From Bench to the Clinic: The Path to Translation of Nanotechnology-Enabled mRNA SARS-CoV-2 Vaccines

Diana O. Lopez?Cantu, Xichi Wang, Hector Carrasco?Magallanes, Samson Afewerki, Xingcai Zhang*, Joseph V. Bonventre*, Guillermo U. Ruiz?Esparza*

Nano-Micro Letters (2022)14: 41

• 前言
  

2019年12月，新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)的出現(xiàn)導(dǎo)致了嚴(yán)重的急性呼吸綜合征爆發(fā)，隨后引發(fā)了自1918年西班牙流感以來(lái)最大規(guī)模的全球大流行。因?yàn)樗谑澜绶秶鷥?nèi)快速傳播，造成嚴(yán)重的死亡和經(jīng)濟(jì)破壞，2020年3月11日，世界衛(wèi)生組織(WHO)正式將這種疾病列為全球大流行。SARS-CoV-2爆發(fā)以來(lái)，總感染人數(shù)超過(guò)四億，數(shù)百萬(wàn)人死亡，一場(chǎng)健康和經(jīng)濟(jì)危機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)?；谶@一衛(wèi)生緊急情況，迫切需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案來(lái)遏制SARS-CoV-2的傳播。

圖1

近年來(lái)，納米技術(shù)已被廣泛用于解決現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的一些突發(fā)的挑戰(zhàn)，些技術(shù)包括藥物輸送納米系統(tǒng)、納米傳感器、納米結(jié)構(gòu)水凝膠、納米工程組織和納米疫苗。以前，用來(lái)運(yùn)輸誘導(dǎo)免疫反應(yīng)的抗原成分的納米顆粒的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成功地應(yīng)用于各種臨床前階段，如癌癥和包括嚴(yán)重急性呼吸綜合征(SARS)和中東呼吸綜合征(MERS)在內(nèi)的一些傳染病。納米技術(shù)在應(yīng)對(duì)新冠肺炎危機(jī)中發(fā)揮了重要作用，世界各地的幾家公司都出現(xiàn)了各種基于納米顆粒的疫苗。工業(yè)界(包括摩德納、輝瑞-生物技術(shù)公司等企業(yè))和政府機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)盟加速了納米技術(shù)支持的SARS-CoV-2疫苗的開(kāi)發(fā)和臨床轉(zhuǎn)化，使得有效的疫苗在不到一年的時(shí)間里就被轉(zhuǎn)化為臨床疫苗。如圖1所示，基于納米顆粒的方法可以實(shí)現(xiàn)將病毒蛋白或遺傳物質(zhì)定向遞送到抗原提呈細(xì)胞(antigen-presentingcell, APC)，從而引起受控的免疫原性反應(yīng)。未成熟的APC通過(guò)吞噬作用攝取納米顆粒(NPs)，并在成熟過(guò)程中通過(guò)淋巴系統(tǒng)遷移到最近的淋巴結(jié)。一旦完全成熟，APC在其膜上完成抗原呈遞，CD4?和CD8? T細(xì)胞被激活，并產(chǎn)生針對(duì)特定病原體的免疫。

哈佛大學(xué)的Xingcai Zhang,?Joseph V. Bonventre, Guillermo U. Ruiz?Esparza等人，通過(guò)對(duì)新冠肺炎流行期間SARS-CoV-2信使核糖核酸(mRNA)納米疫苗的作用機(jī)制和臨床研究進(jìn)展的詳細(xì)探討，概述了從實(shí)驗(yàn)室到臨床的納米技術(shù)信使核糖核酸疫苗的轉(zhuǎn)化途徑，并詳細(xì)研究了所使用的傳遞系統(tǒng)的類(lèi)型、作用機(jī)制，在其臨床開(kāi)發(fā)和監(jiān)管審批流程的每個(gè)階段都獲得了結(jié)果。最后文章還分析了納米技術(shù)在新冠肺炎大流行期間及以后對(duì)全球健康和經(jīng)濟(jì)的影響。

• 什么是冠狀病毒？

冠狀病毒是冠狀病毒科的單鏈核糖核酸(RNA)病毒，其表面有一個(gè)獨(dú)特的冠狀膜被膜，由定位于其表面的刺狀糖蛋白組成。冠狀病毒有四個(gè)屬：α冠狀病毒、β冠狀病毒、γ冠狀病毒和δ冠狀病毒。到目前為止，已知有7種冠狀病毒影響人類(lèi)，其中229E和NL63來(lái)自α冠狀病毒屬，HKU1、OC43、MERS-CoV、SARS-CoV和SARS-CoV-2來(lái)自β冠狀病毒屬。冠狀病毒有四種主要結(jié)構(gòu)蛋白對(duì)病毒顆粒的完整組裝起到至關(guān)重要作用，分別是刺突S蛋白、核衣殼N蛋白、膜M蛋白和包膜E蛋白(圖2a)。每種蛋白質(zhì)都有特定的功能：S蛋白介導(dǎo)病毒與宿主細(xì)胞受體的粘附和隨后的融合；N蛋白與CoV RNA基因組結(jié)合，排列核衣殼并參與病毒復(fù)制周期；M蛋白構(gòu)成病毒包膜的主要結(jié)構(gòu)部分，并與所有其他結(jié)構(gòu)蛋白相互作用；E蛋白是病毒包膜中最小的完整膜結(jié)構(gòu)蛋白，對(duì)病毒的產(chǎn)生和成熟至關(guān)重要。其中S蛋白對(duì)宿主細(xì)胞的感染起到重要作用。SARS-CoV-2的S蛋白由兩個(gè)亞單位組成：S1亞單位包含一個(gè)受體結(jié)合域(RBD)，它與宿主細(xì)胞表面的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2 (ACE2)結(jié)合，而S2亞單位介導(dǎo)病毒膜和宿主細(xì)胞之間的融合(圖2a)。

