RNA疫苗如何在新冠疫情中彎道超車?
2021年01月22日10:17

  這項技術有望徹底改變愛滋病、瘧疾、流感等疾病的免疫接種。

  2013年3月的一個週五下午,Andy Geall接到了一個電話。當時,中國有三名人員剛剛感染了一種新型禽流感病毒毒株,諾華公司國際疫苗研究負責人Rino Rappuoli想知道Geall及其同事是否準備好借此機會測試他們的新疫苗技術。

  就在2012年,諾華美國研究中心(位於馬薩諸塞州劍橋市)的Geall團隊將RNA核苷酸片段打包進小脂肪滴——脂質納米顆粒(LNP),成功地給大鼠接種了一種呼吸道病毒疫苗。現在,他們能否將同樣的技術以最快的速度應用在新的流感病毒株上?

  身為RNA組的負責人,Geall回想起當時的情景:“我當時說,‘嗯,當然可以。把序列發給我就行。’”週一,Geall的團隊開始合成RNA,週三便開始組裝疫苗;週末已經可以在細胞里測試疫苗,一週後開始在小鼠體內測試疫苗。

  這樣的研發速度快到驚人。這支諾華團隊僅用一個月就完成了通常需要一年或更長時間才能走完的流程。

  但是,當時生產臨床級RNA疫苗的能力有限。Geall和同事永遠無法知道這款疫苗以及他們開發的若干其他疫苗是否對人類有效。2015年,諾華出售了其疫苗業務。

疫苗生產車間迅速提升了RNA疫苗的產能。來源:Olivier Maire/EPA-EFE/Shutterstock
疫苗生產車間迅速提升了RNA疫苗的產能。來源:Olivier Maire/EPA-EFE/Shutterstock

  5年過去了,全球經曆了新冠大流行,RNA疫苗的價值也開始顯現。2020年12月,兩種RNA候選疫苗——一種來自美國製藥巨頭輝瑞和德國公司BioNTech,另一種來自美國公司Moderna——獲得了多個國家監管機構的緊急使用授權,用於抗擊COVID-19。

  RNA疫苗的時代已經到來,幾十家公司正在入局。“所有的大型製藥公司都在以某種方式測試這項疫苗技術。”Jeffrey Ulmer說。Ulmer是葛蘭素史克疫苗分部(位於美國馬里蘭州洛克維爾市)的臨床前研究負責人,之前曾是諾華Geall團隊的成員。

  在疫苗中使用RNA的想法已經提出近三十年了。這項基因技術比傳統方法簡單,研究人員可以快速推進疫苗研發的多個階段。現在人們對它的濃厚興趣或許會帶來對付肺結核、愛滋病和瘧疾等頑疾的方法。生產RNA疫苗的速度優勢也可以改進季節性流感疫苗。

  但在未來,這項技術的應用還是會遇到一些挑戰,比如原材料昂貴,不良反應引人擔憂,以及目前冷鏈分發的成本較高——輝瑞-BioNTech的新冠疫苗就必須存儲在零下70 °C。對於這些問題,COVID-19的緊迫性可能會加速一些進展,但是眼前的危機一旦消除,許多公司可能又會拋棄該策略。問題來了:RNA技術最終將走向何處?

  “RNA技術已經證明了其價值,但是這還不夠,”輝瑞病毒疫苗研究負責人、Geall在諾華的前同事Philip Dormitzer說,“我們已經看到了它對COVID-19有效,肯定還想嚐試更多。”

  小顆粒、大進展

  疫苗能教會機體識別病原體並摧毀它們。一般情況下,疫苗接種讓弱化的病原體或是其表面的蛋白/糖片段(稱為抗原)注射到機體內,訓練免疫系統識別入侵者。但是,RNA疫苗只攜帶用於製造這些入侵者蛋白的指令。它的目標是進入人體細胞,讓人體細胞製作這些抗原,本質上是將機體轉變為其自身的“疫苗工廠”。

