【生物化学笔记：药品药物】Moderna的《mRNAs as Medicines》课程第三章：免疫原性mRNA药物、非免疫原性mRNA药物、再生与分泌蛋白mRNA药物

• Moderna的《mRNAs as Medicines》课程共三章，面向所有人，无论您当前的科学知识水平如何。课程旨在为您提供对mRNA药物的全面理解，包括其工作原理及其潜在应用，视频地址。
  

mRNA药物的应用：预防与治疗

模块概述

本模块将探讨mRNA药物的不同类型及其在疾病预防和治疗中的潜在应用：

• 作为疫苗预防疾病
• 作为疗法治疗现有疾病
• 治疗遗传性疾病
• 创造全新的再生医学类别

预防性mRNA疫苗

疫苗基础

• 预防性疫苗：旨在预防疾病的疫苗
• 历史背景：首个获批并广泛使用的mRNA药物就是针对SARS-CoV-2的mRNA疫苗

传统疫苗方法

1. 灭活病原体疫苗

• 原理：使用灭活（杀死）的病原体
• 示例：脊髓灰质炎疫苗、伤寒疫苗
• 安全风险：
  • 依赖于病原体被彻底灭活
  • 若灭活不完全可能导致疾病
  • 著名案例：1955年"卡特事件"
    • 卡特实验室释放未完全灭活的脊髓灰质炎病毒
    • 导致40,000多例感染、200人终身瘫痪、10人死亡

2. 减毒活疫苗

• 原理：使用活性但减弱的病原体
• 示例：MMR疫苗（麻疹、腮腺炎、风疹）
• 安全限制：
  • 免疫系统较弱者（如器官移植后服用免疫抑制剂者）通常不建议接种
  • 因其免疫系统可能无法控制即使是减弱的病原体

疫苗作用机制

核心原理

• 所有疫苗都是以相对安全的方式让免疫系统接触新病原体，从而建立适应性免疫反应。

免疫反应启动

• 关键细胞：抗原呈递细胞（APCs）
  • 一类特殊的白血球
  • 功能：持续监测体内异常物质
  • 摄取潜在病原体
  • 将病原体蛋白或蛋白片段展示在细胞表面

抗原定义

• “antigen” = “anti” (对抗) + “gen” (产生)
• 指能引发针对病原体免疫反应的物质

免疫反应传播

• APCs在巡逻组织和附近引流淋巴结间移动
• 在淋巴结中向未成熟B细胞和T细胞呈递抗原
• 能识别抗原的B/T细胞发育为成熟细胞：
  • 成熟B细胞：分泌抗体，结合并中和病原体
  • 细胞毒性T细胞：寻找感染源，清除被感染细胞

mRNA疫苗的独特机制

工作原理

• 替代物：用LNP取代完整病原体
• 过程：
  1. APCs摄取携带mRNA的LNP
  2. 使用自身核糖体制造病原体蛋白
  3. 将这些蛋白展示在细胞表面作为抗原

时间特性

• mRNA的瞬时性：
  • 在体内仅存留短暂时间
  • 动物研究表明：含Moderna SARS-CoV-2疫苗相同LNP的mRNA在3天后即不可检测
• 抗原蛋白：也只存在有限时间

接种策略

• 单次暴露可能不足以产生强免疫反应
• 需要初次接种（prime dose）和后续加强针（booster doses）
• 这与大多数传统疫苗类似

mRNA疫苗的特殊优势

多重化能力（Multiplexing）

• 核心特点：可在一个疫苗中组合多种不同mRNA
• 应用场景：
  • 当抗原是多蛋白复合物时特别有用
  • 案例：巨细胞病毒（CMV）的关键抗原由5个不同亚基组成
  • 可将编码这5个亚基的mRNA组合成单一疫苗
  • 使APCs能生产完整的五聚体抗原复合物
  • 产生的免疫反应比单个亚基更强
    

