留胡子的豆腐

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2022/04/27阅读:21主题:红绯

Sorrento开发RBD嵌合型新冠mRNA疫苗

在2022年3月18号,Sorrento Theraputics 公司在BioRxiv提交预印本:Chimeric mRNA based COVID-19 vaccine induces protective immunity against Omicron and Delta,研发人员设计一系列新冠病毒VOCs Spike mRNA疫苗,将其S1/S2 furin 切割位点突变,以获得更好的免疫效果。在此基础上,研发人员将Delta-RBD嵌合于Omicron Spike mRNA骨架里,位于Omicron RBD上游,打造出一款以Omicron Spike 为骨架,串联Delta-RBD和Omicron RBD 的嵌合型Spike-furin mRNA 疫苗,具有更广谱的血清中和抗体,特别是显著提升靶向Detla变异株的血清中和抗体滴度,为优化新冠mRNA疫苗提供新的思路。

S1/S2furin酶切割位点突变原因

新冠病毒Spike蛋白单体由S1识别结构域和S2融合结构域构成,在S1和S2连接处存在furin酶切割位点,完整Spike蛋白以没有活性的前体形式存在。当RBD和宿主细胞ACE2结合后,furin酶会切割S1/S2,再由暴露出来的S2亚基介导病与宿主膜融合。

目前已获批的2款mRNA疫苗Spike蛋白中存在S1/S2 furin 切割位点,S1/S2furin酶切割位点的存在会影响mRNA疫苗表达出的Spike蛋白的稳定性,减少触发适应性免疫反应的抗原表位库。有研究发现mRNA1273疫苗接种者在首次接种1-5天便可在血清中检测到S1存在,可能是哺乳动物细胞内蛋白酶或者循环系统中的蛋白酶切割引起的[1]。此外,许多重要的器官可以摄取S1,例如脾脏,肾脏,肝脏,甚至穿过血脑屏障到达脑部。由于S1含有完整的RBD,依旧可以同ACE2发生结合,触发下游的一系列信号事件,从而可能导致炎症和肺部疾病发生。虽然目前并不是很清楚S1是否会引发临床后果,但是,为消除S1/S2 furin 切割位点会引发的潜在安全隐患,研发人员在设计优化mRNA新型疫苗时,将S1/S2 furin 切割位点突变。

新冠病毒Spike蛋白与宿主细胞ACE2识别,触发膜融合过程
新冠病毒Spike蛋白与宿主细胞ACE2识别,触发膜融合过程

furin位点突变提升全长Spike含量

研发人员设计2组mRNA疫苗,一组编码VOC新冠病毒野生型Spike-WT,另外一组编码VOC新冠病毒突变型Spike-furin。流式数据显示移除S1/S2furin酶切割位点会提升Spike蛋白在转染细胞表面的表达。WB同样证实,消除furin酶切割位点后,在转染细胞内Spike-furi mRNA编码产生的是全长的Spike蛋白,而Spike-WT mRNA转染细胞后,在细胞内或者培养基中均检测到S1。

Spike-furin mRNA转染细胞编码产生全长Spike
Spike-furin mRNA转染细胞编码产生全长Spike

Spike-furi mRNA疫苗触发的免疫反应

研发人员想知道furin位点突变引起的全长Spike蛋白含量的提升是否会增强免疫反应,将新冠病毒野生株Spike-WT-mRNA疫苗和Spike-furi mRNA疫苗注射到小鼠体内。结果发现,Spike-furi mRNA疫苗可以触发更高的血清结合抗体滴度和中和抗体滴度。

新冠病毒野生株Spike-WT mRNA和Spike-furin mRNA引发的小鼠血清结合抗体和中和抗体滴度差异
新冠病毒野生株Spike-WT mRNA和Spike-furin mRNA引发的小鼠血清结合抗体和中和抗体滴度差异

研发人员构建各种新冠病毒VOC Spike-furin mRNA疫苗,免疫小鼠,结果发现,除Gamma Spike-furin mRNA疫苗,其他新冠病毒VOC Spike-furin mRNA疫苗触发的血清结合抗体中滴度最高的是同源型血清抗体。值得注意的是,有些VOC Spike-furin mRNA疫苗触发的血清抗体具有更广泛的结合能力,比如Beta-Spike-furin mRNA疫苗。