圖2

新冠肺炎的病原體SARS-CoV-2由于一種基于宿主細(xì)胞細(xì)胞膜上TMPRSS2和ACE2受體共表達(dá)的高度傳染性機(jī)制而產(chǎn)生了全球大流行(圖2b)。雖然ACE2受體表達(dá)在呼吸道上皮細(xì)胞上，但ACE2并不局限于肺部，而且已經(jīng)觀(guān)察到SARS-CoV-2在ACE2陽(yáng)性組織中的肺外傳播，包括胃腸道。TMPRSS2或其他蛋白酶啟動(dòng)S蛋白后，病毒S1蛋白結(jié)構(gòu)域與ACE2受體結(jié)合，通過(guò)質(zhì)膜融合和酸性pH依賴(lài)的內(nèi)吞作用啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)化。然后，依賴(lài)RNA的聚合酶促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)的復(fù)制，從基因組RNA和N蛋白中組裝新的病毒核衣殼，而新的粒子是通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體之間的協(xié)同作用而產(chǎn)生的。最后，基因組RNA和結(jié)構(gòu)蛋白組裝成新的病毒顆粒，導(dǎo)致它們通過(guò)胞吐作用釋放。

• 納米技術(shù)作為開(kāi)發(fā)疫苗的新興技術(shù)

在過(guò)去的幾十年里，納米技術(shù)已經(jīng)使候選疫苗的開(kāi)發(fā)成為可能，這些疫苗可以通過(guò)各種給藥途徑(即口服、肌肉注射、鼻內(nèi)、皮內(nèi)和皮下)有效地傳遞具有高度特異性的遺傳物質(zhì)和抗原蛋白。納米疫苗遞送系統(tǒng)已開(kāi)發(fā)成不同的形式，并可根據(jù)其組成分為七類(lèi)：脂質(zhì)、聚合物、無(wú)機(jī)和類(lèi)病毒納米顆粒(VLNP)(圖3)。每一類(lèi)納米顆粒都包含多個(gè)亞類(lèi)，在組裝、遞送和患者反應(yīng)方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。

圖3

基于脂質(zhì)的納米顆粒(LNPs)一直是美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)的最常見(jiàn)的納米藥物類(lèi)別。脂質(zhì)的納米顆粒是用于封裝各種疏水或親水療法的極佳平臺(tái)，包括小分子、蛋白質(zhì)和核酸。它們的多重優(yōu)勢(shì)包括配方和合成簡(jiǎn)單、自組裝、生物相容性和高生物利用度。但是脂基納米顆粒的局限性包括疏水分子的包封率低，由于在肝臟和脾臟的高蓄積導(dǎo)致生物分布不佳，在極少數(shù)情況下，對(duì)聚乙二醇誘導(dǎo)的高抗體水平產(chǎn)生過(guò)敏或嚴(yán)重的過(guò)敏樣反應(yīng)。

聚合物納米顆粒可以用不同類(lèi)型的天然材料如殼聚糖、軟骨素、海藻酸鹽、聚乙二醇、瓜爾豆膠、右旋糖酐和黃原膠等制成。同樣，聚丙烯酸酯、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羥基乙酸共聚(PLGA)、聚乳酸-聚乙交酯共聚物(PLGA)等合成高分子材料以及聚酰胺胺(PAMAM)和聚乙烯亞胺(PEI)等帶電聚合物已被廣泛用于納米粒子的制備。聚合物納米顆粒的合成允許精確控制多種特征，包括大小、形狀、電荷、表面化學(xué)和溶解性。聚合物納米粒具有不同的輸送方式：藥物、蛋白質(zhì)或遺傳物質(zhì)可以與聚合物結(jié)合，封裝、固定在其基質(zhì)中，或者附著在納米粒表面。通過(guò)微調(diào)成分和表面電荷等性質(zhì)，這些治療藥物的載藥效率、釋放動(dòng)力學(xué)和組織特異性蓄積受到高度控制。聚合物納米顆粒因其可生物降解性、水溶性、生物相容性、穩(wěn)定性和進(jìn)行靶向遞送的能力而被認(rèn)為是遞送分子的優(yōu)秀候選者。然而，聚合物納米粒子還是存在一些缺點(diǎn)，包括粒子聚集和毒性的風(fēng)險(xiǎn)。

由金屬(例如金和氧化鐵)、碳基(例如納米管)或半導(dǎo)體納米顆粒(例如量子點(diǎn))組成的無(wú)機(jī)平臺(tái)已被用于疫苗接種的載體，并取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。無(wú)機(jī)納米粒子具有獨(dú)特的尺寸依賴(lài)的電、磁和光學(xué)特性，可通過(guò)靶向多種免疫信號(hào)、增強(qiáng)穩(wěn)定性和運(yùn)送其他不溶性物質(zhì)而用于免疫學(xué)應(yīng)用。簡(jiǎn)單的表面修飾可以使無(wú)機(jī)納米粒子與抗體、藥物或其他配體結(jié)合，提高它們的生物相容性。金納米顆粒(AuNPs)是目前研究最廣泛的無(wú)機(jī)納米系統(tǒng)之一，因?yàn)樗哂锌烧{(diào)性和易于功能化。另外，一些無(wú)機(jī)材料，如氧化鐵納米顆粒(IONPs)已經(jīng)被FDA批準(zhǔn)用于人類(lèi)，其它也有一些正進(jìn)行臨床試驗(yàn)?？傮w而言，無(wú)機(jī)納米顆粒非常適合用于聲學(xué)治療，并且在尺寸、結(jié)構(gòu)和幾何形狀上具有高度多樣性的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然科學(xué)界對(duì)這些納米材料潛在的長(zhǎng)期毒性和有限的生物降解性還有一定的擔(dān)憂(yōu)。