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组合疫苗的开发

1. 多病原体防护

• 可在一个疫苗中组合针对多种病原体的mRNA
• 案例：SARS-CoV-2二价疫苗
  • 包含两种mRNA序列
  • 同时防护原始毒株和新出现的变异株

2. 未来愿景

• 开发针对多种病毒的联合疫苗
• 示例：呼吸道联合疫苗（针对RSV、SARS-CoV-2和季节性流感）
  

多重化疫苗的配方策略

1. 配送机制

• 无需每个LNP包含所有mRNA
• 不同mRNA按预定比例混合后随机装入LNP
  

2. 剂量考量

• mRNA效力（Potency）：不同抗原的免疫原性不同，所需mRNA量也不同
• LNP容量限制：
  • 单个LNP只能容纳少量mRNA分子
  • 但单剂疫苗包含数万亿个LNP
  • 每个APC可摄取数十至数百个LNP

3. 关键限制因素

• 理论上限：无mRNA种类数量限制
• 实际限制：脂质纳米颗粒的最大耐受剂量（MTD）
  • 随着mRNA种类增加，每种mRNA的剂量必须减少
  • 限制因素不是包装能力，而是每种mRNA需要达到有效免疫反应的最低剂量

4. 研发挑战

• 需要大量研究确定最佳mRNA比例
• 确保对每种抗原都能产生适当的免疫反应

生产效率革命

传统疫苗生产的资源消耗

• 鸡蛋法流感疫苗：
  • 每年仅美国就需要超过1亿枚鸡蛋
  • 需要大量鸡只、饲养空间和能源
  • 孵化环境需严格控制温湿度
• 细胞培养法疫苗：使用大型生物反应器和组织培养细胞

mRNA疫苗的生产优势

• 资源效率：
  • 1亿剂mRNA疫苗无需任何鸡只或鸡蛋
  • 只需10-20个大规模生化反应
  • 设备大小不超过大型冰箱
• 关键优势：无需动物或动物产品

生产速度对比

疫苗类型	生产时间
mRNA疫苗	42天（Moderna SARS-CoV-2疫苗案例）
鸡蛋法流感疫苗	5-7个月

遗传漂变问题

传统流感疫苗的风险

1. 时间差漂变：
   • 流感病毒变异迅速
   • 从开始生产到接种期间，流行毒株基因可能发生显著变化
2. 鸡蛋内漂变：
   • 在鸡蛋中生长的活病毒可能发生遗传变异
3. 后果：
   • 双重漂变导致疫苗有效性降低
   • 年度有效率在40%-60%之间波动

mRNA疫苗的优势

• 无遗传漂变可能
• 生产周期短：能更好地匹配接种时的流行病毒变异株

mRNA疫苗的全球生产潜力与现存挑战

潜在优势：更高的有效性

mRNA疫苗相比现有标准可能最终实现更高的有效性，主要得益于其快速生产和避免遗传漂变的能力。

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革命性的分布式生产模式

1. 全球化制造网络

• mRNA序列本质上是可数字化存储和即时传输的"字母串"
• 一旦确定最优序列，可发送到全球小型生产基地进行本地化生产和分发
  

2. 标准化生产

• 原料统一性：
  • 所有mRNA都由相同的四种基本单元构成
  • 不同序列的mRNA生产所需材料相同
• LNP配方通用性：
  • 脂质纳米颗粒的成分和制备工艺与所包裹的mRNA序列无关
    

3. 战略优势

• 疫情响应：使地方公共卫生部门能快速应对新疫情
• 防控效果：有助于遏制新型传染病的局部传播，降低全球大流行风险

4. 当前布局

• mRNA疫苗生产设施已遍布除南极洲外的所有大陆
• 正在开发集装箱式移动工厂，可随时部署到世界任何地方
• 未来可能实现台式设备生产
  

现存挑战：稳定性问题

1. mRNA的脆弱性

• 化学特性：RNA分子容易断裂降解
• 温度依赖性：降解速率随温度升高而加快
  

2. 冷链要求

• 早期限制：原始SARS-CoV-2疫苗需超低温运输储存
• 现实问题：
  • 维持冷链非常昂贵
  • 通常仅限于富裕和人口密集地区
  • 在正常情况下不可取

3. 技术进步

• 稳定性提升：自首批疫苗分发以来，制造商已显著减缓了mRNA失活的化学反应
• 最新进展（截至2024年中）：
  • Moderna更新版SARS-CoV-2疫苗可在冰箱中储存长达一个月
• 其他保存方法：
  • 冻干法（Lyophilization）：将疫苗冷冻干燥成粉末状，大幅提高稳定性
    

