综述：mRNA技术或为带状疱疹病毒（VZV）疫苗开发关键新突破

2024-01-11

疫苗信使RNA

IVC2024第四届核酸疫苗与创新型疫苗论坛招商热线：李欣欣 158 0045 2389，扫码咨询限量免费参会入场券：水痘-带状疱疹病毒（VZV, varicella-zoster virus）在人类的不同年龄阶段可引起两种不同的疾病，即水痘（chickenpox）和带状疱疹（shingles）。水痘是VZV原发性感染后出现的症状，特征是全身性水疹或水泡，多发生在婴幼儿和儿童时期。首次病毒感染恢复后，病毒会潜伏在人体的脊神经节等部位，随着年龄增长、免疫力下降，VZV重新激活引起带状成簇水泡皮损和局部神经疼痛，累及胸腰部皮肤，称为带状疱疹。据弗若斯特沙利文报告，全球普通人群带状疱疹的发病率为3~5/1,000人年。而60岁发病率为 6~8/1,000人年，80岁可达8~12/1,000人年。根据美国疾病控制与预防中心（CDC）的数据，在美国，预计三分之一的人一生中患过带状疱疹，每年发生近百万例带状疱疹病例。目前市场上已有获批的带状疱疹疫苗，技术路线包括减毒活疫苗、重组亚单位疫苗。然而，已上市的带状疱疹病毒疫苗仍存在一些缺陷：减毒疫苗对老年患者效果不佳，且不能用于免疫缺陷人群；亚单位疫苗对老年患者效果好，但AS01B 佐剂成分可能导致的高反应原性，副作用较大。因此，亟需一种副作用更小、免疫效果优良的带状疱疹疫苗。mRNA作为新一代疫苗技术，凭借其快速的研发优势和平台化的生产工艺，有望成为新一代疱疹病毒疫苗的突破。一、疱疹病毒结构简析疱疹病毒属于DNA病毒的一类大家族，可分为α疱疹病毒、β疱疹病毒及γ疱疹病毒。已知有9种人疱疹病毒，其中5种在人群中广泛传播：单纯疱疹病毒HSV1和HSV2（两者均可引起口唇疱疹和生殖器疱疹），水痘-带状疱疹病毒VZV，爱泼斯坦-巴尔病毒EBV（主要感染B淋巴细胞），人巨细胞病毒HCMV（感染后可引发核周和细胞质包涵体的产生以及细胞肿胀）。不同类型的疱疹病毒结构是相似的，具有独特的四层结构：核心（Core）：核心由单个线性双链DNA 分子组成，编码100-200个基因。外壳（Capsid）：环绕核心的是二十面体衣壳，直径约100 nm，由162壳微粒组成。间质（Tegument）：位于外壳和包膜之间的无定形结构。根据间质蛋白在病毒颗粒上的位置，间质蛋白又分为外间质蛋白和内间质蛋白，相互连接形成紧密的病毒颗粒。包膜（Envelope）：包膜是病毒的外层，由宿主膜和十几种独特的糖蛋白组成。它呈球形至多形性，直径 150~200 nm，T=16，二十面体对称。值得注意的是，疱疹病毒包膜中含有11种糖蛋白，分别是 gB、gC、gD、gE、gG、gH、gI、gJ、gK、gL 和 gM，VZV糖蛋白与宿主侵染性相关，是疱疹病毒疫苗开发的靶点抗原。图1：疱疹病毒颗粒结构示意图二、已上市带状疱疹疫苗Zostavax（带状疱疹活疫苗）是默克公司生产的一款减毒活疫苗。2006 年 5 月 25 日，FDA批准Zostavax用于预防 50 岁及以上人群的带状疱疹。关键 III 期研究数据表明，与安慰剂相比，Zostavax可将50 至 59 岁成年人带状疱疹的风险近降低近70%。Zostavax适用于预防 50 岁及以上人群的带状疱疹。但是，Zostavax 不适用于治疗带状疱疹或带状疱疹后神经痛（PHN），也不应用于预防水痘。自 2020 年 11 月 18 日起，Zostavax 在美国停止生产。2017 年 10 月 20 日，FDA批准GSK的Shingrix用于预防50 岁及以上的成人带状疱疹。Shingrix 是一种以gE蛋白为主要成分的重组亚单位疫苗，添加了AS01B作为佐剂，分两剂肌肉注射。Shingrix的批准基于一项全面的 III 期临床试验，在超过38,000人中评估了其安全性和免疫原性。