免疫學(xué)方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了模仿病毒結(jié)構(gòu)的構(gòu)象來(lái)人工制造VLNPs或提純病毒蛋白來(lái)合成納米顆粒。VLNPs提供了多種疫苗接種優(yōu)勢(shì)，包括通過(guò)天然病毒機(jī)制增強(qiáng)攝取和更有效地刺激免疫反應(yīng)。這些納米顆粒系統(tǒng)可以作為疫苗接種平臺(tái)，便于傳遞功能化或包囊化的佐劑、抗原和表達(dá)抗原結(jié)構(gòu)的遺傳物質(zhì)，從而使機(jī)體對(duì)病原體產(chǎn)生免疫力。基于VLNP的疫苗已經(jīng)受到關(guān)注，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S通過(guò)基因工程策略將配體、免疫調(diào)節(jié)劑和靶向部分結(jié)合到其結(jié)構(gòu)中。VLNPs還提供以人類(lèi)(如埃博拉病毒、乙型肝炎病毒和人類(lèi)免疫缺陷病毒)或植物(如煙草花葉病毒、黃瓜花葉病毒、豇豆褪綠斑駁病毒)病毒為基礎(chǔ)的各種生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)，修飾包括合成的表面多糖，它在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)與受體的相互作用、促炎信號(hào)通路和細(xì)胞因子的表達(dá)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。與減毒活疫苗或全滅活病毒疫苗相比，VLNPs不攜帶本地病毒遺傳物質(zhì)，因此更安全且不具傳染性。作為疫苗開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，VLNPs提供了高度可擴(kuò)展和適應(yīng)性的優(yōu)勢(shì)，一些表達(dá)系統(tǒng)，如酵母和細(xì)菌細(xì)胞，可以在生產(chǎn)過(guò)程中極大地降低它們的成本。盡管VLNPs有潛力，但是仍有一些挑戰(zhàn)擺在面前，包括誘導(dǎo)特定保護(hù)性抗體的形成，改善有限的免疫反應(yīng)持續(xù)時(shí)間，以及有效地模擬一些病原體的復(fù)雜生命周期。

• 基于DNA和mRNA的納米疫苗的差異

利用核酸是生物技術(shù)公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)SARS-CoV-2疫苗的途徑之一。這種疫苗類(lèi)型依賴(lài)于向細(xì)胞傳遞遺傳信息，通常是以質(zhì)粒脫氧核糖核酸(pDNA)或mRNA的形式，在生物體內(nèi)編碼抗原并誘導(dǎo)免疫反應(yīng)。mRNA疫苗只需要穿過(guò)細(xì)胞膜并到達(dá)目標(biāo)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)就能產(chǎn)生效果，而pDNA疫苗則需要一個(gè)額外的步驟，即穿過(guò)核膜。然而，未受保護(hù)的pDNA或mRNA的傳遞過(guò)程是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄兺ǔ?huì)被酶降解，或者無(wú)法跨越細(xì)胞膜和核膜等生物屏障。核酸納米包埋制備疫苗是一種創(chuàng)新方法，能夠在保持其程序化免疫效果的同時(shí)，還可以傳遞和保護(hù)遺傳物質(zhì)，防止可能的細(xì)胞外降解，一些基于納米顆粒的新冠肺炎疫苗利用了這一策略。

為了制造核酸納米疫苗，通常將DNA或mRNA與陽(yáng)離子脂類(lèi)或聚合物混合，形成靜電復(fù)合物，然后將其包裹到納米顆粒系統(tǒng)中。由此產(chǎn)生的納米載體阻止了基因結(jié)構(gòu)中的核糖核酸酶活性，并促進(jìn)了APC通過(guò)細(xì)胞膜融合機(jī)制或在使用基于聚合物的系統(tǒng)時(shí)通過(guò)內(nèi)吞和吞噬途徑吸收核糖核酸酶。使用基于納米技術(shù)的系統(tǒng)傳遞遺傳物質(zhì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要專(zhuān)門(mén)的轉(zhuǎn)染設(shè)備，如電穿孔或基因槍。如圖4所示，在大多數(shù)脂質(zhì)系統(tǒng)的內(nèi)化過(guò)程中，當(dāng)納米顆粒外殼整合到細(xì)胞膜中時(shí)，遺傳物質(zhì)直接釋放到細(xì)胞質(zhì)中。就pDNA為基礎(chǔ)的納米疫苗而言，遺傳物質(zhì)預(yù)計(jì)會(huì)到達(dá)細(xì)胞核，在那里mRNA分子將發(fā)生轉(zhuǎn)錄。與基于mRNA的納米疫苗相比，這是一個(gè)更復(fù)雜的機(jī)制，因?yàn)樵趍RNA納米疫苗中，遺傳物質(zhì)只需到達(dá)細(xì)胞質(zhì)就能發(fā)揮作用。這兩種方法都會(huì)導(dǎo)致核糖體翻譯、抗原蛋白的產(chǎn)生、蛋白酶體活性以及隨后的遺傳編碼抗原的胞外遞呈。在APC遷移到局部淋巴結(jié)后，抗原呈遞將觸發(fā)細(xì)胞因子的釋放，誘導(dǎo)CD4?和CD8??T細(xì)胞的細(xì)胞反應(yīng)，激活適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，并由產(chǎn)生抗體的B細(xì)胞產(chǎn)生體液免疫。與DNA疫苗相比，使用基于mRNA的疫苗具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)，如mRNA疫苗宿主細(xì)胞DNA的零相互作用，避免了可能的基因組整合風(fēng)險(xiǎn)；另外基于mRNA的疫苗與基于病毒的平臺(tái)進(jìn)行相比，沒(méi)有抗載體免疫，因?yàn)樗粋€(gè)編碼選定抗原的開(kāi)放閱讀框和允許其多次給藥的特定調(diào)節(jié)元件。