创新递送方式

1. 微针贴片

• 形式：含mRNA疫苗的固体微针阵列
• 优势：
  • 可在室温下储存
  • 易于全球运输
  • 使用简单：像创可贴一样贴于皮肤
• 递送深度：仅穿透至皮肤真皮层，不进入肌肉

2. 真皮递送的优势

• 免疫富集区：真皮层含有比骨骼肌更多的抗原呈递细胞（朗格汉斯细胞）
• 效果：皮内给药能以更小剂量产生更强的免疫反应

3. 黏膜递送

• 对通过黏膜途径（如呼吸道）入侵的病原体，向相关黏膜组织递送疫苗可刺激更强的黏膜免疫
• 正在开发可递送到呼吸系统等黏膜系统的mRNA疫苗

治疗性mRNA药物

mRNA在癌症治疗中的应用：个体化新抗原疗法知识总结

癌症的发生机制

• 细胞失控增殖：当体内某个细胞的DNA积累足够多的突变后，它将不再响应正常的生长调控信号。
• 肿瘤形成与发展：
  • 该细胞开始异常分裂和增殖，导致肿瘤形成。
  • 随着肿瘤细胞不断分裂，进一步突变使其能够侵入周围组织。
  • 若未及时治疗，原发肿瘤的部分细胞可能迁移至身体其他远端部位，发展为转移性癌症。

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免疫系统对癌症的监控作用

• 细胞毒性T细胞的关键角色：

  • 细胞毒性T细胞不仅识别并清除病毒感染的细胞，也持续巡逻身体以发现并消灭潜在癌变的自身细胞。

• MHC-I分子的作用机制：

  • 除红细胞外，人体每个细胞表面都表达约10万个主要组织相容性复合体I类蛋白（MHC-I）。
  • MHC-I的功能是展示细胞内合成的各种蛋白质片段，如同“身份徽章”，证明这些蛋白属于正常自体成分且功能正当。

• 非自体蛋白的识别：
  • 细胞毒性T细胞会持续监测这些“身份卡”上的蛋白片段，寻找来自非自体蛋白的迹象。
  • 非自体蛋白包括外来病原体蛋白、发生突变的自体蛋白或任何异常存在的蛋白。
  • 一旦检测到非自体蛋白，呈递该信息的细胞就会被标记为清除目标——因此称为“细胞毒性”T细胞（cytotoxic = 对细胞有毒）。

肿瘤突变与新抗原（Neoantigens）

• 突变数量：
  • 尽管通常需要1–10个关键驱动突变即可引发癌症，但大多数肿瘤含有超过10,000个所谓的“体细胞突变”（non-germline mutations）。
• 新抗原的来源：
  • 这些突变源于DNA复制和细胞分裂过程中的错误。
  • 大多数突变并不直接参与癌症的发展，但部分突变可导致产生全新的蛋白或改变原有蛋白的氨基酸序列。
  • 这些突变产生的独特蛋白仅存在于癌细胞中，被称为新抗原（neoantigens），因其既“新”又“非自体”而被免疫系统识别。
• 免疫识别机制：
  • 当新抗原片段通过MHC-I呈递时，其“身份卡”显示“我不属于这里”，从而触发免疫攻击。

个体化新抗原疗法（Individualized Neoantigen Therapies, INTs）

又称个性化癌症疫苗，旨在利用患者的特异性体细胞突变训练免疫系统识别其独有的癌细胞。

开发流程

1. 基因测序分析：
   • 对患者肿瘤活检样本和血液样本进行深度全基因组测序。
2. 新抗原筛选：
   • 通过生物信息学分析识别哪些突变会产生新抗原，并预测哪些最有可能在MHC-I上呈现为可识别的肽段。
3. mRNA设计与制造：
   • 设计编码一个或多个新抗原肽段的mRNA序列。
   • mRNA通常编码一条长多肽链，在抗原呈递细胞内被切割成小片段用于呈递。
4. 制剂与质控：
   • 将mRNA封装进脂质纳米颗粒（LNP），完成必要的安全性和质量控制测试。
5. 临床使用：
   • 整个过程从采样到成品交付可在一个半月内完成，速度极快。
   • 治疗方式为多次肌肉注射，间隔数天至数周，以激活强烈的细胞毒性T细胞反应。

