中国科学家提出mRNA“即插即用”式设计：改造外膜囊泡高效运输mRNA，为疫苗提供新型载体...
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麻省理工科技评论-中国科学家提出mRNA“即插即用”式设计：改造外膜囊泡高效运输mRNA，为疫苗提供新型载体技术和快速组装理念
“审稿人的正面评价，大大增加了我们接下来把 OMV-mRNA 疫苗进行临床转化的信心。同时，我们也在和相关公司探讨该成果的产业化可能，相信将来会有相关产品出现。”对于团队近期的一篇论文成果，赵潇充满信心。
他目前在国家纳米科学中心担任博导，2019 年在国家纳米科学中心结束博士后研究。随后，赵潇选择了留所工作，成立了“合成纳米生物学”实验室，并建有一支多学科交叉科研团队。
其表示：“在 mRNA 递送的相关工作中，我们组有着成熟的微流控脂质-mRNA 纳米颗粒合成技术。从产品设计、体系合成、参数优化、包封率提升、产品质控、以及性能评价，都有流程化的体系方案，希望借此共同推动中国 mRNA 产业的发展。”
不久前，他和团队在 Advanced Materials 发表了一篇题为《用于个性化肿瘤疫苗的细菌衍生外膜囊泡快速表面展示 mRNA 抗原》（Rapid Surface Display of mRNA Antigens by Bacteria-Derived Outer Membrane Vesicles for a Personalized Tumor Vaccine）的论文。
研究中，该课题组利用基因工程和 RNA 结合蛋白技术，对 OMV（outer membrane vesicles，外膜囊泡）做以改造，在其表面融合表达了一种 RNA 结合蛋白 L7Ae，使其能够快速结合、并高效输运带有 C/D box 序列的 mRNA。
随后，他们将 C/D box 序列置于肿瘤抗原 mRNA 的非编码区，在 OMV 表面实现了快速结合、并输运肿瘤抗原 mRNA 的目的。这种“即插即用”式的 OMV-mRNA 疫苗，能快速结合表达不同肿瘤抗原的 mRNA，有望实现针对不同患者的特异性肿瘤抗原谱，去合理选择和搭配疫苗靶点，从而根据不同患者的情况，按需生产个体化疫苗，最终促进肿瘤疫苗迈入“单病人”时代。
肿瘤疫苗也能“私人订制”，治疗模式已迈入“单病人”时代
多年来，科技发展也给肿瘤治疗模式带来了历史性转变。之前在化疗&放疗的粗犷模式中，所有患者基于同一种治疗模式，在杀死肿瘤细胞的同时，也在伤害机体正常细胞，毒副作用非常严重。
随着靶向治疗和免疫治疗的技术突破，肿瘤精准治疗逐渐发展起来。目前，以单克隆抗体为代表的靶向治疗、和以过继性细胞治疗、免疫检查点抑制剂为代表的免疫治疗，在肿瘤临床应用中大获成功，可针对一批患者实施一种治疗模式，但是仍然存在潜在致命性副作用、以及客观反应率低等问题，这说明治疗仍不够“精准”。
世界上没有两片相同的树叶，也不会有完全相同的两个肿瘤。给患者“私人定制”个体化治疗模式，是肿瘤治疗的发展趋势。众所周知，基因突变的累积会导致细胞恶变，进而会导致恶性肿瘤。而每一位肿瘤患者的基因突变谱都是独一无二的。假如能针对每一位患者的突变基因，开发出特异性的治疗手段，将成为真正的个体化肿瘤治疗。
作为一种个体化肿瘤免疫治疗方式，肿瘤疫苗受到越来越多的关注。肿瘤细胞中含有大量基因突变导致的新生多肽序列，其中具备激活免疫系统的潜在能力的多肽，被称为肿瘤抗原。利用这些肿瘤抗原，去刺激机体的免疫系统，就能激活肿瘤细胞特异性的免疫反应，肿瘤细胞借此会被“杀”掉，人们把这种新兴的治疗模式称为治疗性肿瘤疫苗。
由于在免疫原性、安全性和生产工艺方面的优势，mRNA 肿瘤疫苗是近年来的研究热点。但是 mRNA 自身稳定性差，而且难以跨过细胞膜屏障进入免疫细胞，因此安全有效的递送系统成为 mRNA 肿瘤疫苗的必备项。
目前，相对成熟的 mRNA 输运技术是磷脂纳米颗粒（LNP，Lipid nanoparticle），但其仍存在组装过程复杂、稳定性差、以及需要添加外源佐剂等问题。
基于佐剂载体一体化的理念，赵潇团队长期关注一种上述来源于细菌的纳米疫苗载体——外膜囊泡 OMV。借助其天然结构和细菌来源，OMV 具有良好的稳定性和免疫原性，是一种具有多重佐剂效应的天然纳米疫苗载体。在该团队的前期工作和其他课题组的研究中，OMV 被用来递送多种肿瘤和病原体的多肽或蛋白类抗原，展现出良好的输运抗原能力和免疫刺激效果。
将外膜囊泡的疫苗载体优势，应用在 mRNA 肿瘤疫苗领域
然而，如何将 OMV 的疫苗载体优势应用在 mRNA 肿瘤疫苗领域，是一个亟需解决的技术难题。而借助此次发表的论文，该问题终于被攻克。
