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mRNA疫苗:癌症免疫治疗新时代的曙光

更新时间:2022-08-10点击次数:1108

肿瘤免疫治疗旨在激活宿主的抗肿瘤免疫,形成肿瘤抑制微环境,最终实现消除肿瘤,提高患者的整体生存率。肿瘤疫苗是一种很有前途的抗肿瘤免疫治疗手段。针对肿瘤相关抗原(TAAs)或肿瘤特异性抗原(TSAs)的疫苗可以特异性攻击和摧毁这些抗原高水平表达的恶性肿瘤细胞,并通过免疫记忆实现持续的肿瘤杀伤。因此,与其他类型的免疫治疗相比,癌症疫苗理论上可以提供特异、安全和耐受性良好的治疗效果。

基于mRNA的核酸疫苗是在30多年前提出的,mRNA疫苗比传统疫苗有许多优点:与某些病毒疫苗不同,mRNA不会整合到基因组中,从而避免了对插入突变的担忧;mRNA疫苗可以以无细胞的方式制造,从而实现快速、经济、高效的生产。此外,单个mRNA疫苗可以编码多种抗原,增强针对适应性病原体的免疫反应,并能够以单一配方针对多种微生物或病毒变体。

mRNA疫苗是一类重要的癌症疫苗,能够编码和表达TAA、TSA及其相关细胞因子。mRNA癌症疫苗可以刺激体液免疫和细胞免疫,提高这些疫苗对不同疾病和患者的适应性。目前,多种mRNA癌症疫苗正在临床中进行开发,为癌症免疫治疗带来新的曙光。


mRNA疫苗制备策略


体外转录(IVT)mRNA模拟内源性mRNA的结构,有五个部分,从5ʹ到3ʹ包括:5ʹcap,5ʹ非翻译区(UTR),一个编码抗原的开放阅读框,3ʹUTR和一个PolyA尾。图片

与天然真核mRNAs一样,5′端帽结构包含一个7-甲基鸟苷核苷,5′端结构会在空间上保护mRNA不被核酸外切酶降解,并与翻译起始因子蛋白协同工作,招募核糖体以启动翻译。PolyA尾的长度间接调节mRNA翻译和半衰期。

编码区两侧的5′和3′UTR调节mRNA翻译、半衰期和亚细胞定位,来自高表达基因(如α-和β-珠蛋白基因)的天然UTR是合成mRNAs的选择。此外,UTR可根据细胞类型进行优化,如通过去除3′UTR中的miRNA结合位点和富含AU的区域,将mRNA降解降至

mRNA疫苗的开放阅读框是最关键的组成部分,尽管开放阅读框不像非编码区那样具有可塑性,但可以通过优化密码子,从而在不改变蛋白质序列的情况下增加翻译。例如,CureVac AG公司发现人类mRNA密码子很少在第三位有A或U,从而用G或C替换开放阅读框第三位的A或U。并将此优化策略用于其SARS-CoV-2疫苗CVnCoV,目前正处于III期试验阶段。

为了翻译,mRNA序列通常包含修饰的核苷,例如假尿苷、N1-甲基假尿苷或其他核苷类似物。修饰核苷的使用,特别是修饰尿苷,阻止了模式识别受体的识别,保证了翻译过程产生足够水平的蛋白质。Moderna和Pfizer–BioNTech SARS-CoV-2疫苗都含有核苷修饰。另一种避免模式识别受体检测的策略,使用序列工程化和密码子优化,通过提高疫苗mRNA的GC含量来消耗尿苷。

除了mRNA序列的改进外,在简化mRNA生产方面也取得了重大进展。临床上使用的合成mRNA通过使用噬菌体RNA聚合酶T7(也可以使用T3和SP6聚合酶)从DNA质粒在体外转录。另外,使用CleanCap的共转录封盖技术,简化了纯化步骤。


mRNA递送系统


由于mRNA较大(104–106Da)且带负电,因此无法通过细胞膜的阴离子脂质双层。此外,在体内,它会被先天免疫系统的细胞吞噬,并被核酸酶降解。因此,体内应用需要使用mRNA递送载体,该载体转染免疫细胞而不会引起毒性或不必要的免疫原性。目前,已经为此开发了许多基于创新材料的解决方案。

脂质纳米颗粒(LNP)