圖4

• COVID?19爆發(fā)期間出現(xiàn)的mRNA納米疫苗

在FDA批準(zhǔn)輝瑞生物科技和摩德納疫苗的緊急使用授權(quán)(EUA)之前，基于mRNA的疫苗從未獲得FDA批準(zhǔn)用于人類(lèi)治療任何疾病。雖然自1990年以來(lái)，mRNA技術(shù)已經(jīng)在體外和體內(nèi)模型上顯示出良好的結(jié)果，但在開(kāi)發(fā)mRNA治療方面沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，主要是因?yàn)榕cmRNA不穩(wěn)定、高天然免疫原性和體內(nèi)傳遞效率低下等問(wèn)題。雖然多家公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都致力于開(kāi)發(fā)安全高效的mRNA疫苗，但是到目前為止，只有輝瑞生物科技和摩德納的mRNA疫苗獲得了緊急批準(zhǔn)。

• 輝瑞生物科技SARS-CoV-2疫苗

BioNTech生物技術(shù)公司與輝瑞(Pfizer)和復(fù)星制藥(Fosun Pharma)合作，對(duì)四種基于納米顆粒的mRNA疫苗候選疫苗(BNT162a1、BNT162b1、BNT162b2和BNT162c2)進(jìn)行了研究，以測(cè)試和開(kāi)發(fā)SARS-CoV-2疫苗。每種候選疫苗都擁有封裝在LNPs中的不同形式的mRNA：其中兩個(gè)(BNT162b1和BNT162b2)含有N1-甲基-假尿苷(m1ψ)核苷修飾的mRNA (modRNA)；一個(gè)(BNT162a1)含尿苷的mRNA (uRNA)；和一個(gè)(BNT162c2)自擴(kuò)增mRNA (saRNA)。其中兩種疫苗具有表達(dá)S蛋白(BNT162b2和BNT162c2)的基因序列，另外兩種疫苗表達(dá)棘突蛋白的RBD (BNT162a1和BNT162b1)。

與I/II期臨床試驗(yàn)(NCT04380701)平行，BNT162b1和BNT162b2在小鼠和靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物模型中的體內(nèi)抗原性和免疫原性均得到證實(shí)。首先，在BALB/c小鼠(n=8)上進(jìn)行臨床前研究，結(jié)果顯示，單次給藥后，RBD或S1特異性結(jié)合抗體的反應(yīng)呈高度劑量依賴(lài)性，BNT162b2的反應(yīng)幅度更大。注射這兩種疫苗的小鼠也顯示出引流淋巴結(jié)中CD8?和CD4??T細(xì)胞的水平增加，這對(duì)T濾泡輔助細(xì)胞(TfH)來(lái)說(shuō)是非常重要的。雖然兩種疫苗都能誘導(dǎo)血液和脾臟中較高水平的TfH細(xì)胞，但只有BNT162b2能誘導(dǎo)循環(huán)中CD8??T細(xì)胞的增加。對(duì)接種獼猴和對(duì)照獼猴的SARS-CoV-2中和滴度的分析表明，BNT162b1接種的值在208到1185之間，BNT162b2的值在260到1004之間，而對(duì)照組未檢測(cè)到。被病毒攻擊后，在對(duì)照獼猴中觀(guān)察到SARS-CoV-2中和滴度的增加，這是對(duì)病毒攻擊做出的免疫反應(yīng)。然而，在接種這兩種疫苗的獼猴身上沒(méi)有觀(guān)察到增加，證實(shí)了SARS-CoV-2感染得到了抑制。對(duì)動(dòng)物的肺部進(jìn)行了組織學(xué)檢查，結(jié)果顯示各組(包括對(duì)照組)均可觀(guān)察到局限性炎癥區(qū)域。由此得出的結(jié)論是，靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物模型主要是研究SARS-CoV-2感染，而不是新冠肺炎疾病。

I/II期臨床試驗(yàn)

利用聚乙二醇化脂質(zhì)納米粒系統(tǒng)，根據(jù)臨床前研究結(jié)果，在健康成人中啟動(dòng)了一項(xiàng)I/II期(NCT04380701)的隨機(jī)、對(duì)照和盲法臨床研究，以確定其有效劑量、安全性、可利用性和免疫原性。該疫苗在18至55歲的人群和65至85歲的人群中接種。三種不同劑量水平的BNT162a1、BNT162b1和BNT162b2疫苗按照Prime/Boost (P/B)方案進(jìn)行評(píng)估。在另一個(gè)隊(duì)列中，BNT162c2疫苗使用單劑(SD)方案。BNT162b1疫苗的設(shè)計(jì)是基于對(duì)編碼三聚化SARS-CoV-2S蛋白R(shí)BD的modRNA進(jìn)行納米封裝以提高免疫原性。

報(bào)告了三組年齡在18至55歲的受試者肌肉接種BNT162b1疫苗的臨床結(jié)果，接種劑量遞增(10、30和100 μg)，以及一組對(duì)照組。第一組(n=12)在第1天和第21天兩次注射10 μg；第二組(n=12)在第一天和第21天兩次注射30 μg；第三組(n=12)在第一天一次注射100 μg；第四組(n=9)在第一天和第21天兩次注射安慰劑(無(wú)效對(duì)照劑)。在第一次和第二次給藥7天后，注射部位的局部疼痛是所有治療組中最常見(jiàn)的反應(yīng)。其他癥狀包括肌肉和關(guān)節(jié)疼痛、疲勞、頭痛和發(fā)冷。在第一次和第二次服用BNT162b1后出現(xiàn)發(fā)燒報(bào)告。在100 μg組中，50 %的患者出現(xiàn)副作用；基于此，研究人員決定不使用該劑量范圍的第二劑。在其他組中，只有8.3 %的患者在1天后出現(xiàn)自我限制性發(fā)熱，沒(méi)有其他嚴(yán)重不良反應(yīng)報(bào)告。

