mRNA新冠疫苗背后的“无名英雄”

卖水人 / 2021-08-07 18:37:27

mRNA新冠疫苗背后的“无名英雄”

原创 卖水人 生辉 今天

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首款 mRNA 新冠疫苗(来自辉瑞 / BioNTech)研发至获批上市用时 327 天。这个曾被认为遥不可及的成功,为短暂 “停摆” 的世界带来了希望。




显而易见,这完全得益于对 mRNA 疫苗几十年坚持不懈的科学研究、数十亿美元的投资以及之前对冠状病毒的研究。




如今,疫苗成为了 mRNA 技术成功应用的首个成果,也成为脂质纳米颗粒应用领域的里程碑。Moderna 传染病前主管 Giuseppe Ciaramella 曾称赞脂质纳米颗粒为整个事件的 “无名英雄”。




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奠基




mRNA 疫苗的成功研发必将被载入史册,然而,如果没有脂质纳米颗粒的组装,mRNA 疫苗将一文不值。这源于 mRNA 非常容易降解、mRNA 链很大且带负电,不能简单地穿过细胞的保护性脂膜。




大多数人知道首款 mRNA 疫苗来源于辉瑞,却很少有人知道这款疫苗依赖于 Acuitas Therapeutics 公司的脂质纳米颗粒递送技术。而这项技术正是加拿大不列颠哥伦比亚大学(UBC)的纳米颗粒专家 Pieter Cullis 的研究成果。




42 年前的 Cullis 绝对想象不到其对于抗击新冠疫情做出的巨大贡献。




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1978 年,Cullis 在 UBC 的实验室正式启动,重点研究如何将抗癌药物精准递送到人体,同时尽可能减少毒副作用。也正是在这项研究中,Cullis 及团队率先发现脂质纳米颗粒能够将药物递送到癌细胞中。




此后,Cullis 开始尝试递送更大的核酸药物分子,这些核酸类药物可以在基因水平上对抗疾病。最初开始尝试分子量为 13000 的 RNA,在这之前,常见的抗癌药分子量为 500。




Cullis 发现,在脂质体中加入带正电荷的脂质有助于平衡带负电荷的核酸。但自然界中没有阳离子脂质,而且永久带正电的脂质,毒性巨大,会撕裂细胞膜。




2000 年左右,Cullis 与 Inex 制药公司、Protiva 生物疗法公司一起开发出了可电离的脂质:即在酸性 pH 环境下带正电荷,但在血液中是中性的。




该研究团队还创造了一种利用这些脂质制造纳米颗粒的新方法:通过微流体将溶解在乙醇中的脂质与溶解在酸性缓冲液中的核酸混合,当这两种溶液流汇合时会自发形成脂质纳米粒,与中空脂质体不同,脂质纳米粒中充满了脂质和核酸。




然而,在实验室里看起来不错的脂质纳米粒在临床应用上并不尽如人意:不能够快速降解、反复注射后会在体内聚集。




研究遭遇困境。




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引路




2005 年可谓是脂质纳米颗粒技术突破的转折点,Alnylam 联合 Protiva 在内的多家公司担起了这一阶段的研发重任。起因是 siRNA 药物能够选择性沉默基因,但现有的脂质纳米颗粒的递送效果不尽如人意。




Alnylam 接连和 Protiva、Inex 在内的多家公司达成合作,共制造了 300 余个可电离脂质,这些脂质首先被优化了尾部,然后调整了可电离的头部基因以及处于尾部中间的连接区。




脂质纳米颗粒通过受体介导的内吞作用进入细胞。与细胞结合时,纳米颗粒被包裹在一个更大的脂质泡中,被称之为胞内体的细胞器。胞内体内部的酸性环境质子化可以电离脂质的头部,使其带正电,这种正电荷引发了纳米颗粒形状的变化,科学家们认为这有助于纳米颗粒从胞内体中逃脱,最终将其携带的 RNA 释放到细胞中。




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然而,这并未解决问题:在培养皿中能形成很好的纳米离子的脂质在动物研究中无一例外都会失败。培养皿中的研究低估了纳米粒子和细胞间复杂的相互作用。