脂质纳米颗粒是临床上先进的mRNA载体。截至2021年6月,所有正在研制或批准临床使用的SARS-CoV-2 mRNA疫苗均采用LNPs。LNP为mRNA递送提供了许多好处,包括制剂简单、模块化、生物相容性和较大的mRNA有效载荷容量。除RNA药物外,LNP通常包括四种成分,可电离脂质、胆固醇、辅助磷脂和聚乙二醇化脂质,它们共同封装和保护脆弱的mRNA。

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可电离脂质与mRNA在酸性缓冲液中形成纳米颗粒,使脂质带正电荷并吸引RNA。此外,它们在内涵体的酸性环境中带正电荷,这促进了它们与内涵体膜的融合,将其释放到细胞质中。

DODAP和DODMA是第一种用于RNA输送的可电离脂质。通过设计提高DODMA的功效,产生了DLin-MC3-DMA。这是第一个FDA批准的药物制剂中使用的可电离脂质:siRNA药物patisiran(Onpattro)。除了有效且安全地递送siRNA外,DLin-MC3-DMA还用于mRNA的递送。

目前,学术界和工业界的许多团体使用组合反应方案来合成潜在的传递材料,这种方法产生了许多有效的脂质,包括C12-200、503O13、306Oi10、OF-02、TT3、5A2-SC8、SM-102(用于抗SARS-CoV-2的Moderna疫苗mRNA-1273)和ALC-0315(用于辉瑞疫苗BNT162b2)。

除了寻求提高疗效外,人们越来越关注提高药物的特异性,特别是对疫苗和免疫疗法的特异性。含有多环金刚烷尾的脂质11-A-M58,和含有环咪唑头的脂质93-O17S59,已被设计用于体内靶向T细胞。尽管机制尚不清楚,但这些脂质的环状基团对于靶向T细胞至关重要。

尽管电离脂质可以说是LNP最重要的成分,但其他三种脂质成分(胆固醇、辅助脂质和聚乙二醇化脂质)也促进了纳米粒子的形成和功能。胆固醇是一种天然存在的脂质,它通过填充脂质之间的空隙来增强纳米颗粒的稳定性,并有助于在摄取到细胞的过程中与内涵体膜融合。

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辅助脂质通过促进有助于膜与内涵体融合的脂质相变来调节纳米颗粒的流动性并增强功效。最佳辅助脂质的选择取决于可电离脂质材料和RNA载体。例如,对于类脂质材料,饱和辅助脂质(如DSPC)适合传递短RNA(如siRNA),而不饱和脂质(如DOPE)适合传递mRNA 。DSPC已被用于FDA批准的SARS-CoV-2疫苗mRNA-1273和BNT162b2中。

LNPs的聚乙二醇化脂质成分由聚乙二醇(PEG)与锚定脂质(如DMPE或DMG)结合而成。亲水性PEG可以稳定LNP,通过限制脂质融合调节纳米颗粒大小,并通过减少与巨噬细胞的非特异性相互作用增加纳米颗粒半衰期。mRNA-1273和BNT162b2 SARS-CoV-2疫苗均含有聚乙二醇化脂质。

聚合物和聚合物纳米颗粒

尽管临床进展不如LNP,但聚合物具有与脂质相似的优势,能够有效传递mRNA。阳离子聚合物将核酸浓缩成具有不同形状和大小的复合物,可通过内吞作用进入细胞。

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聚乙烯亚胺是研究广泛的核酸传递聚合物。尽管其功效,但由于其高电荷密度,其毒性限制了应用。此外,已经开发出几种毒性较小的可生物降解聚合物。例如,聚(β-氨基酯)在mRNA传递方面表现出色,尤其是对肺。

最近开发出了一种新型的含脂聚合物,称为电荷改变可释放转运体(CARTs),它能有效地靶向T细胞,操纵T细胞是非常困难的,因此,CART 是一种吸引力的传递材料,在mRNA疫苗和基因治疗领域具有巨大潜力。

其他递送系统

除了脂质和聚合物载体外,肽也可以将mRNA传递到细胞中,这要归功于其主链和侧链中的阳离子或两亲胺基(例如精氨酸),这些阳离子或两亲胺基与mRNA静电结合并形成纳米复合物。例如,含有重复的精氨酸-丙氨酸-亮氨酸-丙氨酸(RALA)基序的膜融合细胞穿透肽。