在第一次接種前(第0天)和第一次接種后評(píng)估RBD結(jié)合IgG和SARS-CoV-2中和滴度的濃度。同樣，在第二次注射后7天和14天再次進(jìn)行滴度評(píng)估。到第一次接種后第21天，3個(gè)劑量(10，30和100 μg)的RBD結(jié)合免疫球蛋白幾何平均濃度(GMC)為534-1778 U/mL，而38名(18-83歲)新冠肺炎確診后第14天的恢復(fù)期血清GMC為602 U/mL。相比之下，接受10 μg的受試者表現(xiàn)出與新冠肺炎患者恢復(fù)期血清相似的RBD結(jié)合IgG GMC水平，而30和100 μg組的滴度明顯高于恢復(fù)期血清組GMC中的滴度水平。

第二次給藥7天后，10和30 μg劑量組(4813-27872 U/mL)的血藥濃度升高，高水平的濃度持續(xù)到第35天(5880-16166 U/mL)。這些結(jié)果表明，與恢復(fù)期血清組GMC相比，接種疫苗后RBD結(jié)合的IgG GMCs增加了8~50倍。在所有治療組注射第一劑BNT162b1 21天后，SARS-CoV-2中和幾何平均滴度(GMT)略有增加。第二次注射10 μg和30 μg 7天后，血清中和GMT水平分別是SARS-CoV-2感染者恢復(fù)期血清組的1.8倍和2.8倍。30 μg組和100 μg組之間的免疫原性無(wú)顯著差異，作者認(rèn)為10-30 μg劑量范圍內(nèi)對(duì)SARS-CoV-2有較好的耐受性，并能產(chǎn)生顯著的中和滴度。

在第二次非隨機(jī)開(kāi)放標(biāo)簽I/II期(NCT04380701)臨床試驗(yàn)中，研究了BNT162b1疫苗的抗體和T細(xì)胞反應(yīng)，人群年齡為18-55歲。結(jié)果表明，接種1 μg和50μg疫苗后，均可觀(guān)察到較強(qiáng)的抗體、CD4?和CD8??T細(xì)胞反應(yīng)。對(duì)RBD結(jié)合的免疫球蛋白濃度進(jìn)行了量化，發(fā)現(xiàn)濃度高于新冠肺炎患者血清中的水平。第43天，與恢復(fù)期人血清相比，1 μg劑量組和50 μg劑量組的SARS-CoV-2血清中和GMT分別增加了0.7倍和3.5倍。在大多數(shù)受試者中觀(guān)察到具有RBD特異性CD8?和CD4??T細(xì)胞增殖的Th1偏斜T細(xì)胞免疫反應(yīng)，并在這兩種免疫細(xì)胞中檢測(cè)到IFN-γ (γ-干擾素)的產(chǎn)生。這些結(jié)果表明，BNT162b1疫苗對(duì)SARS-CoV-2具有保護(hù)性應(yīng)答。

II/III期臨床試驗(yàn)

由于I/II期臨床試驗(yàn)顯示有希望的結(jié)果，輝瑞生物科技公司決定在II/III期(NCT04368728)人體臨床試驗(yàn)中對(duì)BNT162b2進(jìn)行評(píng)估。BNT162b2是一種納米膠囊，編碼SARS-CoV-2全長(zhǎng)S蛋白的modRNA，最初的劑量水平為30 μg，分兩次給藥。據(jù)估計(jì)，這項(xiàng)研究涉及3萬(wàn)名年齡在18歲到85歲之間的受試者，其中包括全球120個(gè)地點(diǎn)。2020年12月，II/III期臨床試驗(yàn)結(jié)果顯示，BNT162b2疫苗對(duì)新冠肺炎的整體保護(hù)效果為95%。這項(xiàng)多國(guó)、隨機(jī)、安慰劑對(duì)照、觀(guān)察者盲法臨床試驗(yàn)共有43,548名志愿者(≥16歲)，他們被隨機(jī)分配到全球152個(gè)地點(diǎn)，按1:1的比例接受肌肉注射疫苗(30 μg)或安慰劑，兩次劑量方案相隔21天。這項(xiàng)研究還評(píng)估了該疫苗對(duì)以前沒(méi)有被SARS-CoV-2感染或接受過(guò)免疫抑制治療健康或患有穩(wěn)定慢性病(HIV、乙型或丙型肝炎病毒感染)的參與者在第二次接種后至少7天發(fā)病時(shí)預(yù)防COVID-19疾病的功效、安全性和免疫原性。

篩查后，共有43448名參與者以1:1的比例接受BNT162b2或安慰劑注射，并于2020年10月9日從37706名參與者中收集數(shù)據(jù)。參與者的平均年齡為52歲，49%為女性，42%大于55歲，35%為肥胖，21%至少有一種共同存在的疾病。參與者的種族和民族比例為白人(83%)、黑人或非裔美國(guó)人(9%)和西班牙裔或拉丁裔(28%)。

