新冠疫苗驱动下疫苗的发展——mRNA疫苗的未来已来

新型冠状病毒（SARS-CoV-2）自2019年底流行至今，已导致全球超十亿人感染。2023年1月，新型冠病毒导致的疾病被正式命名为新型冠状病毒感染。随着新冠病毒的持续传播，病毒变异株也在不断出现，从2020年10月在英国暴发的Alpha变异株，到Delta变异株，以及席卷全球的Omicron变异株，这些病毒的变异株导致全球新冠疫情反反复复，新冠疫苗作为对抗新冠疫情发酵与病株变异的重要武器，再次成为大众关注与讨论的热点。本文将概述新冠疫情下疫苗的研发进展和mRNA疫苗的相关应用，并通过对相关指导原则的解读，探讨如何开展mRNA疫苗的药代动力学研究。

一、新冠疫情下疫苗的研发进展

01 新冠病毒致病原理

新冠病毒主要通过呼吸道传播，对人体造成最明显的病症就是肺炎。新冠病毒可以通过口、鼻、眼睛等粘膜侵入人体，沿着上呼吸道气管向下呼吸道迁移，最终到达我们的呼吸器官——肺。当新冠病毒到达肺泡后，其S蛋白会与II型肺泡细胞上的ACE2受体结合，使得病毒可以通过胞吞作用进入细胞，释放RNA，并劫持原细胞的功能实现大量的复制，在完全占领了该细胞后，细胞就会破裂从而释放更多的病毒去感染其附近的其它II型肺泡细胞^[1]。在病毒入侵器官一段时间后，机体的特异性免疫被激活，免疫系统在攻击被感染区域的同时，也会杀死健康的肺泡细胞，从而导致气体交换受阻，呼吸功能减弱，严重时也会引起急性呼吸窘迫综合征（ARDS)，甚至死亡。

图1. 新冠病毒入胞出胞示意图（图片来源^[1]）

02 疫苗的作用原理

疫苗的抗病原理是利用病原菌来刺激免疫系统，使其产生特异性记忆B细胞和记忆T细胞，当人体遭到此病原体袭击，获得性免疫能够直接利用原有的免疫记忆产生迅速应答，在病原体大规模感染其他细胞前，将病原体和已被感染的细胞杀灭，形象地说就是：剧透。前面新冠病毒致病原理中提到的S蛋白就被作为抗原之一，应用于新冠病毒疫苗的研制。

03 不同技术路线疫苗的优劣势分析

目前，根据新冠致病机理而设计研发的疫苗类型包括灭活疫苗、重组蛋白亚单位疫苗、腺病毒载体疫苗和mRNA疫苗。

灭活疫苗是将病原体在特定的培养物中培养，再通过物理或化学的方法将病毒杀死，使其失去复制能力但保留抗原性。灭活疫苗的优点是制备方法简单快速，安全性比较高，它是应对急性疾病传播通常采用的手段。缺点则是免疫途径单一，需要在P3条件下大规模培养病毒，并且有时候会造成抗体依赖增强效应（ADE），使病毒感染加重。

重组蛋白亚单位疫苗是将病原体基因中用来指导合成“有效抗原成分”的基因片段植入工具细胞的基因组中，利用工具细胞在体外表达所需的抗原成分。这种疫苗在生产过程中不涉及活的病原体，避免了病原体泄露的风险；此外，工具细胞可以通过工业发酵等技术进行快速大规模量产，因而具有成本和效率上的优势。

腺病毒载体疫苗是将病毒表达特异性抗原的基因重组到有复制缺陷的腺病毒的基因组中，在人体细胞内表达出所需的特异性抗原。这种疫苗引发的不良反应少、制备简单，且易规模生产；但是该类型疫苗以腺病毒作载体，绝大多数人成长过程中曾感染过不同类型的腺病毒，体内可能存在能中和腺病毒载体的抗体，从而可能攻击载体导致疫苗效果降低。

mRNA疫苗是将编码病原体特异性抗原的mRNA通过一定处理后，直接注入到人体内，让其通过人体的蛋白质合成系统生产出所需的抗原。这种疫苗在生产和接种过程不涉及活的病原体，能够有效避免病毒泄露和感染风险；也可以做到针对性地选取病原体的特异性抗原进行表达，避免病原体其他成分对人体造成不良影响；并且具有“感染”细胞的过程，能引发体液免疫和细胞免疫。但是这种疫苗技术的应用时间较其他技术路线疫苗更短，需要长时间的验证。