在对研究数据的汇总分析中，Shingrix 对所有年龄段的带状疱疹的疗效均超过90%，并且在4年的随访期内具有持续疗效。通过预防带状疱疹，Shingrix 还降低了带状疱疹后神经痛 (PHN) 的总体发病率。Shingrix（欣安立适）于2020年6月28日在中国上市销售。近日，葛兰素史克(GSK)宣布，欣安立适(重组带状疱疹疫苗)在中国的首个对50岁及以上成人预防带状疱疹的保护效力和安全性的临床试验结果：重组带状疱疹疫苗组的受试者未报告任何一例带状疱疹病例，而安慰剂组为31例。这说明，重组带状疱疹疫苗欣安立适对中国50岁及以上成人具有100%保护效力。图2：默克生产的Zostavax与葛兰素史克生产的Shingrix异同早在2014年前后，国内多家疫苗公司就投入了国产疱疹病毒疫苗的开发，主要以减毒疫苗和重组蛋白疫苗为主。2023年1月31日，国家药监局官网显示，百克生物的带状疱疹减毒活疫苗获批上市。该疫苗用于40岁以上人群的带状疱疹感染预防，是首款获批的国产带状疱疹疫苗。在百克生物的带状疱疹疫苗获批之前，中国只有一款重组带状疱疹疫苗获批，即葛兰素史克研发生产的Shingrix。图3：国内带状疱疹疫苗研发管线目前上市的带状疱疹病毒疫苗具有以下不足：减毒疫苗对老年患者效果不佳，且不能用于免疫缺陷人群；亚单位疫苗对老年患者效果好，但AS01B 佐剂成分可能导致的高反应原性，副作用较大。因此，亟需一种副作用更小，免疫效果优良的带状疱疹疫苗。细胞介导的免疫（CMI）反应对于预防和控制最初的VZV感染以及潜伏感染的重新激活至关重要。临床证据表明，较高水平的 VZV 特异性 CMI 反应与带状疱疹发病率和疾病严重程度的降低相关，因此在下一代 VZV 疫苗的理性开发中必须考虑这一点。mRNA 疫苗的一大特征是能够有效诱导 T 细胞反应。mRNA 疫苗诱导的 CD4 (+) 和 CD8 (+) T 细胞反应水平高于重组蛋白疫苗的水平。随着mRNA技术在新冠疫苗的大获成功，人们自然期待利用mRNA技术在带状疱疹病毒疫苗研发上取得突破。实际上，除了带状疱疹病毒疫苗，Moderna在疱疹病毒mRNA疫苗研发上面已经布局多条管线，例如，HSV疫苗、EBV疫苗及CMV疫苗。图4：Moderna疱疹病毒疫苗研发管线分布三、带状疱疹mRNA疫苗的研发进展2021年，默克和Moderna团队合作在Vaccine发表文章：《Immunogenicity generated by mRNA vaccine encoding VZV gE antigen is comparable to adjuvanted subunit vaccine and better than live attenuated vaccine in nonhuman primates》。他们选择C端截短的VZV gE作为mRNA的目标编码蛋白，编码区由573个氨基酸构成，含C端的Y569突变，以此来调节gE蛋白在细胞内的分选和表达。在恒河猴模型中，与减毒疫苗（LAV）或重组亚单位疫苗（VZV gE蛋白/佐剂）相比，接种单剂100-200 μg VZV gE-mRNA疫苗或者两剂50 μg VZV gE-mRNA疫苗触发点免疫反应程度与接种两剂50 μg重组蛋白亚单位疫苗（VZV gE蛋白/佐剂）是相当的，这表明 VZV gE mRNA/LNP 平台能够触发强烈的免疫反应，并且明显强于带状疱疹减毒疫苗。图5：带状疱疹mRNA疫苗触发点VZV gE 特异性的体液免疫反应gE是VZV疫苗开发中的重要靶点，是 VZV 中最丰富的糖蛋白之一，在病毒复制和神经节细胞之间的传播中发挥着关键作用。作为一种高度糖基化的 I 型膜蛋白，它经常在内质网 (ER)、反式高尔基体网络 (TGN) 和内体之间流动分选。为了降低蛋白纯化的难度，Shingrix使用其胞外结构域作为抗原。