在疫苗效力的初步分析中，在安慰劑組第二次接種后7天，發(fā)現(xiàn)了162例SARS-CoV-2首次感染的病例。而在接受BNT162b2疫苗的受試者中只發(fā)現(xiàn)了8例首發(fā)病例，其有效性為95%。這些結(jié)果達(dá)到了預(yù)先批準(zhǔn)的成功標(biāo)準(zhǔn)，大大超過(guò)了FDA的最低授權(quán)標(biāo)準(zhǔn)(一次有效率>30%)。在0.6%的疫苗接受者和0.5%的安慰劑接受者中發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的不良事件，注射后不久局部和系統(tǒng)的反應(yīng)性都消失了。雖然其他不良事件包括肩部損傷、淋巴結(jié)腫大、陣發(fā)性室性心律失常和右腿感覺(jué)異常，但只有少數(shù)參與者因嚴(yán)重不良事件而退出。在試驗(yàn)期間，6名參與者發(fā)生了死亡病例，然而，沒(méi)有一例被認(rèn)為是疫苗或安慰劑的后果?？傮w而言，反應(yīng)性事件是短暫的，在發(fā)病后幾天內(nèi)消失，嚴(yán)重的不良事件微乎其微。據(jù)報(bào)道，目前BNT162b2對(duì)新的SARS-CoV-2變種的療效可能會(huì)受到影響。出于這個(gè)原因，最新疫苗增強(qiáng)方案的實(shí)施正在進(jìn)行臨床審查。

• 摩德納SARS-CoV-2疫苗

摩德納(Moderna)是一家總部位于馬薩諸塞州劍橋的生物技術(shù)公司，該公司通過(guò)將編碼SARS-CoV-2 S蛋白的modRNA序列納米封裝到LNP中，并將兩個(gè)脯氨酸突變替換為殘基986和987 (SARS-CoV-2 S-2P)，從而開(kāi)發(fā)出一種候選疫苗(mRNA-1273)。該納米遞送系統(tǒng)的組合物包括可電離脂質(zhì)、二硬脂酰磷脂酰膽堿、膽固醇和聚乙二醇(摩爾比：50:10:38.5:1.5)，并使用乙醇納米沉淀法制造。這種疫苗的納米顆粒大小在80-100 nm之間，并且具有優(yōu)于90%的mRNA包封效率。

與輝瑞疫苗篩選流程類(lèi)似，在人類(lèi)臨床試驗(yàn)之前，該候選疫苗的抗原性和免疫原性在幾個(gè)小鼠品系和獼猴中得到了體外和體內(nèi)的證實(shí)。通過(guò)小鼠和獼猴免疫實(shí)驗(yàn)分別證實(shí)了：(1) SARS-CoV-2 S-2P mRNA納米疫苗單次免疫產(chǎn)生中和抗體的有效性；(2) mRNA納米疫苗能夠誘導(dǎo)平衡的Th1/Th2應(yīng)答；(3) mRNA-1273在小鼠模型中的免疫原性和有效性；(4) 注射疫苗的獼猴受到病毒攻擊后(兩周后)，體液特異性IgG水平穩(wěn)定；(5) 沒(méi)有出現(xiàn)與疫苗相關(guān)的免疫病理反應(yīng)。

I/II期臨床試驗(yàn)

在獲得了令人滿(mǎn)意的臨床前結(jié)果后，啟動(dòng)了I期(NCT04283461)開(kāi)放標(biāo)記、劑量遞增的臨床試驗(yàn)，以評(píng)估m(xù)RNA-1273在45名健康成年人(18-55歲)中的安全性和反應(yīng)性。參與者分別肌肉注射25、100和250 μg的mRNA-1273(n=15)，每組15例，間隔28天。在第一次和第二次免疫后第29天和57天，用ELISA法檢測(cè)抗S-2P抗體GMT，結(jié)果表明，當(dāng)使用較高的mRNA-1273劑量時(shí)，抗體應(yīng)答增強(qiáng)。第一次接種后，25 μg組、100 μg組和250 μg組的GMT水平分別為40227、109209和213526，第二次接種后的GMT水平分別為299751、782719和1192154。類(lèi)似的，接種疫苗后，觀(guān)察到注射部位局部疼痛、惡心、關(guān)節(jié)痛、乏力、寒戰(zhàn)、頭痛、肌痛、紅斑和硬結(jié)等不良事件。然而，在第一次接種后，疫苗被認(rèn)為是安全的，25、100和250 μg組中分別有33%、67%和53%的人發(fā)生了輕度到中度的不良系統(tǒng)事件；在第二次接種后，25、100和250 μg組的54 %、100%和100%的參與者觀(guān)察到了輕度到中度的不良系統(tǒng)事件。在高劑量(250 μg)組中，有3名參與者(21%)發(fā)生了嚴(yán)重的不良事件。在25、100和250 μg組中，分別有0%、40%和57%的人在第二次接種疫苗后出現(xiàn)發(fā)熱。這些結(jié)果表明，mRNA-1273疫苗是安全的，能夠產(chǎn)生免疫原性反應(yīng)。

2020年5月29日，進(jìn)行了II期(NCT04405076)臨床隨機(jī)、觀(guān)察者盲法、安慰劑對(duì)照研究，以評(píng)估600名健康成年人中mRNA-1273的安全性和免疫原性(≥ 18–<55，n=300；和≥55歲，n=300)。參與者從任何一組中隨機(jī)選擇，接受肌肉接種50或100 μg的mRNA-1273或安慰劑，分兩次注射，相隔28天。于第1次免疫后第1天和第29天，第2次免疫后第43天和57天用ELISA法檢測(cè)抗SARS-CoV-2刺突抗體GMT。結(jié)果顯示，在第二次接種后的第43天，抗體顯著增強(qiáng)到最高GMT，并超過(guò)恢復(fù)期血清，一直持續(xù)到第57天。并且年輕人的GMT值普遍高于老年人。在兩個(gè)年齡段的隊(duì)列中，最常見(jiàn)的不良事件是注射部位的局限性疼痛、頭痛和每次接種疫苗后的疲勞。局部和全身不良反應(yīng)的嚴(yán)重程度大多為輕度至中度，在第二次注射后出現(xiàn)的頻率較高，這些觀(guān)察結(jié)果與之前關(guān)于I期臨床研究的報(bào)告一致。這些結(jié)果表明，mRNA-1273疫苗是安全的，能夠產(chǎn)生免疫原性反應(yīng)。2020年12月18日，摩德納獲得了美國(guó)食品和藥物管理局的研究新藥批準(zhǔn)。