04 获批上市或紧急授权使用的新冠疫苗

围绕不同技术路径，全球目前已有多款疫苗获批上市或紧急授权使用，这些疫苗在临床应用中呈现出不同的保护效果，从已公布的临床三期据来看，几款灭活疫苗和腺病毒载体疫苗的保护效率在50%-85%之间，而辉瑞/BioNtech与Moderna的mRNA疫苗保护率均超过90%^[2-3]，在全球疫情防控中起着重要作用。随着新冠病毒的不断变异，辉瑞/BioNtech的mRNA疫苗也进行了对变异株的保护效果的研究，结果显示接种两针辉瑞/BioNtech的mRNA疫苗后对Delta变异株的保护效力分别是88%（英格兰）^[4]，79%（苏格兰）^[5]和87%（加拿大）^[6]，对Omicron变异株的保护效力是75.5%（英格兰）^[7]。这种保护可能来源于产生的细胞免疫。有研究显示大部分 T 细胞反应是由原型 B 谱系病毒和令人担忧的变异株（variant of concern，VOC）之间不变的表位产生的^[8]。

新冠疫情的持续突显了疫苗的重要性以及全球对疫苗的迫切需求，mRNA疫苗也借此登上了舞台，并以极高的保护率一举走红成为全球欢迎的明星产品。由此可见，mRNA疫苗在新冠疫情中大放光彩，那么其在其他领域上的应用情况也值得去关注。

二、mRNA相关应用前景

mRNA理论上能够表达任何蛋白，可以被用来防治多种疾病，是一种极具潜力的技术平台。2003年至2020年，已经有140多个mRNA疫苗进行临床试验，作用于多种疾病领域，如癌症或感染性疾病(图2)，可以发现mRNA疫苗的应用领域及受关注程度不断增加。

图2. 按疾病类型（左）和递送系统（右）总结的 mRNA 疫苗临床试验数（图片来源^[9]）

01 针对传染病的mRNA疫苗

开发针对传染性病原体的预防性或治疗性疫苗是控制和预防流行病的最有效手段。然而，传统疫苗的商业疫苗开发和批准的速度缓慢，不足以应对迅速出现的急性病毒性疾病，基于此，mRNA疫苗以研发周期短，生产工艺简单的优势受到更多的关注。目前，在传染病领域，mRNA疫苗的研发主要集中在新冠病毒、艾滋病毒和狂犬病毒上，且随着mRNA新冠疫苗的获批上市，mRNA技术平台在疫苗领域的可行性得到了验证。

02 针对癌症的mRNA疫苗

癌症疫苗和其他免疫疗法代表了治疗恶性肿瘤的新策略。癌症疫苗是利用肿瘤抗原诱导机体自身的免疫反应对肿瘤细胞进行特异性杀伤。mRNA疫苗能激活细胞免疫。在杀伤肿瘤细胞方面，T细胞拥有更高的效率。此外，通过编辑mRNA序列，可以准确地控制产生抗原蛋白的种类和序列，选择仅仅在肿瘤细胞中才会分泌的抗原蛋白标志物作为靶点，避免误伤其他正常细胞，能够更精准地靶向特定的免疫目标。目前，mRNA疫苗研发中超过50%的临床试验集中于治疗黑色素瘤、前列腺癌和脑癌（图3），并且大多数临床试验还在临床早期阶段(I和II)。

