随着mRNA治疗平台的快速发展，特别是在疫苗开发和基因编辑领域，对高效、稳定的mRNA设计方法的需求日益增长。本文综合了两项研究：一是利用可扩展微折叠算法优化mRNA设计，二是结合mRNA疫苗与蛋白纳米颗粒技术开发新型疫苗。展示了如何利用计算设计和深度学习技术来优化mRNA疫苗和蛋白纳米颗粒疫苗的设计，以提高其稳定性、表达效率和免疫原性。
一 基于可扩展微折叠算法的mRNA设计方法
研究人员提出了一种基于可扩展微折叠算法的mRNA设计方法，该方法通过优化密码子适应性指数（Codon Adaptation Index, CAI）来提高mRNA序列的稳定性和表达效率。通过改进的算法，能够处理更长的序列，并优化复杂的目标函数，从而在性能上超越现有方法。
研究人员采用CAI作为衡量mRNA序列稳定性的关键指标。CAI优化的基本框架是通过调整密码子的使用频率，以提高mRNA的翻译效率和蛋白质的表达水平。
稳定性CAI优化的核心公式：
Ω(π∣α)=f(s(π), CAI(π∣α))
Ω：目标函数
π：潜在的mRNA序列
α：相应的氨基酸序列
s(π)：序列的稳定性
CAI(π∣α)：给定氨基酸序列的mRNA序列的适应性
CAI的计算方法：
fi: 序列中第 i个氨基酸的频率
max(fi) : 该氨基酸的最大频率。
分区函数与自由能：分区函数
用于描述序列 π的所有可能结构的统计权重，其中 E(s∣π)表示序列 π的结构自由能。
二 mRNA设计方法
图1：mRNA设计方法概述。该图说明了如何使用可微折叠算法作为深度学习管道中的一个模块，以优化概率核苷酸序列。显示了从目标蛋白质序列到优化的核苷酸序列的转变过程。
图2：时间和内存成本。该图展示了不同序列长度下优化的可微折叠算法的时间和内存成本。说明了随着序列长度的增加，时间和内存成本的增长情况。
图3：Mini GFP优化示例。该图通过Mini GFP的优化示例，展示了算法在优化过程中的收敛性。
三 蛋白纳米颗粒疫苗设计
另一项研究聚焦于计算设计的mRNA启动的蛋白纳米颗粒疫苗，特别是针对SARS-CoV-2的防护。通过计算优化，确保了纳米颗粒在真核细胞中的高效分泌和抗原性完整性，从而在小鼠模型中诱导出更高水平的中和抗体和T细胞免疫反应。
通过一系列实验，包括小鼠模型的免疫反应测试和不同SARS-CoV-2病毒变种的挑战实验，研究人员证明了新型疫苗在提高免疫反应和应对病毒变种方面的潜力。这些结果为未来的疫苗开发和疫情防控提供了新的方向。
图4. 纳米颗粒的设计、分泌及结构验证。展示了纳米颗粒的设计、分泌及结构验证，证明了纳米颗粒在细胞中的分泌和抗原完整性。
图5. 比较了不同疫苗接种后小鼠的抗体反应。结果表明mRNA启动的RBD纳米颗粒疫苗在抗体滴度和中和能力方面的优势。
图6. 展示了抗原特异性T细胞的响应情况。该图证明了mRNA启动的纳米颗粒疫苗在细胞免疫方面的强效性。
图7. 展示了不同疫苗组小鼠感染SARS-CoV-2后的保护效果。该图突出了mRNA启动的纳米颗粒疫苗在降低肺部病毒载量方面的效果。
图8. 展示了疫苗在面对Omicron BA.5变异株挑战时的保护效果。该图证明了其在降低肺部病毒载量方面的卓越能力。
结论
本文提出的计算设计和深度学习优化策略，为mRNA疫苗和蛋白纳米颗粒疫苗的开发提供了新的视角。未来的研究将进一步探索其他稳定性度量和更复杂的目标函数优化，以进一步提升疫苗设计的性能和应用范围。随着技术的不断进步，期待这些策略能够在未来的健康危机中发挥关键作用。
参考文献
Krueger R, Ward M. Scalable Differentiable Folding for mRNA Design[J]. 2024.
Hendricks G G, Grigoryan L, Navarro M J, et al. Computationally designed mRNA-launched protein nanoparticle vaccines[J]. bioRxiv, 2024: 2024.07. 22.604655.
延伸阅读
除mRNA疫苗外，多种正在研究和开发的疫苗技术：
重组蛋白疫苗：这类疫苗使用病原体的特定蛋白片段，通过基因工程在细胞或微生物中大量生产这些蛋白，然后纯化并用于疫苗制作。它们因其安全性、稳定性和易于生产而受到重视，目前有215种候选疫苗正在研发中，占比22%。
病毒载体疫苗：这类疫苗使用经过改造的病毒（不会引起疾病）作为载体，携带目标病原体的基因，进入人体细胞后产生病原体的蛋白，从而激发免疫反应。目前有133种候选疫苗正在研发中，占比14%。
灭活疫苗：通过杀死病原体来制作疫苗，使其不再具有感染性，但仍然能够激发免疫系统产生反应。这类疫苗是传统的疫苗技术，目前有220种候选疫苗正在研发中，占比23%。
减毒疫苗：这类疫苗使用减弱的病原体，它们足够强以激发免疫反应，但不足以引起疾病。这种疫苗可以提供长期的保护。
结合疫苗：这类疫苗通过将病原体的多糖与蛋白质结合，增强免疫反应，尤其是对婴幼儿和老年人的免疫系统。目前有109种候选疫苗正在研发中，占比11%。
DNA疫苗：这类疫苗使用含有病原体抗原基因的质粒DNA，通过肌肉注射进入人体后，人体细胞会摄取这些DNA并产生病原体的蛋白，从而激发免疫反应。
亚单位疫苗：这类疫苗只包含病原体的一部分，通常是其表面的某些特定蛋白，这些蛋白足以激发免疫反应。
病毒样颗粒（VLPs）疫苗：这类疫苗使用类似于病毒的颗粒，它们不含有病毒的遗传物质，因此无法复制，但外观和行为类似于病毒，能够激发强烈的免疫反应。
治疗性癌症疫苗：这类疫苗旨在通过增强患者自身的免疫系统来识别和攻击癌细胞，目前有多种治疗性癌症疫苗正在研发中，例如针对KRAS G12V突变的晚期实体瘤的mRNA疫苗。
HPV疫苗：针对人乳头瘤病毒（HPV）的疫苗，除了已经上市的二价、四价和九价疫苗外，还有更高价的HPV疫苗正在研发中，如十一价、十四价、十五价HPV疫苗。
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