富含精氨酸的鱼精蛋白肽在中性pH下带正电荷,也可以浓缩mRNA并促进其传递。鱼精蛋白与mRNA复合物激活识别单链mRNA的Toll样受体(TLR7,TLR8)通路,因此,它还可以作为疫苗或免疫治疗应用的佐剂。CureVac AG正在评估一种含有鱼精蛋白的递送平台RNActive,用于黑色素瘤、前列腺癌和非小细胞肺癌的临床试验。

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最后,基于角鲨烯阳离子纳米乳液也可以传递mRNA,这些纳米乳剂由油性角鲨烯核组成。一些角鲨烯制剂,如诺华的MF59,在FDA批准的流感疫苗中用作佐剂。MF59使注射部位的细胞分泌趋化因子,从而招募抗原呈递细胞,诱导单核细胞分化为树突状细胞,并增强抗原呈递细胞对抗原的摄取。角鲨烯基阳离子纳米乳剂从内涵体逃逸并将mRNA输送到细胞质中的机制尚不清楚。


mRNA疫苗的免疫作用


在注射mRNA癌症疫苗后,mRNA编码的蛋白质由核糖体合成,然后翻译后修饰以产生正确折叠的功能蛋白质,并呈现给免疫系统。该过程类似于RNA病毒感染和连续诱导保护性免疫反应的自然过程。外源mRNA进入细胞质导致与内源性mRNA类似的反应。

诱导先天免疫反应

宿主免疫系统通过PRRs检测病原体相关分子模式(PAMP)激活固有免疫反应。注射疫苗后,mRNA和传递系统成分将通过一系列PRR识别为外源性物质,导致Toll样受体(TLR)的激活,例如主要在抗原呈递细胞(APC)上表达的TLR3、TLR7和TLR8。外源性IVT mRNA可被细胞膜、内体以及细胞质中的各种PRR识别,并在刺激内源性免疫反应中发挥作用。

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IVT mRNA的免疫原性主要由TLR7和TLR8介导。TLR7由B细胞、巨噬细胞和树突状细胞表达,并介导识别单链RNA(ssRNA)的过程。在细胞质中,其他一些PRR可以感应不同类型的RNA,例如dsRNA和ssRNA。

在非免疫细胞中,细胞质维甲酸诱导基因I样受体(RLR)和黑色素瘤分化相关基因5(MDA5)感应外源mRNA并调节细胞因子和趋化因子的产生,导致天然免疫细胞募集到mRNA注射部位。

诱导适应性免疫反应

mRNA疫苗接种后,编码的蛋白质将被翻译并呈递给免疫系统,并刺激适应性免疫。mRNA编码的蛋白质通过内吞或吞噬作用被APC吸收,它们可能形成吞噬小泡或含有抗原蛋白的内体,抗原蛋白通过树突状细胞上的主要组织相容性复合体呈递。

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mRNA癌症疫苗通常编码在癌细胞上表达的TAA。这些TAA可进一步分为组织分化抗原(如MART-1)、肿瘤生殖系抗原(如NY-ESO-1或MAGE-3)、肿瘤细胞过表达的正常蛋白(如EGFR、MUC1、Her2/neu)、病毒蛋白(如EBV、HPV)和肿瘤特异性突变抗原(MUM-1、β-catenin或CDK4)。此外,体细胞突变可能产生新抗原表位,码新抗原的mRNA疫苗被认为是最佳的候选癌症疫苗。

除了诱导T细胞免疫外,mRNA疫苗还诱导中和抗体。滤泡辅助性T细胞(Tfh)不仅对生发中心的发育至关重要,而且还驱动免疫球蛋白样转化、亲和力成熟和持久的B细胞记忆反应。这些细胞可以被mRNA疫苗激活,产生足够数量有效和持久的中和抗体。


mRNA癌症疫苗的临床开发


基于IVT mRNA的疫苗正在逐步开发,用于多种肿瘤治疗。目前,mRNA癌症疫苗根据最终产品类型可以分为编码TAATSA、细胞因子和抗体的癌症疫苗。

编码TAAs 的mRNA疫苗

在多项临床试验中,NY-ESO-1、酪氨酸酶、MAGE-A3、MAGE-C2和TPTE已被用作黑色素瘤mRNA疫苗的TAA。

BNT111是一种BioNTech FixVac平台开发癌症疫苗,该平台利用TAA的固定组合,旨在触发针对癌症的强大而精确的免疫反应。2021年底,FDA批准了BNT111快速通道资格,这是一种治疗晚期黑色素瘤的新型癌症免疫疗法,目前BNT111正在两项临床试验中进行研究。一项I期试验(NCT02410733)的中期分析报告表明,BNT111是有效的免疫疗法。随后的II期试验(NCT04526899)研究BNT111单独或与抗PD-1抗体cemiplimab联合的安全性和有效性。