总的来说，随着mRNA疫苗临床试验数量逐年递增，应用的疾病领域不断扩展，以及新冠疫苗的获批上市，mRNA疫苗技术在不断发展和完善，并展现出了好的发展前景。

图3. mRNA 疫苗的临床试验数量和应用领域情况（图片来源^[9]）

三、mRNA疫苗研发中的DMPK考量

mRNA疫苗是一种核酸疫苗，通过将体外合成的病毒部分mRNA片段注入人体细胞内产生相应的抗原，再由此激发机体特异性免疫反应，达到形成免疫记忆的效果。可以发现mRNA安全进入细胞质是发挥作用的关键。但mRNA自身的单链结构使得其极不稳定，易被降解，且mRNA是一个自身携带负电荷的大分子，穿过表面由阴离子脂质构成的细胞膜递送亦是难题。所以需要特殊的修饰或包裹递送系统才能实现mRNA的胞内表达。

图4. mRNA疫苗作用原理（图片来源^[10]）

目前脂质纳米颗粒（Lipid nanoparticle, LNP）已成为最具吸引力和最常用的mRNA递送工具之一（图2）。两款mRNA新冠疫苗都是采用的这个递送系统。LNP是脂质微粒的总称，其中又包括脂质胶团、脂质体等。2018年4月，FDA发布了关于脂质体药品的相关指导原则^[11]，其中就指出需要对脂质体药物的药代动力学和质量平衡进行研究，确定与药物治疗和毒性作用相关的主要代谢物等信息。2021年8月，NMPA发布了纳米药物非临床药代动力学研究技术指导原则（试行）^[12]，其中就指出需要对载药粒子的体内释放速率和分布进行研究，当涉及新辅料/新载体材料时，还应研究新辅料/新载体材料的药代动力学特征。关于此指导原则的解读我们此前发布了专题文章，欢迎阅读：CDE发布纳米药物研究技术指导原则，哪些内容需要关注？

2018年获批上市的脂质体-siRNA药物（Onpattro）就进行了充分的临床前DMPK研究，不仅对siRNA（ALN-18328）进行了相应实验，也对LNP的组成成分（DLin-MC3-DMA和PEG2000-C-DMG）进行了DMPK相关实验，包括利用QWBA技术研究¹⁴C标记的DLin-MC3-DMA在大鼠体内的分布情况，以及利用¹⁴C标记的DLin-MC3-DMA研究Onpattro和LNP的组成成分（DLin-MC3-DMA）的代谢和排泄情况^[13]。

图5. Onpattro结构（图片来源^[14]）

所以，mRNA疫苗制剂在用于健康人群前，应该对其进行充分的风险评估，包括mRNA和递送系统。mRNA作为翻译蛋白产生抗原的物质，在体内的存在时间会影响抗体产生的效果。递送系统脂质纳米颗粒作为一种外源性物质，进入到人体后，需要研究其在人体内的吸收，代谢和排泄情况。可以利用放射性同位素示踪技术研究mRNA疫苗和脂质纳米颗粒组成成分的分布、代谢和排泄情况。

药明康德药性评价部具备完整的放射性检测技术平台，包括物质平衡、QWBA和代谢产物鉴定等。可以更好地揭示mRNA疫苗及其递送系统在体内外的生物转化过程。

结语  

mRNA疫苗具有安全性，有效性和高生产效率等优点。近年来，mRNA疫苗的临床试验数量在不断增加，应用领域涵盖了传染病和肿瘤等多领域，并且新冠疫苗的获批上市，mRNA技术平台在疫苗领域的适用性得到了验证，人们对mRNA疫苗的关注度日渐提高。虽然mRNA疫苗开发存在较多难点，但不断出现的递送载体等手段将会给mRNA疫苗的研发带来巨大突破。除了在传染病领域的应用，癌症疫苗的出现给治疗恶性肿瘤带来了更多可能，也为更多的患者带去希望。

药明康德DMPK依托在中国（上海、苏州、南京和南通）和美国（新泽西）的研发中心，提供从早期筛选、临床前开发、到临床研究阶段的综合型药代动力学服务，助力您快速推进药物研发流程。拥有上千人的研发团队，服务超1500家全球客户，具有超过十五年的新药申报经验，已成功支持超过1200个新药临床研究申请（IND）。 

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作者：唐明，蔡婷婷，张玲玲，曹卫群

编辑：方健，钱卉娟

设计：倪德伟