5种VOC活病毒中和试验数据显示,每种新冠病毒VOC Spike-furin mRNA疫苗触发的血清病毒中和活性普遍具有毒株特异性。例如WA- Spike-furin mRNA疫苗接种小鼠触发的血清中和抗体对于WA原始株的中和活性是最高的。同时,还可以观察到Beta-Spike-furin mRNA疫苗触发的血清中和抗体具有更加广泛强烈的中和能力。非常特别的是,Beta-Spike-furin mRNA疫苗触发的血清中和抗体对于Delta毒株的中和活性要远远强于WA-Spike-furin mRNA疫苗触发的。

新冠病毒VOC Spike —furin mRNA疫苗引发的的小鼠同源型和异源型血清抗体滴度差异
新冠病毒VOC Spike —furin mRNA疫苗引发的的小鼠同源型和异源型血清抗体滴度差异

研发人员构建WA Spike-furin mRNA疫苗和Beta-Spike-furin mRNA疫苗,注射不同剂量的mRNA疫苗,分离脾脏细胞,用S1抗原肽刺激,结果发现,两款疫苗均能触发明显的剂量依赖型的TH1反应(以分泌的IFNγ 和TNF为表征),非常弱的TH2反应(以分泌的IL-4 和 IL-5 为表征)。但是,这两款疫苗触发的脾脏种的CD+4细胞数量,CD8+细胞数量,血清和脾脏中记忆B细胞数量,变化非常小。

Spike-furin mRNA疫苗触发的TH1和TH2反应
Spike-furin mRNA疫苗触发的TH1和TH2反应
接种Spike-furin mRNA疫苗小鼠脾脏和血清中免疫B和T细胞数量变化
接种Spike-furin mRNA疫苗小鼠脾脏和血清中免疫B和T细胞数量变化

Spike-furin mRNA疫苗预防保护效果

研发人员分别给小鼠注射2剂WA Spike-furin mRNA疫苗/Beta-Spike-furin mRNA疫苗,间隔3周,在第8周进行攻读试验,观察攻毒后小鼠肺部病毒载量变化和体重变化。与未接种疫苗组相比,接种两款疫苗的小鼠在肺部均检测不到病毒,同时体重也未发生下降,说明两款疫苗均可触发非常强烈的免疫预防保护效果。

小鼠接种Spike-furin mRNA疫苗触发强烈的预防保护效果
小鼠接种Spike-furin mRNA疫苗触发强烈的预防保护效果

Omicron削弱 furin mRNA疫苗免疫效果

研发人员发现,接种第二针WA Spike-furin mRNA疫苗14后,靶向Omricon变异株的血清中和抗体滴度IC50只有318,,与靶向原始株WA的血清中和抗体滴度16914相比,降低53倍。接种其他类型VOC Spike-furin mRNA疫苗的小鼠血清中和抗体在靶向Omricon变异株时滴度也出现明显下降。即便是在之前的试验中可以触发更广泛中和抗体活性的Beta Spike-furin mRNA疫苗 ,在面对Omricon变异株时,也无法提供足够的免疫保护。

接种不同新冠病毒VOC Spike-furin mRNA疫苗触发的靶向Omicron变异株的血清抗体中和活性
接种不同新冠病毒VOC Spike-furin mRNA疫苗触发的靶向Omicron变异株的血清抗体中和活性

Omicron Spike-furin mRNA疫苗

为开发靶向Omicron更加高效的疫苗,研发人员构建Omicron Spike-furin mRNA疫苗,发现接种Omicron Spike-furin mRNA疫苗的小鼠,靶向Omicron变异株的血清结合抗体滴度和中和抗体滴度均得到明显提升,并且触发明显的剂量依赖的免疫细胞反应。用Omicron 变异株攻毒试验数据显示不管是2针同源型Omicron Spike-furin mRNA疫苗接种,还是Omicron Spike-furin mRNA疫苗异源加强,均在肺部检测不到病毒复制,触发良好的保护效果。

Omicron Spike-furin mRNA疫苗触发强烈的针对Omicron 变异株的免疫保护效果
Omicron Spike-furin mRNA疫苗触发强烈的针对Omicron 变异株的免疫保护效果

