mRNA癌症疫苗的构建与优化，推动未来癌症治疗

癌症疫苗主要分为四大类，即细胞疫苗（如树突状细胞或T细胞疫苗）、病毒疫苗、细菌疫苗以及分子疫苗（DNA/mRNA的疫苗）。mRNA癌症疫苗的作用机制在于将编码肿瘤抗原的mRNA引入宿主细胞，尤其是到抗原呈递细胞（antigen-presenting cells，APC）的细胞质中，进而表达靶蛋白抗原。这些抗原随后在APC表面与MHC结合，从而触发免疫反应。本篇文章将向您介绍mRNA癌症疫苗的构建，以及通过mRNA结构修饰，增强mRNA的稳定性并提高其翻译效率。

图1. mRNA疫苗的优化

01 mRNA癌症疫苗的构建

有效的癌症疫苗需要抗原、佐剂和药物递送系统，mRNA癌症疫苗也不例外。选择具有高肿瘤特异性和安全性的抗原是至关重要的一步，这有助于在mRNA癌症疫苗中诱导强烈且受控的体液/细胞免疫反应。

肿瘤抗原可根据其表达水平、组织分布和中枢耐受状态分为肿瘤相关抗原（tumor associatedantigen, TAA）和肿瘤特异性抗原（tumor specifcantigens, TSA）。TAA通常是在肿瘤中高表达而在正常组织中低表达或无表达的非突变蛋白。这些抗原包括肿瘤细胞过表达的抗原（如Muc-1、EGFR、Her2/neu）、组织分化抗原（如AFP、CEA、MART-1）以及癌睾丸抗原（CTA，如GAGE、BAGE、NY-ESO-1、MAGE）。虽然编码TAA的mRNA癌症疫苗已在临床试验中广泛应用，但其疗效并不尽如人意。

与TAA相比，TSA在肿瘤细胞中特异性表达，在正常组织中不存在，因此具有更高的肿瘤特异性和更低的脱靶毒性。TSA被免疫系统识别为非自体，不受耐受性的影响，并且不易诱导自身免疫反应。这使得TSA成为基于mRNA的癌症疫苗的理想抗原。例如，一些致癌病毒（如EBV和HPV）的感染与多种癌症的发生密切相关。在一项研究中，研究人员开发了一种基于脂质的mRNA疫苗（LPX-mLMP2），用于传递EBV潜伏膜蛋白2（LMP2）靶向抗原。结果表明，该疫苗能够被APC有效吸收，并在脾脏中积累，促进DC的成熟，并刺激抗原特异性T细胞反应。此外，接种三次疫苗后肿瘤生长得到显著抑制。

癌细胞的遗传不稳定性导致了一些抗原表位的产生，这些被称为新抗原（neoantigen），是一种肿瘤特异性抗原。新抗原可分为共享抗原和患者特异性抗原两类。共享抗原常见于多种肿瘤类型中，不会出现在正常基因组中，通常是编码突变基因的蛋白质。一些新抗原也由移码突变产生或染色体易位形成。这些具有高免疫原性的共享新抗原可以筛选出来作为具有相同突变基因的患者的广谱治疗性癌症疫苗。

图2. mRNA疫苗运作示意图

（参考来源：www.livehealthy.muhealth.org）

患者特异性新抗原是通过肿瘤外显子组测序鉴定出的许多突变的产物，并且因患者而异。因此，由患者特异性新抗原制备的药物仅针对个体患者量身定制。一些编码新抗原的mRNA癌症疫苗已在临床中进行了研究，并显示出良好的T细胞免疫反应。然而，选择和鉴定新抗原既耗时又昂贵，并且患者病情的变化可能会影响疫苗的最佳治疗时机。因此，新抗原的进展直接影响mRNA新抗原疫苗的临床疗效，仍有待进一步提高。佐剂作为疫苗的另一个关键组成部分，能够增强抗原特异性免疫反应的程度和持续时间。然而，由于mRNA是大分子阴离子单链，对带负电的细胞膜的穿透性较差，且裸露的mRNA容易被胞外RNA酶降解，因此开发有效的载体来递送和保护mRNA至关重要。

02 优化mRNA的稳定性、翻译与免疫原性

mRNA具有激活先天免疫系统的能力，这得益于其被特异性模式识别受体（PRR）如Toll样受体（TLR）、视黄酸诱导基因I（RIG-I）样受体（RLR）和核寡聚化结构域样受体（NLR）所识别。这种激活有助于增强疫苗效果，起到佐剂作用，促进DC成熟和T细胞激活。然而，过量的先天免疫反应会损害mRNA的稳定性并抑制其翻译。因此，平衡mRNA的免疫原性至关重要。此外，mRNA的体外转录（IVT）过程可能产生双链RNA（dsRNA）等副产物，这些副产物会触发不希望的免疫反应并降低mRNA的稳定性。因此，纯化mRNA产物以去除这些副产物是非常关键的。

mRNA的5'帽和Poly(A)尾对其稳定性和翻译至关重要。5'帽，特别是天然的cap 1结构，有助于保护mRNA免受先天免疫系统的检测，并促进核糖体的有效识别和翻译起始。Poly(A)尾则通过增加mRNA的稳定性来提高翻译效率。理想的Poly(A)尾长度仍在研究中，但一般认为应在100-300个核苷酸之间。5'和3'非翻译区（UTR）也影响mRNA的稳定性和翻译。选择合适的UTR序列可以优化mRNA的表达。密码子优化是另一种提高mRNA翻译效率的策略，它涉及替换稀有密码子以适应宿主细胞的tRNA丰度。

核苷酸修饰是平衡mRNA免疫原性、稳定性和翻译效率的另一种方法。添加化学修饰的核苷酸，如假尿苷和甲基化胞嘧啶，可以降低mRNA的免疫原性，同时增加其稳定性和翻译效率。

最后，IVT mRNA的纯化是减少免疫刺激和提高mRNA稳定性的重要步骤。去除dsRNA等副产物可以防止不希望的免疫反应，并提高mRNA的翻译效率。新的纯化方法，如纤维素纯化，为高效、低成本地去除这些副产物提供了可能。

图3. 编码肿瘤抗原的mRNA 序列示意图

03 小结

尽管mRNA癌症疫苗在理论上具有巨大潜力，但在其开发上仍面临诸多挑战，包括mRNA的不稳定性、固有的免疫原性，以及体内有效递送的难题。随着技术的不断进步，通过mRNA结构修饰，可以增强mRNA的稳定性并提高其翻译效率，从而避免被RNA酶降解。同时，优化的纯化有助于防止mRNA受到RNA的污染，进而减少先天免疫系统的非特异性激活。此外，为了更有效地递送mRNA，研究人员研发出各种纳米递送系统，如脂质纳米颗粒（LNP）、聚合物和肽。mRNA疫苗正逐步成为有前景的癌症治疗候选者。

参考文献

Liu X, Huang P, Yang R, et al. mRNA Cancer Vaccines: Construction and Boosting Strategies[J]. ACS nano, 2023, 17(20): 19550-19580.