前言
2020年一月SARS-CoV-2的基因序列公布之後，因應此重大傳染病，各大藥廠與生技公司皆將能量聚焦於最有效防堵COVID-19的方法：抗病毒疫苗的研發。以往的疫苗開發經驗，從病毒定序完成到批准使用，最快也要四年(mumps vaccine)，前次大流行的MERS-CoV與SARS-CoV疫苗研發，也歷經兩年研發才進入一期臨床試驗，而從各大藥廠中脫穎而出，打敗胜肽疫苗、DNA疫苗、腺病毒疫苗和蛋白質次單元疫苗，創下最快取得緊急授權的疫苗，分別是由Pfizer-BioNTech與Moderna研發的兩款史無前例的mRNA疫苗，只花了11個月，而其中有8個月花在臨床試驗上。mRNA疫苗之所以能有如此快速的研發時程(Moderna只花了兩天就建立了mRNA序列，並在66天內即進入第一期臨床試驗)，除了大筆研究經費的注入與研發團隊的努力之外，也是基於多年來對於冠狀病毒、siRNA遞送載體與過往mRNA之研發經驗上。
mRNA與非病毒載體
SARS-CoV-2 mRNA疫苗的原理，是將可以表現病毒棘蛋白成分的mRNA序列藉由非病毒脂質微載體遞送入人體細胞中產生棘蛋白，並藉此刺激免疫系統產生專一性免疫反應。然而疫苗的構成，並不是簡單的將mRNA和微脂粒混合就完成了！mRNA之UTR部分需經過修改以避免被酵素降解，藉此延長免疫刺激的時間；為了增加蛋白質合成效率，而進行密碼子置換以增加轉譯速率；此外重要的一點是，未經過修飾的mRNA核酸，會被pattern recognition receptors如Toll-like receptor (TLR) 3、TLR7與TLR8辨識，被誤認為病原體之RNA造成轉譯被抑制，因此常用策略為將uridine置換為pseudouridine或其他核苷類似物。經過諸如此類的改動，才能夠突破mRNA疫苗之瓶頸，造就如今看似簡單又經濟的mRNA研發流程。
由於mRNA帶有大量負電荷，其分子量又介於10~1000 kDa，不可能獨自穿過也是帶負電的細胞膜，且裸露在外的mRNA亦會被免疫系統與核酸分解酶清除。因此需要具有高安全性與穩定性的載體保護並運送mRNA進入細胞。目前通過的兩款SARS-CoV-2 mRNA疫苗(Pfizer-BionTech的BNT162b2與Moderna的mRNA-1273)都是採用脂質奈米粒子作為載體，由四大元素組成：可解離脂質(取代正電荷脂質，較安全且可包覆mRNA並促進mRNA由溶酶體中釋放到細胞質)、膽固醇類脂質(穩定奈米粒子)、輔助磷脂質(維持脂質流動性)、與具PEG修飾之脂質(避免巨噬細胞吞噬與延長作用時間)。基於FDA之前已通過之siRNA藥物Onpattro亦以脂質奈米粒子作為載體，已被證實之安全性亦加速以此類載體作為mRNA疫苗之核准速度。
對應SARS-CoV-2之mRNA疫苗
截至2021年8月，已經有185項針對SARS-CoV-2的疫苗在進行臨床前試驗，也有102個品項正在進行臨床試驗，其中有19個是mRNA疫苗。BNT162b2與mRNA-1273展現了大於90%的保護力數據，並具有相對輕微的藥物副作用(注射處疼痛與發燒)，被視為是對大眾來說較安全的疫苗選擇。然而其運輸及保存，需配合完整的冷鍊系統，mRNA-1273在4-8°C冷藏可保存一個月，在室溫只能保存12小時，而BNT162b2則須保存於-60°C`，大幅限制其在較落後國家的施打。為解決溫度的需求，有數個對溫度要求較寬鬆的疫苗候選者正在進行研發與臨床試驗，如CureVac的CVnCoV可在5°C保存3個月、Walvax Biotechnology的ARCoV可在25°C保存一週等，皆是令人期待的產品。另外，可自我複製之mRNA疫苗也是具潛力的疫苗候選、透過可在細胞內複製之機轉，能夠減少最初施打劑量以降低副作用。倫敦帝國大學與Acuitas Therapeutics共同研發之LNP- nCoVsaRNA已在進行臨床試驗。
COVID-19之外的感染症
早在針對SARS-CoV-2之前，諸多針對不論是癌症或傳染性疾病的mRNA疫苗開發就已經在進行，如流感病毒(influenza virus)、茲卡病毒(Zika virus)、人類免疫缺乏病毒(HIV)、呼吸道融合病毒(RSV)、伊波拉病毒(Ebola virus)、狂犬病毒(Rabies virus)、與瘧原蟲(malaria parasite)等，但截至2019年底，針對上述傳染病的15個mRNA疫苗皆未進入第三期臨床試驗。然而有著mRNA疫苗在SARS-CoV-2的成功經驗，與對應各疾病之完整臨床前資料，應可加速mRNA疫苗之臨床試驗與應用。
目前mRNA疫苗之考量
疫苗保護力持續時間一直是現今對各SARS-CoV-2疫苗的最大考驗之一。免疫力的形成，是透過mRNA表現出抗原蛋白後，被抗原呈現細胞攜帶至淋巴結，與其中的B細胞和濾泡輔助T細胞(follicular helper T cell, TFH)形成生發中心（germinal center），造成抗原專一性B細胞大量增生活化，以製造抗體。然而根據真實世界數據與臨床資料，抗原及脂質載體種類皆會影響抗體反應持續時間，因此仍需要更進一步的研究與長時間監測才可能釐清。
此外，病毒的快速變異，施打的疫苗能否提供足夠保護力，也是大部分人擔心的重要議題，如HIV疫苗的失敗，部分原因來自於太多不同的HIV變異株、流感疫苗也是必須每年更新，因此挑選病毒之相對保守之蛋白序列進行疫苗開發，是一個重要的課題。SARS-CoV-2也是一個變異速度快速的病毒，因此如Moderna亦正在研發針對後續變異株的mRNA疫苗作為補充劑。然而隨著蛋白質結構學的精進，發展出針對各冠狀病毒保守部位的疫苗仍是備受期待。
就安全性來說，雖然mRNA疫苗已相對其他SARS-CoV-2疫苗有著較輕微的不良反應，仍有相對於傳統疫苗來說較高比例的過敏性休克。其中一個較可能的假說是，過敏反應來自於脂質奈米粒子的PEG分子，而最近美國CDC也發布了一條建議，不應對Pfizer-BioNTech或Moderna疫苗的任何成分有過敏反應史的人接種 mRNA疫苗。因此，針對mRNA載體之開發，應可增加其安全性。
結語與展望
以往的觀念，認為基於穩定性與作用原理，RNA是極不可能廣泛作為藥物施予的。然而經由這次的COVID-19大流行，橫跨生物化學、化學、生物資訊、藥物傳輸等領域建立的mRNA疫苗平台，可望開啟新的一波疫苗研發技術，與針對不論mRNA疫苗各細部環節之改良。除傳染性疾病之外，亦可能推廣至癌症疫苗之研發，對醫學領域極有貢獻。
參考資料：
1. Chaudhary N, Weissman D, Whitehead KA. mRNA vaccines for infectious diseases: principles, delivery and clinical translation. Nature Reviews Drug Discovery. 2021;20(11):817-38.
2. Dolgin E. The tangled history of mRNA vaccines. Nature. 2021;597(7876):318-24.