RBD嵌合型mRNA疫苗

研发人员发现Omicron Spike-furin mRNA疫苗对于其他的VOC变异株的免疫保护非常有限。为开发出对其他VOC变异株具有广泛保护效果的mRNA疫苗,研发人员将Delta-RBD放置于Omicron Spike里面的Omicron RBD上游,构建出一款以Omicron Spike 为骨架,串联Delta-RBD和Omicron RBD 嵌合型Spike-furin mRNA 疫苗。

与接种Omicron Spike-furin mRNA疫苗相比,用Delta-RBD/Omicron RBD 嵌合型Spike-furin mRNA 疫苗免疫小鼠,靶向WA,Beta,Gamma血清结合抗体滴度得到明显提升,然而,靶向Alpha和Delta的血清结合抗体滴度改变不具有统计学上的差异。接种Omicron Spike-furin mRNA疫苗和Delta-RBD/Omicron RBD 嵌合型Spike-furin mRNA 疫苗,靶向Omicron BA.1,OmicronR346K,Omicron BA.2的小鼠中和血清抗体滴度相似,但是,与接种Omicron Spike-furin mRNA疫苗相比,接种 嵌合型Spike-furin mRNA 疫苗可以显著提升靶向Delta毒株的血清中和抗体滴度。

Delta-RBD/Omicron RBD 嵌合型Spike mRNA 疫苗显著血清中和抗体的广谱性
Delta-RBD/Omicron RBD 嵌合型Spike mRNA 疫苗显著血清中和抗体的广谱性

总结

不同的新冠病毒VOC具有不同的Spike蛋白突变,因而具有不同的抗原表位库。接种不同VOCs Spike mRNA疫苗触发的血清中和抗体滴度最高的是同源型中和抗体,例如接种Delta Spike mRNA疫苗触发的血清中和抗体滴度最高的是靶向Delta变异株的中和抗体,而不是靶向其他VOCs。值得注意的是,WA /Beta Spike mRNA疫苗,特别是/Beta Spike mRNA疫苗,触发的血清中和抗体能提供更加广泛的VOCs中和能力。这可能是由于Beta Spike蛋白突变,特别是RBD和NITD区域的突变,也存在于其他VOCs中,例如L18, K417, E484, N501, D614。Moderna公司最近公布的mRNA 1273.211 二价疫苗的二期临床数据,也是选择Beta Spike-mRNA 作为二价疫苗的另外一半。

这项研究优化新冠mRNA疫苗采用2种策略,第一种是突变 S1/S2 furin 切割位点,消除安全隐患,在细胞内和细胞表面保留全长Spike,提供一个更多的递呈抗原表位库,更好地触发特异性免疫反应,实际上,这种做法,在我们之前发布的文章中,牛津大学的研发人员在构建Omicron-Spike mRNA疫苗时,同样对S1/S2furin酶切割位点进行突变。比较有新意的是另外一种策略,以Omicron Spike mRNA作为骨架,在Omicron RBD上游嵌入Delta RBD,构建出Delta-RBD/Omicron RBD 嵌合型Spike-furin mRNA 疫苗,能够提升血清抗体的广谱性,特别是,显著提升靶向Delta变异株的血清抗体中和抗体滴度。我们此前发布的文章,有研究人员是将Delta RBD和OmicronRBD区域突变位点杂交,但是杂交Delta +Omicron- RBD mRNA疫苗除显著提升靶向Omicron变异株的血清中和抗体滴度外,靶向其他VOCs血清中和抗体滴度均未得到改善,血清中和抗体效果大大弱于Delta-RBD+Omicron RBD 二价mRNA疫苗。这种RBD嵌合型策略或者直接的Spike/RBD mRNA 二价或者多价疫苗策略,抑或是Spike+RBD mRNA疫苗策略,为升级新冠mRNA疫苗提供多种选择。在打造广谱性mRNA疫苗的道路上,到底什么样的策略可以实现成本和免疫效果的兼顾,需要进一步的探索。这种探索不仅仅对新冠mRNA疫苗的升级优化有益,而且对于其他传染病或者肿瘤疫苗的研发也是具有借鉴意义的。

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