  RNA疫苗的概念可追溯至上世紀90年代。當時,(現在的賽諾菲巴斯德醫藥公司的)法國研究人員率先在小鼠體內使用RNA編碼了一種流感抗原。結果產生了免疫反應,但是他們使用的脂質遞送系統對人類而言毒性太大。又過了十年,才有公司將目光轉向RNA干擾療法——這種療法依賴於RNA選擇性地阻斷特定蛋白生成的能力——最後發現了使今天的新冠疫苗成為可能的LNP技術。

疫苗生產車間提升了RNA疫苗的產能。來源:Robin van Lonkhuijsen/ANP/AFP/Getty
疫苗生產車間提升了RNA疫苗的產能。來源:Robin van Lonkhuijsen/ANP/AFP/Getty

  “最後終於取得了突破。”流行病防範創新聯盟的項目及創新技術負責人Nick Jackson說,“那真的是一個分水嶺,標誌著信使RNA可以應用於一系列完全不同的疾病適應症了。”流行病防範創新聯盟是一個致力於加速疫苗研發的國際合作組織。

  2012年,就在Geall和同事描述了首款LNP封裝的RNA疫苗前後,美國國防高級研究計劃局(DARPA)開始資助諾華、輝瑞、阿斯利康、賽諾菲巴斯德等團隊研究RNA編碼的疫苗和療法。但是,這些大公司都沒有堅持下來。“即使數據看起來不錯,但它們對於新的疫苗調控通路所涉及的風險非常謹慎。”DARPA的前項目經理Dan Wattendorf說。

  不過,和這個DARPA項目有關聯的兩個小公司堅持了下來,一個是德國的CureVac公司。CureVac於2013年開始在人體內測試一種狂犬病疫苗,目前也有一款新冠疫苗處於後期測試中。

  另一家公司是Moderna。以DARPA資助的研究為基礎,Moderna最終在2015年末將一種針對某新型禽流感毒株的RNA疫苗推進到了臨床試驗階段。該疫苗能誘導很強的免疫應答,於是Moderna進一步開展了RNA疫苗對鉅細胞病毒(導致出生缺陷的一種常見原因)、兩種蚊媒病毒(基孔肯雅病毒和寨卡病毒)、三種兒童呼吸道疾病的致病病毒的人體試驗。

  2019年,葛蘭素史克(曾收購諾華的大部分疫苗業務)也開始評價一種狂犬病RNA疫苗。

  以上便是RNA疫苗到2020年初的全部臨床進展:僅12種候選疫苗進入人體試驗;4種疫苗在初始測試後被迅速放棄;只有1種針對鉅細胞病毒的疫苗開展了更大規模的後續研究。

  之後,新冠病毒出現了,隨之而來的還有“巨大的關注”,南非金山大學的基因療法研究員Kristie Bloom形容道。單是過去10個月,就有至少6種基於RNA的新冠疫苗進入人體試驗。還有好幾種在向臨床試驗進發。

  速度要求

  RNA疫苗彷彿是專為速度而生的。利用病原體的基因序列,研究人員可以快速得到一個潛在的抗原編碼片段,將該序列插入一個DNA模板中,合成相應的RNA,再將疫苗封裝起來遞送至機體內。

  舉例來說,Moderna在得到新冠病毒基因組序列後,短短4天內就完成了上述流程。它用的是新冠病毒的刺突蛋白——這是病毒藉以進入細胞的一種表面蛋白。之後,Moderna與美國國立衛生研究院合作,先用小鼠開展了概念驗證試驗,再啟動了首個人體試驗,前後不過兩個月的時間。

  理論上,任何疫苗都能以同樣的方式研製。“從這個意義上說,它確實是一個平台。”賽諾菲巴斯德的疫苗研發負責人John Shiver說。利用RNA,“你不需要再造整個過程。”