CV9201CV9202是两种针对非小细胞肺癌中表达的靶抗原的mRNA疫苗。临床试验(NCT00923312、NCT01915524、NCT03164772)表明,这两种疫苗耐受性良好,治疗后可以检测到免疫反应,从而支持在非小细胞肺癌中的进一步临床研究。

编码TSA的mRNA疫苗

编码多种突变抗原的mRNA疫苗是治疗突变诱发的恶性肿瘤的理想疫苗,这种类型的癌症疫苗进行的临床试验最多。随着下一代测序技术的发展,可以生产编码突变抗原的个性化mRNA癌症疫苗,这种个性化的癌症疫苗具有非常诱人的前景。

两种个性化mRNA癌症疫苗目前正在进行二期临床试验,即Moderna的mRNA-4157和BioNTech的BNT122(RO7198457)。mRNA-4157在单个mRNA分子上特异性筛选和编码20-34个新抗原,这取决于患者的癌症突变。一期试验(NCT03313778)的中期数据表明,mRNA-4157单药治疗或与PD-1抑制剂Keytruda联合治疗在所有测试剂量下都具有良好的耐受性,并引发新抗原特异性T细胞反应。该疫苗目前正在黑色素瘤患者进行二期临床试验(NCT03897881)。BioNTech 的BNT122已经探索了与PD-L1抗体联合治疗的有效性和安全性,在黑色素瘤、非小细胞肺癌和大肠癌的II期临床试验已于2021上半年启动。

mRNA编码免疫刺激剂

理论上,mRNA癌症疫苗可以编码任何蛋白质,包括免疫刺激剂,其可以重塑肿瘤免疫微环境(TIME),克服肿瘤免疫耐受,这已成为mRNA肿瘤疫苗研究的一个重要方向。

在过去几年中,已经进行了编码细胞因子的mRNAs癌症疫苗的临床试验。目前,临床试验中只有七种候选产品,它们属于Moderna和BioNTech。2017年,Moderna开发了第一个表达mRNA编码的免疫刺激剂(mRNA-2416),其编码OX40L,一项1期临床试验(NCT03323398)评估了mRNA-2416单独和与durvalumab联合的安全性和耐受性。已有的数据表明,mRNA-2416单药在所有剂量水平下都是可耐受的,没有报告剂量限性,大多数相关不良事件为1级或2级。更重要的是,在PD-L1上调的时间内观察到广泛的促炎活性和有益的变化。目前,mRNA-2416瘤内注射已进入晚期卵巢癌的临床II期试验。

另一种mRNA疫苗mRNA-2752编码OX40L/IL23/IL36γ,早期的临床结果表明,mRNA-2752与抗PD-L1抗体durvalumab联合使用,在所有剂量下都具有良好的耐受性,并显示出抗肿瘤活性的迹象。

此外,BioNTech还开发了编码IL-12sc、IL-15sushi、GM-CSF和IFNα的BNT131,其作为单一疗法或与cemiplimab联合用于晚期实体瘤患者。


小结


几十年来,mRNA设计和核酸递送技术的进步,加上新抗原靶点的发现,使得mRNA疫苗成为对抗癌症的有力工具。mRNA疫苗的优势体现在mRNA癌症疫苗具有同时编码多种抗原的能力,以及非整合、高度降解和无插入突变潜力。IVT产生的mRNA不含细胞和致病性病毒成分,没有感染的可能性;在正在进行的临床试验中测试的大多数mRNA疫苗通常耐受性良好,注射部位特异性免疫反应很少。

快速生产是mRNA癌症疫苗的另一个优势,并且mRNA制造技术的成熟允许在短时间内生产新型疫苗。最近新抗原的发现和鉴定促进了个性化疫苗治疗的发展。BioNTech和Moderna进行的几项临床研究表明,在一些治疗多发性实体瘤的临床试验中,使用个性化疫苗具有强大的抗肿瘤免疫,开创了治疗性肿瘤疫苗的新时代。我们有理由认为,mRNA疗法将可能改变现代医学的疫苗接种方法以及癌症免疫疗法。






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