gE的胞内羧基末端对于gE的运输具有决定性作用，而且，mRNA疫苗在机体内编码翻译的gE在细胞内的运输及分布可能与病毒基因组背景下翻译表达出来的gE存在差异。例如，在被病毒感染的细胞中，大多数gE与另一种糖蛋白gI以异二聚体形式存在。考虑到mRNA疫苗翻译表达的gE分布可能会影响gE作为抗原的最终呈递途径，为了追求更好的免疫效果，应评估羧基末端突变是否会影响mRNA疫苗的最终免疫效果。为此，中国医学科学院北京协和医学院医学生物学研究所刘存宝团队在Vaccines (Basel)发表研究成果，提供了一种解决方案：《Effects of Varicella-Zoster Virus Glycoprotein E Carboxyl-Terminal Mutation on mRNA Vaccine Efficacy》。研究表明，携带Y569A的基序 AYRV（将 gE 靶向 TGN）和携带S593A、S595A、T596A 和 T598A突变的基序 SSTT （将 gE 靶向 TGN或者脂膜）C端突变体可增强带状疱疹病毒传播并提高病毒滴度。他们比较了编码全长 gE、gE 胞外结构域（gE-E）和 gE C 端突变体（gE-M）的mRNA疫苗在小鼠中触发的免疫反应。结果发现，虽然所有mRNA疫苗诱导的体液免疫和细胞免疫与AS01B佐剂亚单位蛋白疫苗诱导的效果相当或更好，但编码gE C端突变体的mRNA在所有测试指标中均表现更加稳定的优势，包括 gE 特异性的IgG 滴度和 T 细胞反应，可作为更安全的带状疱疹病毒疫苗抗原。图6：编码C端突变体的gE-mRNA疫苗免疫测试指标中均表现出稳定的优势2023年8月16号，中国药科大学杨勇和林昂团队在BioRxiv上发表文章：《Herpes zoster mRNA vaccine induces superior vaccine immunity over licensed vaccine in mice and rhesus macaques》。他们开发了一种新型 VZV mRNA 候选疫苗，称为 ZOSAL。在抗原的设计上，与 Moderna 编码C端截短形式的 gE 抗原不同，他们选择设计全长 gE抗原，以实现有效的 T 细胞表位跨越整个蛋白质。尽管抗体对于预防水痘带状疱疹来说是可有可无的，但他们仍然在研究中评估了抗体和 B 细胞反应。在小鼠和恒河猴中，接种 ZOSAL 疫苗的小鼠产生的 gE 特异性 IgG 水平与 Shingrix 相当，并且诱导的 IgG 亚类更倾向于 Th1 型 IgG2c。这间接表明 ZOSAL更容易诱导发生 Th1 的疫苗反应。关于 B 细胞反应，ZOSAL 诱导的类别转换 gE + MBC 的水平显著高于 Shingrix，表明 ZOSAL 可能比 Shingrix 诱导更持久的疫苗反应。ZOSAL 和 Shingrix 都表现出激活先天免疫的强大能力，特别是 I 型 IFN 信号传导和抗原加工/呈递。在恒河猴和小鼠模型中，ZOSAL 在触发 VZV 特异性点Th1 型 T 细胞反应方面表现出比 Shingrix 更高的免疫效果。图7：在恒河猴中，ZOSAL 在诱导 Th1 偏向 T 细胞反应方面比 Shingrix 更有效四、结语除以上已发表研究外，国内关于带状疱疹mRNA疫苗的研发也在稳步发展。2020年5月，沃森生物宣布联合艾博生物开发带状疱疹mRNA疫苗。2023年01月06日，嘉晨西海宣布其自主研发的RNA带状疱疹疫苗 RNA带状疱疹疫苗获FDA批准进行I 期多中心临床试验。JCXH-105代表着嘉晨西海首个针对潜伏病毒引起的慢性传染病的试验性疫苗进入临床试验阶段。在临床前试验中，JCXH-105在啮齿类动物以及非人灵长类动物中激发了强烈、持久的抗原特异性 T 细胞应答和抗体滴度。更重要的是，在接种疫苗的灵长类动物中CD4+ 和CD8+ T细胞应答均显著升高，这与仅引起CD4+ T细胞应答的其他疫苗相比是一个显著优势。