  相比之下,傳統的疫苗製作方法要求對每一種候選疫苗專門設計耗時費錢的步驟。這種低效的流程解釋了為何衛生機構必須在流感季到來之前的幾個月,就決定在當年的季節性流感疫苗中放入哪些毒株。這些選擇通常會有失誤,但是也沒時間回去測試替代選項。正因為此,流感疫苗的有效性很少超過60%。

  而RNA就不同了,疫苗廠商可以更快地找出有效抗原。“理論上,你可以很快改變序列來做出調整,幾乎是即時反應。”Translate Bio公司的首席執行官Ron Renaud說。Translate Bio位於馬薩諸塞州列剋星敦市,是一家專注於RNA的公司,正在與賽諾菲巴斯德合作研究針對流感、新冠和其他病毒性和細菌性病原體的RNA疫苗。

  RNA疫苗因其“即插即用”的特性,有助於開展基礎研究。伊利諾伊大學醫學院的疫苗學家Justin Richner正在自己的實驗室研發一種基於RNA的登革熱疫苗。Richner和同事會例行切割和改變編碼包膜蛋白的基因序列——登革熱病毒正是利用這些蛋白攻擊人體細胞。通過設計迭代,研究人員已經在小鼠身上測試了約15種候選疫苗。

  “我們可以輕鬆地操控這種疫苗的編碼序列,嚐試新的假設和策略,尋找更好的疫苗。”Richner說。

  其他價值

  RNA技術的進步正在幫助研究人員接近疫苗研發的一些聖盃問題,比如通用流感病毒疫苗——適用於任何流感病毒株的疫苗,無需每年重新設計。另一些研究人員更關注愛滋病毒和低收入國家的其他致命病毒的疫苗。這類疫苗非常難獲得,因為病原體會系統性地改變其表面蛋白,以逃避免疫系統的識別。瘧疾等感染原還具有複雜的生命週期,使得選取抗原的過程難上加難。

  RNA疫苗可以包含多個抗原的指令,它們或是串聯成一條單鏈,或是若幹個RNA封裝在一個納米粒中。

  賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的疫苗科學家Norbert Pardi採用了後一種方法來製作他的實驗性流感疫苗。這種復合疫苗由四個RNA鏈組成,每一個編碼不同的流感蛋白,能幫助小鼠預防一種流感病毒亞型的感染。

  現在,Pardi和他在西奈山伊坎醫學院的合作者希望在另外兩種主要的病毒亞型上重複該做法,再全部融入一種12價流感疫苗,這有望免去每年接種流感疫苗的必要。“如果你對病毒進行多點攻擊,”Pardi說,“你就可以誘導廣譜的保護性免疫應答。”

  穩定性和安全性

  雖然如今的RNA疫苗技術具有許多潛在優勢,但仍有提升空間。“這項技術仍在發展初期,”帝國理工學院的免疫學家Robin Shattock說,“我預計該技術未來幾年還會有好幾輪迭代。”

  首先是低溫儲存的問題。輝瑞-BioNTech和Moderna疫苗都需要在低溫下存放,才能保持RNA的完整性。

  不過,至少有兩家公司稱它們的新冠RNA疫苗可以在更高溫度下存放幾個月。

  CureVac使用的LNP和輝瑞-BioNTech的一樣,它將RNA摺疊為很小的3D結構,支援在冷藏溫度下存儲幾個月,公司首席技術官Mariola Fotin-Mleczek說。中國蘇州艾博生物科技目前有一種新冠RNA疫苗處於早期人體試驗階段,公司很重視LNP的質量和純度,致力於研製一種能在室溫下保持一週效力的疫苗。

  還有一個問題:目前用於人體對抗COVID-19或其他疾病的RNA疫苗一般需要兩劑才有效。考慮到其他多劑量疫苗的接種依從性較差,許多注射了第一劑的人可能不會注射第二劑。

