RNA疫苗的过去、现在和未来

COVID-19疫情成为RNA疫苗的一个转折点。2020年，首批两款mRNA疫苗获批，随后引发了对mRNA技术的巨大投资浪潮。截至2025年，已有7款mRNA疫苗和3款自扩增RNA（saRNA）疫苗获得许可（见表1）。预计未来几年将有更多的mRNA和saRNA疫苗获批用于传染病和癌症的治疗。在这篇评论中，我们回顾了RNA疫苗的历史，并探讨了其更广泛实施可能面临的挑战。

表1：已获许可的mRNA和saRNA疫苗

mRNA疫苗的最初重点是治疗性癌症疫苗。2007年，首个针对黑色素瘤的mRNA疫苗I期试验启动。虽然早期的临床RNA疫苗主要集中在癌症领域，但传染病领域的研究也在同时进行。2013年的一项关键研究展示了该平台的优势。研究人员在8天内将一种新出现的H7序列转化为saRNA疫苗，并在进一步的14天内诱导出小鼠的抗体反应。2013年，CureVac公司启动了首个针对狂犬病病毒的mRNA疫苗临床试验（该研究注册于ClinicalTrials.gov：NCT02241135）。2015年，首个使用脂质纳米颗粒（LNP）配方的流感mRNA疫苗临床试验进行（该研究注册于ClinicalTrials.gov：NCT03076385）。这些早期试验最终促成了成功的SARS-CoV-2疫苗（见表1），目前还有更多的mRNA和saRNA疫苗在研发中。

20世纪80年代初，体外转录功能mRNA的实验证明是mRNA治疗发展中的关键一步。又过了10年，才证明外源性mRNA可以在体内被翻译。对于疫苗方法而言，两个重要的临床前里程碑是：mRNA编码的流感核蛋白诱导细胞毒性T细胞反应，以及RNA免疫诱导抗人类癌胚抗原抗体。

在这些初步研究之后，RNA疫苗的效力通过mRNA结构元件、生产、纯化和递送的改进而提高。最初的m7GpppG帽在2001年被抗反向帽类似物（ARCAs）取代，以防止反向加帽。然而，ARCA加帽效率较低，因此酶法转录后加帽逐渐流行起来。2018年，使用CleanCap的共转录加帽彻底改变了这一过程，实现了超过95%的加帽效率。未来预期的发展是化学修饰的帽，这方面的研究由华沙大学的研究人员牵头。当前的COVID-19 mRNA疫苗也离不开对非翻译区（UTRs）或聚(A)尾的优化。UTR序列通过控制mRNA稳定性、细胞定位、核糖体装载和扫描来影响效力。目前最先进的UTR来自血红蛋白α-珠蛋白、氨基末端分裂基因增强子（AES）、线粒体12S rRNA或人类β-珠蛋白UTR，而具有人工智能优化UTR和组织特异性UTR的mRNA正在开发中。2006年，研究表明，体外转录的mRNA如果具有120个腺苷酸的聚(A)尾，比具有较短聚(A)尾的mRNA更稳定，并且产生更高的蛋白质产量。2017年，Stadler等人证明，在聚(A)尾中插入一个短连接子可以进一步提高mRNA的半衰期和翻译效率。后者的聚(A)尾被用于BioNTech-Pfizer的mRNA COVID-19疫苗。一个重大突破是发现修饰核苷酸减少了炎症介质的释放并增加了合成mRNA的蛋白质表达。在RNA疫苗的生产过程中，双链RNA（dsRNA）作为副产品形成。高水平的dsRNA会增加先天免疫反应，降低dsRNA含量的纯化策略进一步改进了修饰mRNA疫苗。这些边际收益的累积使得疫苗产品效果显著提高。

图1 mRNA疫苗技术发展及其随后的临床进展的时间线

然而，mRNA或saRNA疫苗无法高效进入细胞质，因为它们会被细胞外的RNases迅速降解，并且由于体积大且带负电荷，无法通过细胞膜。1987年，Felgner等人提供了今天LNPs的最初构建块，证明阳离子脂质体可以与质粒DNA（pDNA）形成复合物（脂质复合物），进入细胞并使pDNA表达。随后，研究了其他带有永久正电荷或高pKa（>7）的阳离子脂质和聚合物。然而，最有效的复合物是带正电的，这使它们容易被体内的负电荷生物分子吸附。2000年代初，第一种可离子化脂质1,2-二油酰-3-二甲基氨基丙烷（DODAP）的发现使得在酸性pH下将反义寡核苷酸配制成所谓的LNP成为可能，这些LNP在生理pH下几乎呈中性电荷。后来，合成了更有效的可离子化脂质和LNP，并通过微流体混合进一步优化了配制过程。2012年，首次测试了LNP配方的RNA疫苗。在Felgner及其同事开创性工作约30年后，2018年，首个LNP配方的小干扰RNA治疗药物Patisiran获批，2020年，LNPs被用于递送COVID-19 mRNA疫苗。

