安全性。线性化则是将质粒切割成单链DNA，以便在体外转录过程中使用。

3）体外转录：在质粒纯化和线性化之后，需要进行体外转录（IVT）。这是通过使用一种名为T7噬菌体RNA聚合酶的酶，将质粒中的DNA序列转录成mRNA的过程。这个过程中需要添加能量和原材料，以确保转录能够顺利进行。

4）mRNA纯化：在完成IVT后，生成的mRNA需要进行纯化，以去除任何剩余的污染物、杂质和未转录的DNA片段。这个过程通常使用高效液相色谱（HPLC）进行，以确保mRNA的纯度和质量。

5）mRNA递送：最后一步是将纯化的mRNA递送到人体细胞中。这通常通过将mRNA包裹在脂质纳米粒子（LNP）中来实现。LNP是一种可以保护mRNA免受人体免疫系统攻击的载体，同时帮助其进入人体细胞。将LNP与mRNA混合后，可以通过注射或其他方式给药到人体中。

在完成上述步骤后，就可以制备出mRNA疫苗了。需要注意的是，这个流程需要进行严格的质量控制和安全性评估，以确保疫苗的安全性和有效性。