2010 年,Alnylam、AlCana 和 UBC 的科学家成功地使用了一种叫做 MC3 的可电离脂质。使用 MC3 所需的纳米颗粒的剂量,约为使用较早的可电离脂质制备方法的千分之一。




2018 年,由 Alnylam 开发的 patisiran 获得 FDA 批准上市,成为第一个经批准的 siRNA 药物,也是第一个经批准的通过脂质纳米粒递送的疗法。就在 patisiran 临床上崭露头角的时候,Alnylam 开始研究一种新的化学偶联技术,用它来将其它小干扰 RNA 疗法输送到皮下。




patisiran 的成功也让 Acuitas 顺利收获了辉瑞的青睐,双方开始合作研发癌症疫苗,BioNTech 也一直在与辉瑞合作开发流感疫苗,这也为之后合作开发 mRNA 新冠疫苗埋下了伏笔。




但是为 siRNA 设计的脂质纳米粒颗粒对于递送 mRNA 的效果并不佳。siRNA 分子就像两排短棒,每排大约有 20 个核苷酸,相比之下,mRNA 常常有超过数千个核苷酸,形成复杂的形状,并且用难以预测的方式改变脂质纳米粒的特性。




递送 mRNA 成为需要破解的下一个难题。




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领跑




BioNTech、Moderna 等公司的成立显然为该领域按下了加速键,其背后的资本更是不可或缺。




在意识到 MC3 不能有效递送 mRNA 后,Moderna 投入了大量的资源来构建更好的可电离脂质,研究小组制造了大约 100 种可电离脂质,并在脂质的碳链中引入酯键,使其更易被生物降解,调整纳米颗粒中四种脂质的比例可以改变脂质纳米粒在体内的分布。




COVID-19 疫苗中使用的脂质纳米粒就包含四种成分:带正电荷的可电离脂质(其与带负电荷的信使 RNA 骨架结合),有助于稳定粒子的聚乙二醇化脂质,以及构成粒子结构的磷脂和胆固醇分子。成千上万的这四种成分包裹着 mRNA,保护它不受破坏性酶的影响,并将其递送到细胞中。




最令人惊叹之处在于,将脂质纳米颗粒进行微量优化后,就可以用于递送不同的 mRNA。在南非首次发现新冠病毒的变异株后,尽管其 mRNA 序列略有改变,但脂质纳米颗粒的配方保持不变。




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但关于 Moderna 最初是如何达到最佳配方的细节却鲜有报道,辉瑞和 BioNTech 也没有。




对于 COVID-19 疫苗,Moderna 最终使用了一种被称为 SM-102 的可电离脂质,该脂质在 2018 年一项关于 MC3 替代品的研究中被首次描述,而辉瑞 / BioNTech 从 Acuitas 公司获得了一种名为 ALC-0315 的可电离脂质的许可。




显而易见,新冠大流行再次激发了科学家对脂质纳米颗粒的研究兴趣,有效的脂质纳米颗粒对于基于核酸药物的疗法,甚至 CRISPR 基因编辑疗法都至关重要。




研究人员们开始寻找下一个有效的可电离脂质,下一个可电离脂质的出现会迎来怎样的跨越,尚不可知。但对于该领域而言,将药物递送到特定的组织和细胞中,是目前最大的挑战。




mRNA 新冠疫苗的成功带来了惊喜、鼓舞和回报,但依旧,路漫漫其修远兮,科学无止境。




参考:


https://cen.acs.org/pharmaceuticals/drug-delivery/cn-Without-lipid-shells-mRNA-vaccines/99/i8


https://themedicinemaker.com/manufacture/the-rise-of-lipid-nanoparticles


https://lsi.ubc.ca/2020/11/13/lsi-spinoff-company-the-source-of-technology-pfizers-mrna-covid-19-vaccine-cant-work-without/


https://faktograf.hr/2021/08/04/superherojsko-dnk-cjepivo-imat-ce-s-mrna-vakcinama-neke-slicnosti-ali-to-nije-izmjena-dnk/




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