  新型遞送系統有望解決這個問題。馬薩諸塞州Vaxess技術公司的研究人員研發出了一種可穿戴的皮膚貼,上面佈滿絲樣尖頭的可溶微針,微針會緩慢地將疫苗送入體內。

  用點滴的方式注射疫苗而不是一次性注射,或有助於解決第三個問題:不良反應。嚴重反應雖然只是暫時性的,但在新冠疫苗中似乎比其他疫苗更常見。在臨床試驗接種了Moderna疫苗的人,有80%產生了某種系統性的接種反應,包括疲勞、肌肉疼痛和其他會使人短暫無力的反應。

  面對危及生命的全球疫情,這些副作用或許是可以接受的,在多家疫苗廠商擔任顧問的疫苗學家Stanley Plotkin說。但是,人們可能不願意每年體驗接種流感疫苗的那種難受。對於給嬰兒接種疫苗,“人們肯定希望反應小一點。”

  疫苗合成和LNP遞送系統中的汙染物被認為是反應原性的兩大主要來源。純化系統的能力有限,LNP也只能優化到這個程度。因此,疫苗廠商通常會注射較低的劑量,以限製機體對這兩種汙染物的暴露。就傳統的RNA疫苗而言,低劑量意味著低效力。但是,加州Arcturus Therapeutics和倫敦VaxEquity等公司已經設計出了變通方法——為其新冠疫苗構建能自我擴增的RNA(見“如何進一步發揮RNA的作用”)。

  減劑量

  幾種領跑的RNA疫苗僅包含新冠病毒刺突蛋白的編碼序列,兩端為調節區域,與此不同的是,能自我複製的候選疫苗還包括RNA用來自我複製的指令。

  這樣的疫苗構造有點“笨重”,需要更多的序列優化和生產技巧。但是,它可以讓疫苗公司降低劑量。複製的RNA可以更好地模仿自然病毒感染過程——觸發更強、更廣譜的免疫應答,這或許能支援單劑量接種方案。

Nik Spencer/Nature
Nik Spencer/Nature

  BioNTech公司已經改進了擴增技術。在新冠疫情暴發前,BioNTech主要側重於研發癌症疫苗。但是公司較好的聲譽、已擴大的產能,以及可期的新冠疫苗銷售前景所帶來的充足現金流,“這些因素讓我們在傳染病的平台上可以更快地擴張。”BioNTech聯合創始人兼首席執行官Uğur Şahin說。

  比利時Ziphius疫苗公司也想抓住新冠病毒帶來的機遇。Ziphius成立於2019年5月,最初的目標是開髮針對罕見病(如杜氏肌營養不良和囊性纖維化)的RNA療法。去年,公司改變了原來的研發方向,開始研究自我擴增的新冠RNA疫苗。這家初創公司的首席執行官Chris Cardon表示,Ziphius目前正在嚐試募集3000萬歐元(3700萬美元),用以推進14項針對各種傳染病的臨床前項目。

  RNA疫苗可能也會遇到財務瓶頸。許多業內人士預計,目前一擁而上的局面很難持續到疫情平息之後。

  “說服人們押注這種技術來研發傳染病疫苗真的很難。”加州Replicate生物技術公司的首席執行官Nathaniel Wang說。去年,他和Geall共同成立了這家公司,目標是研發癌症RNA療法。雖然Replicate已經和一些學術機構及商業夥伴在新冠和寨卡病毒的RNA疫苗上建立了合作,但是大部分風投公司的投資意向並不大,Wang說。

  儘管如此,RNA疫苗依然屢見報端,Geall和他的許多前同事也回到了他們之前在諾華做的工作。如果諾華當初沒有出售疫苗部門,過去十年里,他們是否已經能讓伊波拉或寨卡病毒銷聲匿跡?

  “回頭看總是有些傷感。”諾華疫苗部門前研究及早期臨床研發負責人Christian Mandl說。但是,新冠疫苗如今取得的成功也讓他感到欣慰。“我們做出了有價值的貢獻,我引以為豪。”

  來源:Nature自然科研

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