虽然目前的LNPs在肌肉注射后效果显著，但它们可能不是黏膜递送的最佳选择。例如，呼吸道递送RNA疫苗可以实现非侵入性疫苗接种，并可能增强局部免疫反应，更快地在病原体入侵点捕获呼吸道病原体。然而，覆盖上呼吸道的黏液和肺泡中的肺表面活性物质对RNA疫苗构成了物理屏障。这些屏障可能会使当前配方的RNA不稳定，并限制其进入目标细胞。此外，将mRNA疫苗递送到呼吸道还面临配方挑战，因为需要生成用于吸入的气溶胶或干粉。此外，还担心在呼吸道引起炎症。为应对这些挑战，需要研究具有改进稳定性和在黏膜组织中效力的新型递送系统。

迄今为止，进展最远的RNA疫苗主要针对病毒病原体；细菌和寄生虫病原体则带来了其他挑战。它们具有更复杂的蛋白质组，通常涉及多个生命周期，包括孢子或卵，具有不同的表面抗原。此外，在人体细胞中翻译RNA疫苗会导致真核后翻译修饰，这对于细菌抗原来说是不自然的。尽管存在挑战，但在针对细菌和寄生虫的RNA疫苗的临床前研究中已取得进展。战略性选择抗原、纳入多种抗原以及设计用于刺激所需长期免疫反应的配方，有望进一步提高RNA疫苗对更广泛感染的效力。

RNA在个性化医疗中具有特定优势（速度快、小批量、灵活性高），但仍需克服一些障碍。在过去的几年里，RNA肿瘤疫苗领域不断发展，研究重点从肿瘤相关抗原转向编码多种肿瘤特异性新表位的个性化RNA疫苗。最近，一项II期临床试验将pembrolizumab与一种编码34种患者特异性新抗原的个性化mRNA疫苗相结合，显示出令人鼓舞的结果，这表明了这种mRNA癌症疫苗的潜力。然而，个性化mRNA癌症疫苗的生产仍具挑战性，无论是在免疫学方面（需要进一步改进选择和预测能引发强烈T细胞反应的新表位）还是在生产和许可方面（个性化疫苗需要改变生产过程；每个患者都需要一种新疫苗，必须经过最低限度的质量控制，这需要在良好生产规范发布特性和许可方面进行新的考虑）。

LNPs是RNA疫苗的黄金标准载体。然而，RNA-LNP疫苗的生产是一个复杂且耗时的过程，涉及四种脂质，其中聚乙二醇成分带来了特定问题。相比之下，聚合物载体可能允许一步配方，并对化学修饰具有高度灵活性，但这些载体尚未在后期临床试验中取得成功。此外，RNA-聚合物纳米颗粒（PNPs）的更紧密结构可能有助于冻干以实现长期储存。通过使用可生物降解的连接子和通过亲水聚合物屏蔽RNA-PNPs的正电荷，可以进一步增强聚合物载体的潜力。或者，像脂质-聚合物混合纳米颗粒这样的载体，由聚合物-RNA核心和脂质外壳组成，也正在成为结合LNPs和PNPs优势的RNA疫苗的新型载体。

在经历了最初的辉煌成功后，我们现在正进入RNA疫苗的巩固时期。一个主要问题是与RNA疫苗诱导的炎症相关的不良反应，这可能使它们对于替代现有（更便宜）的疫苗用于地方性病原体不太有吸引力。通过使用saRNA或环状RNA等平台降低所需的RNA剂量可能是解决方案的一部分。另一个问题是找到商业上可行的目标。一个值得探索的领域是兽医用途，尽管这里的商业压力更大。当然，其他疫苗平台也会面临挑战，2024年，一项针对5至7个月大婴儿的RSV RNA疫苗研究因两名接受15毫克RNA的婴儿出现严重下呼吸道感染而暂停，但这不应减弱我们的热情。RNA疫苗在减轻COVID-19大流行严重性方面发挥了关键作用，现在是从事这一平台工作的非常激动人心的时刻，我们期待着它将带我们走向何方。