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mRNA 疫苗研发质控新选择
新冠肺炎疫情下 mRNA 疫苗的研究现状
自 2019 年底武汉新冠病毒肺炎疫情发生至今，全球各国都在紧锣密鼓地展开新药和新冠疫苗的研发工作。创新疫苗的研发，成为承载人们厚望的快速利器。国内外有多家单位致力于 mRNA 疫苗的研发，目前，全球已有 2 款 mRNA 新冠疫苗投入大规模接种，分别是德国 BioNTech 与辉瑞研发的 BNT162b2 和美国 Moderna 公司研发的 mRNA-1273。在临床Ⅲ期实验中，这两种疫苗注射后的保护率达到 90% 以上。在国内，由斯微 (上海) 生物科技有限公司和同济大学附属东方医院合作研发的 mRNA 疫苗已进入Ⅰ期临床试验阶段。由沃森生物技术股份有限公司和江苏艾博生物科技有限公司合作研发的 mRNA 疫苗，预计会在下半年实现产品上市供货。据统计，全球共 17 家单位已进入/完成Ⅲ期临床。随着 mRNA 疫苗的依次上市，以及其日益凸显的优势，越来越多的企业加入到 mRNA 疫苗的研发当中。
疫苗的种类和特点
疫苗按其研发技术，目前主要可分为传统的灭活疫苗、减毒疫苗、基因重组蛋白疫苗、病毒载体疫苗以及创新型核酸疫苗（mRNA 疫苗和 DNA 疫苗）等五大类。它们各自存在优势和缺点。其中减毒疫苗是将毒性减弱但仍可刺激人体产生免疫性的活病毒，免疫效果好且持久，可产生细胞免疫和体液免疫，但研发的时间长，不适于应急；而灭活的疫苗相对于减毒疫苗更安全，但免疫效果弱，通常需要多次接种；重组蛋白疫苗是通过基因工程技术在体外表达与病毒蛋白相似的目标抗原，相对成熟且安全，但在体内持续激活免疫反应还需要额外的佐剂，佐剂的选择上也是比较困难的；病毒载体疫苗是由病毒载体携带目标抗原基因进入人体细胞，进行增殖，从而在体内产生抗原分子，可产生良好的体液免疫和细胞免疫应答，它属于新型的疫苗研发手段，目前已上市的产品相对较少，陈薇院士团队研制的埃博拉病毒疫苗即是采用腺病毒载体的方式获得。创新性核酸疫苗又分为 mRNA 疫苗和 DNA 疫苗，DNA 疫苗是将编码 S 蛋白的 DNA 直接注入人体细胞核内，利用人体细胞产生 S 蛋白，激活免疫反应，该技术免疫应答快，技术简单，但免疫原性不强，引入外源 DNA 存在安全争议；mRNA 疫苗是利用纳米脂质体等递送技术将体外转录好的一段编码抗原蛋白的完整 mRNA 递送至细胞内，从而翻译抗原蛋白，引发免疫反应。疫苗制备简单，并且 mRNA 不会感染或者整合进宿主基因组，因此不会带来感染或突变的风险。但目前的方案对于大规模生产来说还需进一步探索。
mRNA 疫苗的优势
目前 mRNA 疫苗是研究最热点的一项技术之一，从它本身的特性和引发的免疫反应等有利条件来看，mRNA 疫苗具有其它疫苗无法比拟的优势。与传统的重组蛋白疫苗、灭活疫苗和减毒疫苗相比，mRNA 疫苗的优势在于制备步骤简单、成本低、免疫反应强、免疫期长且安全性高。而且，mRNA 药物没有整合宿主基因组的风险，且会在体内自动降解，生产周期仅需要一个月左右，这对于传染性疾病，如近年高发的新冠肺炎的控制有着重大意义，Moderna 公司在 COVID-19 的基因序列公布的第三天就完成了 mRNA 疫苗序列的研究工作，其研发的 mRNA-1273 疫苗是最早进入临床试验的新冠疫苗之一。考虑到新冠病毒的变异性和保护期 mRNA 新冠疫苗将持续为全球 mRNA 药物市场规模增长带来动力。另外，RNA 疫苗在非感染性疾病，如肿瘤治疗领域也发挥着重要的作用。
mRNA 疫苗的作用机理及挑战