免疫原性mRNA药物（Immunogenic mRNA Medicines）

• 包括：
  • 预防性mRNA疫苗（如新冠疫苗）
  • 个体化新抗原疗法（INTs）
• 共同目标：激发适应性免疫应答
  • 前者针对外来病原体
  • 后者针对体内已存在的癌细胞

✅ 两者均属于“免疫原性mRNA药物”类别。

非免疫原性mRNA药物：蛋白替代疗法知识总结

• 非免疫原性mRNA药物*（Non-immunogenic mRNA Medicines）。 与旨在激活适应性免疫系统的预防性疫苗或癌症疫苗不同，这类疗法的目标是直接补充缺失的功能性蛋白，用于治疗遗传性疾病等现有疾病，而不依赖于免疫反应。

一、先天性代谢疾病

1. 代谢通路与酶的作用

• 人体内存在复杂的生化反应网络，维持生命活动（如能量获取、合成脂肪和蛋白质）。
• 每个化学反应由一种特定的酶（蓝色标注在代谢图中）催化完成。
• 酶的本质是蛋白质。

2. 先天性代谢疾病

• 定义：由于基因突变导致某一关键代谢酶缺失或功能异常。
• 发病率：约每千名新生儿中有1人患有此类疾病。
• 种类：数百种不同的先天性代谢病，取决于受影响的酶或通路。
• 治疗困境：
  • 大多数代谢酶为细胞内蛋白，无法通过体外注射蛋白药物有效递送至目标细胞内部。
  • 过去只能进行症状管理，缺乏根本性治疗方法。

mRNA疗法提供新希望：将编码正确酶的mRNA送入患者细胞，让其自主生产所需蛋白。

3、案例：冯格里克病（Von Gierke Disease）

疾病机制

• 又称糖原贮积病I型（GSD I），因缺乏葡萄糖-6-磷酸酶（Glucose-6-phosphatase）引起。
• 该酶主要在肝脏表达，负责在禁食期间释放储存的糖分以维持血糖稳定。

临床表现

• 患者无法耐受禁食，必须持续摄入碳水化合物。
• 夜间需每隔几小时醒来食用生玉米淀粉。
• 即使严格饮食控制，仍面临多种长期并发症（如肝肿大、高尿酸、肾损伤等）。

二、mRNA蛋白替代疗法

1. 治疗原理

使用mRNA作为“指令”，指导患者自身细胞（尤其是肝细胞）合成缺失的酶，实现功能性补偿。

2. 关键技术参数对比

特征	mRNA疫苗（免疫原性）	蛋白替代疗法（非免疫原性）
目标	激活免疫系统	补充功能性蛋白
剂量	微克级（μg）	毫克级（mg），高出上千倍
给药途径	肌肉/皮内注射	静脉输注（系统性递送）
细胞靶向	抗原呈递细胞（APCs）	肝细胞等特定组织细胞
给药频率	初始+加强针（有限次）	慢性重复给药（长期维持）
mRNA半衰期	数天至一周

⚠️ 尽管剂量远高于疫苗，但所需mRNA总量仍远小于体内天然存在的数克mRNA总量，安全性可控。

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3. 递送系统创新：可重复给药的LNP

• 挑战：传统脂质纳米颗粒（LNP）在多次静脉注射后可能引发免疫反应或肝毒性，限制长期使用。
• 突破：2018年Moderna科学家发表研究，展示了可支持重复静脉给药的新型LNP设计。
• 意义：
  • 实现高效肝细胞摄取；
  • 支持长期、安全的慢性治疗；
  • 推动mRNA技术从短期疫苗向慢性遗传病治疗拓展。

三、mRNA其他应用方向：膜蛋白缺陷疾病

案例：囊性纤维化（Cystic Fibrosis, CF）

• 最常见致死性遗传病（欧洲裔人群）。
• 病因：CFTR蛋白（一种跨膜离子通道）功能缺陷 → 细胞膜盐水平衡失调。
• 后果：产生浓稠黏液，严重影响肺部、胰腺等多个器官，尤以呼吸系统最为严重。