第三階段臨床試驗(yàn)

根據(jù)第二階段的臨床結(jié)果，100 μg劑量的mRNA-1273疫苗是安全的，能夠產(chǎn)生免疫原性反應(yīng)，并可以進(jìn)一步進(jìn)行第三階段的臨床試驗(yàn)。2020年7月下旬，冠狀病毒效力(COVE)第三期臨床試驗(yàn)(NCT04470427)啟動(dòng)，以評(píng)估m(xù)RNA-1273疫苗預(yù)防SARS感染的效果。COVE第三期臨床試驗(yàn)招募了30,420名受試者，他們按1:1的比例被隨機(jī)分配，接受肌肉注射疫苗(100微克)或安慰劑，兩劑方案相隔28天。該研究評(píng)價(jià)了預(yù)防新冠肺炎病的有效性、安全性和免疫原性。參與者的平均年齡為 51.4 歲，47.3%為女性，24.8%為65歲以上，16.7%為65歲以下且患有高危慢性病，這增加了患上嚴(yán)重 COVID-19 的可能性，例如如糖尿病、嚴(yán)重肥胖或心臟病。參與者的種族和民族比例是白人(79.2%)、黑人或非裔美國(guó)人(10.2%) 和西班牙裔或拉丁裔(20.5%)。第三階段臨床試驗(yàn)的早期結(jié)果將于2021年2月公布，該試驗(yàn)在全美99個(gè)分部進(jìn)行。基于mRNA的疫苗的適應(yīng)性允許制造針對(duì)新的SARS-CoV-2變種的特定納米疫苗。因此，摩德納制藥公司將進(jìn)行進(jìn)一步的臨床研究，以評(píng)估m(xù)RNA-1273.351對(duì)B.1.351變種的作用，并繼續(xù)評(píng)估m(xù)RNA1273的第三次增強(qiáng)作用，以確定其對(duì)世界各地出現(xiàn)的其他新變種的有效性。

• 基于納米顆粒的核酸疫苗

如上所述，輝瑞生物科技公司和摩德納公司的疫苗是第一批得到FDA緊急授權(quán)的疫苗。輝瑞生物科技和摩德納在各自的疫苗研發(fā)中使用了編碼SARS-CoV-2刺突蛋白基因變體的mRNA，這種基因變體比天然蛋白更穩(wěn)定，更具免疫原性。為了進(jìn)一步提高該制劑的效力，兩種疫苗都使用LNPs包裹mRNA分子，為它們提供穩(wěn)定性和保護(hù)性。這種納米系統(tǒng)提供的優(yōu)點(diǎn)包括使用可生物降解的脂質(zhì)，提高安全性和耐受性。其他特征包括加入多功能脂質(zhì)作為佐劑以提高疫苗效力。雖然mRNA的免疫原性可能是一個(gè)安全問(wèn)題，但輝瑞生物科技和摩德納對(duì)疫苗的化學(xué)修飾可以降低mRNA的不穩(wěn)定性和外源mRNA翻譯產(chǎn)生的先天免疫反應(yīng)。基于蛋白質(zhì)的疫苗提供了不同的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)亞單位很容易被APC加工成抗原，從而避免了細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄的需要。然而，暴露的抗原在被免疫細(xì)胞識(shí)別之前會(huì)受到酶的降解，這對(duì)疫苗的效力產(chǎn)生了負(fù)面影響，通常需要多次加強(qiáng)劑量。當(dāng)然，通過(guò)加入佐劑，肽基疫苗的這一固有缺點(diǎn)被抵消，從而可以誘導(dǎo)更高的免疫反應(yīng)。當(dāng)比較mRNA疫苗和基于肽的疫苗時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別在于mRNA平臺(tái)對(duì)新出現(xiàn)的病毒變異或未來(lái)的大流行有更高的適應(yīng)性。基因疫苗的一個(gè)主要問(wèn)題是它們的安全性；然而，mRNA疫苗已被證明是不具傳染性的，并且不能潛在地整合到宿主基因組中。另一個(gè)區(qū)別是每種疫苗的儲(chǔ)存條件不同。基于蛋白質(zhì)的疫苗在2至8℃的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定，摩德納和輝瑞的mRNA疫苗分別需要?20℃和?60至?80℃的溫度才能保持6個(gè)月的穩(wěn)定。雖然將mRNA疫苗在2至8℃保存30天是可能的，但這些條件對(duì)許多發(fā)展中國(guó)家公平分配疫苗仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