mRNA 是由 DNA 作为模板转录而来，携带有遗传信息并指导蛋白质合成的一类单链核糖核酸，mRNA 疫苗的作用机理是将带有抗原基因的 mRNA 片段注入宿主细胞，受注射细胞的转录系统自行合成并表达抗原蛋白，该蛋白质或者被细胞蛋白酶体分解成较小的片段 (多肽)，或者通过高尔基体转运到细胞外部。在细胞内酶解的抗原多肽片段与主要组织相容性复合物 (MHC) I 类蛋白形成复合体，表达抗原递呈细胞表面上，被 CD8+ T 细胞识别从而诱导细胞免疫。细胞外的刺突蛋白可被不同的免疫细胞吞噬、胞饮并被分解成较小的多肽片段，与 MHC II 类蛋白形成复合物，表达抗原递呈细胞表面上，被 CD4+T 细胞识别，并促进 B 细胞产生抗原特异性抗体。
理论上，mRNA 拥有合成任意一种蛋白的潜能，但由于 mRNA 易降解，需选择合适的给药方式，使其以更小的剂量、更少的副作用，激发起更大的免疫效果。并且递送需要用脂质纳米颗粒（LNP）提供保护，将其安全递送至人体细胞。这些对于科学家来说都是极大的挑战。在解决 mRNA 的稳定性和递送问题后，mRNA 将有可能作为蛋白质补充或替代疗法治疗其他多种疾病，同时，对于传统疫苗无力应对的多种新型病毒、癌症、代谢性疾病等，mRNA 疫苗均有巨大的应用潜力。
mRNA 疫苗的缺陷与合成质控的把关
当然，mRNA 疫苗也有一定缺陷，一是 mRNA 不稳定，注射之后也容易被细胞分解；二是 mRNA 合成过程中容易产生双链 RNA，这种杂质会引发强烈的免疫反应，使疫苗还没来得及发挥作用就被细胞清除。近年来随着 mRNA 合成、化学修饰和递送技术的发展，mRNA 的稳定性和翻译效率大幅提高，但是 mRNA 疫苗效率的第一步保障仍然是对 mRNA 合成质量的严格把控。对此，传统核酸电泳法相对粗糙，且容易使 mRNA 降解，而使用 Qsep 系列全自动核酸片段分析仪（图 1）对其进行核酸片段分布分析，可以快速高效地完成 mRNA 样本检测（图 2），峰型图谱可以帮助我们一目了然地了解当下样本的质量情况，如图 2（a）是主带完整，几乎无降解的 mRNA，图 2（b&c）是降解严重或者合成有问题的 mRNA 样本，该设备软件还具备多个样本峰图叠加比对作用（图 2（d）），可以清楚分析不同合成方式下 mRNA 形态差异。
图 1 Qsep 系列全自动核酸片段分析仪
图 2 不同质量的 mRNA 质控图谱
Qsep 系列全自动核酸片段分析仪可以对 mRNA 的主峰占比进行自动识别或者进行片段分布分析，根据划分的面积确定 mRNA 的主峰占比，如图 3，可以从分析软件获得两者的主峰占比分别为 68% 和 85%，由此可判别 mRNA 的质量。
图 3 不同质量的 mRNA 检测图
此外可以通过对 mRNA 样品的持续检测，可获得 mRNA 在保存过程中的质量变化，对其进行数字化的质量评价，如图 4，对同一个 mRNA 样品进行一段时间的检测，可发现随着时间的推移，mRNA 样品的主峰再逐渐降低，小片段部分在逐渐增多，mRNA 的微小质量变化可以在仪器上清晰呈现。
图 4 mRNA 常温保存过程中质量变化
注：绿色为保存 5 天，蓝色和红色分别为保存 10 天和 30 天
Qsep 系列全自动核酸片段分析仪还可应用于各种其他 RNA 样本类型检测，包括 total RNA，gRNA，micro RNA，外泌体 RNA 等 (图 3)，可检测 1nt-6000nt 的大小片段，应用广泛。
图 5 不同类型 RNA 质控图谱
在全球市场都火热关注冠状病毒疫苗研发的情况下，mRNA 疫苗以其特有的优势被各大研究机构广泛研究。我们知道 mRNA 疫苗生产中最核心的技术点在于合成修饰和递送系统。关键步骤就是合成，为避免生产线上 mRNA 不合格导致资金浪费，以及生产进程延误，采用 Qsep 系列产品对合成的 mRNA 质量进行严格把关必不可少的，并且该仪器有不同检测通量可选，灵活适用于不同生产规模公司的检测需求。总之，用 Qsep 系列产品质控，让我们在实验的每一步都无后顾之忧。