根据沃森生物年报披露，2021年全球销售量最高的十大疫苗中，GSK的重组带状疱疹疫苗Shingrix以23.7亿美元排名第九，而在2020年更是以25.7亿美元的销售收入位列第五。弗若斯特沙利文预测，2030年中国带状疱疹疫苗市场规模将达281亿元。如此之大的市场规模，必然成为各大疫苗厂家重点突破的赛道。mRNA作为新一代疫苗技术，凭借其快速的研发优势和平台化的工艺生产，有望成为新一代疱疹病毒疫苗的敲门砖。mRNA疫苗或mRNA药物开发的最大优势在于平台性，对不同的mRNA序列的适配性要求也很高。序列设计方面，我们需收集UTR等序列库以供筛选，并建立自有的质粒载体，满足线性化酶切这一特殊需求。工艺平台方面，我们应建立平台性的mRNA设计和筛选流程、以及平台性的工艺路线，即可适用于几乎所有的mRNA序列。参考文献[1]The 3rd Hansenula polymorpha Worldwide Network Conference(HP-WN-3): Strengthening the connection between fundamental researchand its biotechnological application. Alghero，Sardinia，Italy，25-29September 2004[J]. FEMS Yeast Res，2005，5:491[1] Dong H, Wang Z, Zhao D, et al. Antiviral strategies targeting herpesviruses. J Virus Erad. 2021 May 30;7(3):100047. doi: 10.1016/j.jve.2021.100047.[2] Monslow MA, Elbashir S, Sullivan NL, et al. Immunogenicity generated by mRNA vaccine encoding VZV gE antigen is comparable to adjuvanted subunit vaccine and better than live attenuated vaccine in nonhuman primates. Vaccine. 2020 Aug 10;38(36):5793-5802. doi: 10.1016/j.vaccine.2020.06.062.[3] Cao H, Wang Y, Luan N, et al. Effects of Varicella-Zoster Virus Glycoprotein E Carboxyl-Terminal Mutation on mRNA Vaccine Efficacy. Vaccines (Basel). 2021 Dec 7;9(12):1440. doi: 10.3390/vaccines9121440.[4] Lulu Huang, Tongyi Zhao, Weijun Zhao, et al. Herpes zoster mRNA vaccine induces superior vaccine immunity over licensed vaccine in mice and rhesus macaques. BioRxiv. Preprint. doi: https://doi.org/10.1101/2023.08.16.553640.[5] Varicellovirus. ViralZone Database.[6] 沙利文. 人用疫苗市场发展现状与未来趋势研究报告. 2023.02.ENDIVC2024第四届核酸疫苗与创新型疫苗论坛招商热线：李欣欣 158 0045 2389戳这里，阅读原文立即领取免费参会入场券