• 健康和經(jīng)濟(jì)影響

在世界各地，生物技術(shù)公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)加快了納米技術(shù)疫苗的開(kāi)發(fā)以解決現(xiàn)有的健康和經(jīng)濟(jì)危機(jī)。必須以可持續(xù)和公平的方式加快疫苗的生產(chǎn)和分配，以迅速減少這一大流行造成的經(jīng)濟(jì)和健康影響，特別是在最脆弱的人群和衛(wèi)生專(zhuān)業(yè)人員中。兩種基因疫苗的顯著不同之處在于所需的劑量：摩德納疫苗需要100 μg，而輝瑞疫苗需要30 μg。更高的劑量也代表著大規(guī)模生產(chǎn)的限制。在對(duì)抗最初的SARS-CoV-2方面，輝瑞生物科技公司擁有最高的療效(95%)，其次是摩德納公司(94.1%)。在全球化的世界中，低收入國(guó)家缺乏疫苗供應(yīng)，這些國(guó)家可能會(huì)受到獲得機(jī)會(huì)有限的影響，這不僅會(huì)影響公共衛(wèi)生，還會(huì)對(duì)全球經(jīng)濟(jì)造成重大損失。世界銀行估計(jì)2020年全球國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)將收縮5.3%，這將進(jìn)一步影響全球人口生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定。所有這些影響都會(huì)加劇，因?yàn)楹艽笠徊糠謴男鹿诜窝卓祻?fù)的患者最終會(huì)因器官損傷而出現(xiàn)潛在的殘疾，因?yàn)?strong>早期證據(jù)顯示，75.4%的幸存者存在肺功能異常。此外，50%的重癥監(jiān)護(hù)病房(ICU)患者將經(jīng)歷重癥監(jiān)護(hù)后綜合征(PICS)，包括創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、焦慮、抑郁、疲勞、失眠、記憶力減退、注意力不集中和說(shuō)話(huà)困難，這些因素導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力的損失。因此，公平分配有效疫苗以防止新的感染，才能極大地刺激世界各地社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和復(fù)蘇。大多數(shù)已開(kāi)發(fā)或正在開(kāi)發(fā)的疫苗都是基于可注射溶液。在不久的將來(lái)，可吸入疫苗可以在沒(méi)有醫(yī)療幫助的情況下自行管理，促進(jìn)它們的分發(fā)和造福世界各地的人們，特別是那些不太發(fā)達(dá)或獲得醫(yī)療服務(wù)有限的人。

• 總結(jié)

SARS-CoV-2對(duì)世界人口構(gòu)成嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)，必須采取快速和多學(xué)科的應(yīng)對(duì)措施來(lái)克服這一流行病。在工程學(xué)和生物學(xué)的交叉領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)納米技術(shù)，或者更通常被稱(chēng)為納米醫(yī)學(xué)，已經(jīng)被證明是一個(gè)有無(wú)限可能的領(lǐng)域，研究人員能夠設(shè)計(jì)合適的納米策略來(lái)應(yīng)對(duì)新進(jìn)化的病原體。幾家生物技術(shù)公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)利用納米技術(shù)成功地設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了針對(duì)SARS-CoV-2的mRNA疫苗。從這些結(jié)果來(lái)看，納米技術(shù)領(lǐng)域在防止進(jìn)一步死亡、遏制疫情和幫助世界經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

作者簡(jiǎn)介

Xingcai Zhang

本文通訊作者

美國(guó)哈佛大學(xué)/麻省理工學(xué)院 研究員

▍主要研究領(lǐng)域

可持續(xù)納米科學(xué)、仿生智能材料以及相關(guān)的先進(jìn)應(yīng)用技術(shù)。

▍主要研究成果

在Nat. Rev. Mater., Nat. Nanotechnol., PNAS, Nat. Commun., Sci. Adv., Nat. Sci. Rev., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Mater. Today等期刊發(fā)表100多篇文章。擔(dān)任Springer Nature、Elsevier、Materials Today、ACS、RSC和Wiley的科學(xué)作家、編委、編輯、以及顧問(wèn)委員會(huì)成員等職務(wù)。曾獲Nature Nano Award等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。在頂級(jí)機(jī)構(gòu)作過(guò)100+場(chǎng)特邀報(bào)告，被主要媒體報(bào)道1000余次。

▍Email:?xingcai@mit.edu

Joseph V. Bonventre

本文通訊作者

哈佛醫(yī)學(xué)院

▍主要研究領(lǐng)域

研究主要集中在腎損傷和修復(fù)以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究，特別強(qiáng)調(diào)炎癥、生物標(biāo)志物和干細(xì)胞的作用。

▍主要研究成果

發(fā)表380多篇原創(chuàng)研究出版物、150篇評(píng)論/章節(jié)和社論以及3本書(shū)。被引用超過(guò)61,000次，h-index為130。已被選為美國(guó)臨床調(diào)查學(xué)會(huì)(ASCI)、美國(guó)醫(yī)師協(xié)會(huì)(AAP)、美國(guó)臨床和氣候?qū)W協(xié)會(huì)(ACCA)以及美國(guó)醫(yī)學(xué)和生物工程研究所(AMBIE)的成員。

▍Email:?jbonventre@bwh.harvard.edu

Guillermo U. Ruiz?Esparza

本文通訊作者

哈佛醫(yī)學(xué)院

▍主要研究領(lǐng)域

第一個(gè)證明和實(shí)現(xiàn)基于血管內(nèi)和特定部位納米顆粒的藥物遞送至衰竭心臟的研究工作，使當(dāng)前開(kāi)發(fā)用于遞送遺傳物質(zhì)、藥物和診斷的新納米技術(shù)以治療心力衰竭成為可能。還開(kāi)發(fā)了開(kāi)創(chuàng)性的納米技術(shù)平臺(tái)，例如納米結(jié)構(gòu)水凝膠、用于診斷的納米傳感技術(shù)、組織工程納米結(jié)構(gòu)和基于納米顆粒的藥物遞送系統(tǒng)，用于在同一納米系統(tǒng)中時(shí)空和順序釋放雙重治療劑。

▍主要研究成果

在高影響力的科學(xué)期刊上發(fā)表了大量文章，包括Science Translational Medicine、Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、European Journal of Heart Failure等期刊。

▍Email:?gruizeh@bwh.harvard.edu

本信息源自互聯(lián)網(wǎng)僅供學(xué)術(shù)交流 ，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們立即刪除。