“我记得有一个审稿人是这么说的，‘该手稿描述了大肠杆菌衍生的 OMV 来传递 mRNA 编码的抗原对小鼠进行肿瘤疫苗接种，这是 OMV 疫苗应用的一个新的和重要的扩展。’还有一个审稿人认为：‘与临床 mRNA 疫苗相比，通过在 OMV 表面修饰 L7Ae 并结合 box C/D 修饰的 mRNA，这种 OMV 衍生的新型肿瘤 mRNA 疫苗平台，能够取得更好的抗肿瘤效果。整个研究进行得很好，组织得很好，想法（也）非常新颖。’”赵潇表示。
据他回顾，该工作从开始到研究成功，大体经历四个主要阶段。
在第一阶段，课题组首先总结了 mRNA 疫苗领域输运载体的发展和大体情况，认真思考了 OMV 疫苗载体是否具有技术优势。目前，多种纳米载体被开发用于肿瘤抗原的体内递送，比如病毒样颗粒、脂质体、脂蛋白、高分子聚合物、磷脂-聚合物杂化纳米颗粒以及金属有机框架等。
然而，这些载体往往需要复杂的化学合成过程，还需要另外添加免疫佐剂进行免疫增强。因此，开发一种可以大批量快速获取、同时本身具有佐剂效应的纳米载体，是个体化肿瘤疫苗发展的迫切需求。
有别于传统的以化学合成为创新驱动的纳米疫苗载体构建，赵潇团队从机体识别细菌、并产生免疫的自然现象获取灵感，借助基因工程等技术，把细菌分泌的天然纳米颗粒 OMV 制备成肿瘤疫苗载体。
在第二阶段，课题组主要关注基于 OMV 的 mRNA 肿瘤疫苗载体构建、及其输运能力的可行性探究。这一阶段是整个工作的基础，耗时也最久。期间，他们进行了多种技术尝试，例如对 OMV 载体中 mRNA 的负载方式进行了探索，同时也对 mRNA 在 OMV 上的锚定蛋白和锚定方式进行了验证。
最终确定利用基因工程技术，将 RNA 结合蛋白 L7Ae 与OMV 表面定位蛋白 ClyA 进行融合表达的方式来锚定 mRNA。为提升递送效率，他们还加入了具有内涵体逃逸功能的 LLO 模块进行优化，从而获得能够快速结合并高效输运 mRNA 的 OMV 输运载体。
在第三阶段，赵潇又对 OMV 肿瘤疫苗的免疫激活机制和效应，进行全方位探索，评价指标包含相关免疫性细胞因子、抗原提呈细胞的成熟标志、抗原复合物情况、以及天然免疫相关信号通路等。
在第四阶段，其主要利用多种小鼠肿瘤模型，去验证 OMV-mRNA 肿瘤疫苗的抗肿瘤效果和免疫机理分析，期间开展了包括转移性肿瘤、皮下实体瘤以及疫苗预防肿瘤形成的小鼠实验。“这个阶段是很耗体力的，有大量的样本需要处理和分析。”赵潇表示。
他说：“我经常会在休息日去实验室处理一些紧急事务，经常能看到这个课题的成员一大早就在实验室忙碌，还有几次看到他们通宵都在实验室，就睡在办公室的椅子上。此外，大家也很有团队协作意识，只要某个人需要帮助，提前打好招呼、做好计划，其他人都会踊跃参与。我每次看到这些都非常欣慰。”
提出 mRNA“即插即用”式设计，为 mRNA 疫苗提供新型载体技术和快速组装理念
回到论文本身，就其应用前景来说，作为新兴的疫苗技术，mRNA 疫苗领域的关键科学问题，在于如何进行高效体内递送。目前，mRNA 疫苗递送载体相对匮乏，唯一上市批准使用的 LNP 载体也面临稳定性差、保存条件苛刻、需外加佐剂等缺陷。
赵潇坦言，相比 LNP 载体、或者说商业化的转染试剂比如 Lipo3000，该研究中的 mRNA 转染效率仍然有待提升。但是，天然载体 OMV 的稳定性更高，降低了保存条件的要求。此外，OMV 中的细菌成分也能刺激天然免疫系统，因此无需添加佐剂。
正因为这种载体佐剂一体化的优势，以及天然纳米载体 OMV 快速结合并递送 mRNA 的能力，他和团队得以创造出这种 mRNA“即插即用”式的设计，借此为 mRNA 疫苗领域提供新型载体技术和快速组装理念。在未来，他们将利用 OMV 体系输运人源肿瘤 mRNA 抗原，并在人HLA-A2.1转基因小鼠进行疫苗接种，以便从抗原递呈细胞、到特异性T细胞等不同层面，去系统性地评估疫苗引起的免疫反应，最终揭示 OMV 纳米疫苗载体对人源 mRNA 肿瘤抗原的输运能力和适用性，推动该体系的转化应用。
其展望称：“除了肿瘤疫苗的应用，这种快速展示抗原的“即插即用”方式，在未来突发性的公共卫生事件中也有很大的应用潜力。”
概括来说，本次研究提供了一个可拓展性的平台。在后续计划中，课题组拟探究其在多种疾病中的疫苗接种效应。比如说在众多的病毒传染病中，包括 HPV16/18 抗原、带状疱疹，未来都可以利用 OMV 递送体系构建 mRNA 疫苗。
-End-
1、Li, Y., Ma, X., Yue, Y., Zhang, K., Cheng, K., Feng, Q., ... & Nie, G. (2022). Rapid Surface Display of mRNA Antigens by Bacteria‐Derived Outer Membrane Vesicles for a Personalized Tumor Vaccine. Advanced Materials, 2109984.
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