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四、mRNA在再生医学中的应用

核心理念

利用mRNA短暂表达关键信号蛋白，启动内源性修复机制，引导干细胞分化为所需组织类型。

特点

特征	说明
作用时间	短暂（数小时至几天）
作用范围	高度局部化
给药频率	单次或少数几次注射即可
无需长期表达	仅需“点燃”修复级联反应

正在探索的应用案例

1. 促进心脏血管新生

   • 目标：治疗缺血性心脏病。
   • 方法：在开胸手术期间向心肌注射编码VEGF（血管内皮生长因子）的mRNA。
   • 机制：刺激新血管生成，改善血液供应。

2. 修复受损肌肉

   • 适应症：压力性尿失禁（因盆底肌损伤引起）。
   • 方法：将编码特定生长因子的mRNA注射到尿道括约肌周围受损肌肉中。
   • 效果：促进肌肉再生与功能恢复。

🔬 所有再生类mRNA疗法目前均处于早期研发阶段（临床前或早期临床），但已有数据表明其具有显著修复潜力。

五、mRNA作为“体内制药工厂”：分泌蛋白的生产

背景回顾（模块2）

传统生物药多为注射用预制成蛋白，如：

• 胰岛素（糖尿病）
• 凝血因子（血友病）
• 单克隆抗体（癌症、自身免疫病）
  

mRNA的新角色

让人体自身成为“生物反应器”，按需生产这些治疗性蛋白。

案例：mRNA编码单克隆抗体（mAb）

• 2021年Moderna研究突破：

  • 使用LNP递送编码中和抗体的mRNA；
  • 抗体靶向鸡痘病毒（模型验证）；
  • 注射后数小时内即可在体内检测到功能性抗体表达。

• 治疗意义：

  • 可用于已发生的病毒感染治疗（被动免疫）；
  • 相比传统抗体输注，生产更快、成本更低、更易应对变异株。

• 局限性：

  • 抗体半衰期仅10–21天 → 保护期较短；
  • ❌ 不能替代疫苗（疫苗诱导长期免疫记忆）。

其他正在开发的分泌蛋白类别

类别	示例	潜在应用
细胞因子	IL-2, IFN-α	癌症免疫治疗
激素	生长激素、胰岛素样因子	内分泌疾病
免疫调节蛋白	CTLA4-Ig, TNF受体	自身免疫病（如类风湿关节炎）
酶类	溶酶体酶	溶酶体贮积症

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六、总体发展现状与前景展望

当前状态（截至2024年中）

• 尚无任何mRNA治疗剂完成全部三期临床试验并获得监管批准。
• 多个候选产品处于I/II期临床试验阶段，涵盖：
  • 遗传病（如GSD I、CF）
  • 癌症个体化疫苗
  • 心血管修复
  • 免疫调节

投资与研发热度

• 全球多家制药公司（Moderna、BioNTech等）及学术医疗机构正大力投入资源。
• 推动方向包括：
  • 提高LNP靶向性（肝外组织）
  • 延长蛋白表达时间
  • 实现可控释放
  • 开发冻干、微针、吸入等便捷剂型

总结：mRNA药物三大应用范式

类别	代表应用	是否激活免疫系统	给药特点
免疫原性mRNA药物	新冠疫苗、个性化癌症疫苗	是	刺激T/B细胞应答，预防或清除病原体/癌细胞
非免疫原性mRNA药物	冯格里克病、囊性纤维化	否	补充缺失蛋白，纠正代谢或结构缺陷
再生与分泌蛋白mRNA药物	VEGF促血管生成、mAb生产	否	启动修复程序或作为“体内药厂”

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结语：mRNA医学的未来

• 我们正站在一场医疗革命的起点。

• mRNA技术已从新冠疫情中的“救星疫苗”，迅速拓展为涵盖以下领域的下一代生物医药平台

• 恭喜完成《mRNA作为药物》课程！愿你继续关注这一激动人心的领域，在科学进步的浪潮中见证更多奇迹诞生。