表达病毒样颗粒刺突抗原的mRNA疫苗对SARS-CoV-2的免疫原性和效力：一项增强中和抗体广度与持久性的新策略

《npj Vaccines》：Immunogenicity and efficacy of an mRNA vaccine expressing a virus-like particle spike antigen against SARS-CoV-2

本研究针对现有COVID-19 mRNA疫苗对变异株保护力减弱和持久性不足的问题，开发了表达病毒样颗粒(VLP)抗原的mRNA疫苗(mRNA-VLP)。研究发现，在动物模型中，mRNA-VLP疫苗相比传统mRNA疫苗能诱导更强、更广谱且更持久的中和抗体(nAb)反应，低剂量即可提供完全保护，为应对SARS-CoV-2变异提供了新策略。

　　

新冠病毒(SARS-CoV-2)的持续变异对现有疫苗的保护效果提出了严峻挑战。尽管mRNA疫苗在抗击疫情中发挥了关键作用，但随着时间推移，人体内的中和抗体水平会下降，且新出现的变异株（如Omicron系列）往往具有免疫逃逸能力，导致疫苗的保护效果打折扣。因此，科研界亟需开发新一代疫苗技术，旨在诱发更强效、更持久，且能覆盖多种变异株的免疫反应。

传统mRNA疫苗通过在宿主细胞表面表达病毒抗原（如刺突蛋白Spike）来激发免疫应答。而一项新兴策略是让mRNA编码的抗原能自我组装成病毒样颗粒(Virus-like particle, VLP)。VLP模拟了真实病毒的三维结构，呈现多价抗原，能更有效地交联B细胞受体，从而有望更强力地激活B细胞，产生更优质、更广谱的抗体。然而，将VLP技术的高免疫原性优势与mRNA技术的快速研发和生产优势相结合，并验证其实际效果，是当前疫苗领域的一个重要探索方向。

在此背景下，由Jason P. Laliberte领衔的研究团队在《npj Vaccines》上发表了一项重要研究，题为"Immunogenicity and efficacy of an mRNA vaccine expressing a virus-like particle spike antigen against SARS-CoV-2"。该研究报道了一种新型mRNA-VLP疫苗平台，并系统评估了其在动物模型中对SARS-CoV-2的免疫原性和保护效力。研究表明，这种新型疫苗平台相较于表达天然膜锚定刺突蛋白的传统mRNA疫苗，能诱导更强、更广谱、更持久的中和抗体反应，并在低剂量下即可提供有效的保护，为应对快速演变的SARS-CoV-2变异株提供了有前景的解决方案。

为开展这项研究，研究人员运用了几个关键技术方法。首先是抗原设计与疫苗构建：研究人员将SARS-CoV-2变异株（如Delta、Omicron BA.4/5）的刺突蛋白基因进行工程化改造（如引入S2P稳定突变、去除弗林酶切位点），并将其与幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)铁蛋白(Ferritin)支架序列融合，构建能自我组装成VLP的mRNA序列。利用体外转录合成修饰mRNA（如使用N1-甲基假尿苷），并通过脂质纳米颗粒(LNP)进行封装。其次是结构表征：利用冷冻电镜(cryo-EM)技术解析了mRNA-VLP表达出的刺突-铁蛋白颗粒的高分辨率三维结构，确认其能正确折叠并呈现刺突蛋白的不同构象（如受体结合域RBD的"向上"和"向下"状态）。第三是免疫原性评价：在SARS-CoV-2血清阴性或疫苗预免疫的小鼠、非人灵长类（食蟹猴）和叙利亚金黄仓鼠模型中，通过肌肉注射接种候选疫苗，并利用基于慢病毒的假病毒(pseudovirus)中和试验评估血清中和抗体对不同变异株（如D614G, Delta, BA.1, BA.2, BA.4/5, BQ.1.1）的广度和效价。通过流式细胞术分析外周血和骨髓中的抗原特异性B细胞和T细胞反应。最后是效力评价：在仓鼠SARS-CoV-2攻毒模型（使用祖先株USA-WA1/2020）中，评估疫苗对体重变化、肺部病毒载量（通过TCID₅₀测定病毒滴度和qRT-PCR检测病毒亚基因组RNA-sgRNA）、以及肺部组织病理学（通过H&E染色和免疫组化检测病毒核衣壳蛋白NP）的影响。

Development and evaluation of the mRNA-VLP vaccine using a prototypical Delta spike antigen

研究人员首先以Delta变异株刺突蛋白为原型，开发并评估了mRNA-VLP疫苗。冷冻电镜结构分析显示，mRNA-VLP表达的刺突-铁蛋白能成功组装成VLP，其铁蛋白核心分辨率高达2.2 ?，并显示有8个刺突三聚体位于笼状结构的3重轴上。重要的是，解析出的刺突蛋白结构证实其能以天然方式正确折叠和糖基化，与病毒表面的刺突蛋白相同，并观察到刺突蛋白的三种不同构象（全部RBD向下、1个RBD向上、2个RBD向上），这模拟了天然病毒抗原的多样性。

在免疫原性方面，在初始BALB/c小鼠中，两次免疫mRNA-VLP Delta疫苗后，针对所有测试的假病毒（包括D614G、Delta以及奥密克戎BA.1、BA.2、BA.4/5），其中和抗体几何平均滴度(GMT)均显著高于表达天然膜锚定Delta刺突的传统mRNA疫苗。特别是对奥密克戎变异株，mRNA-VLP疫苗诱导的中和抗体水平提升了24至66倍，显示出更强的交叉反应广度。

Potency, breadth, and durability of antibodies elicited by the Delta prototype mRNA-VLP vaccine in non-human primates(NHP)

为了确认在小鼠中的发现并深入探究免疫反应的持久性，研究在非人灵长类（食蟹猴）模型中进行了验证。结果显示，mRNA-VLP Delta疫苗诱导的中和抗体水平 against 所有测试的变异株假病毒，在第二次免疫后两周均显著高于传统mRNA疫苗（提升8至29倍）。此外，这种增强的抗体反应至少能维持6.5个月。在免疫后第196天，mRNA-VLP疫苗接种组的骨髓中长效抗体分泌细胞数量也显著高于传统mRNA疫苗组，提示其能诱导更持久的体液免疫记忆。两种疫苗均主要诱导Th1偏向的CD4⁺T细胞反应，与已获批的COVID-19 mRNA疫苗安全性特征相似。

Evaluation of mRNA-VLP vaccine against Omicron BA.4/5 variants

接下来，研究人员评估了针对奥密克戎BA.4/5变异株的mRNA-VLP疫苗的效果。在初始小鼠中，单价mRNA-VLP BA.4/5疫苗不仅诱导了与抗原匹配的BA.4/5和BQ.1.1假病毒的高水平中和抗体，还对其他变异株（如D614G、Delta、BA.1、BA.2）显示出更强的交叉中和能力（提升4至70倍），其广度和效力均优于表达天然BA.4/5刺突的mRNA疫苗。

在一个更接近现实情况的疫苗加强免疫模型中（小鼠先接种两剂 ancestral D614G mRNA疫苗，约6个月后用二价疫苗加强），单剂低剂量（0.5 μg）的二价mRNA-VLP疫苗（包含祖先D614G和Omicron BA.4/5的VLP抗原）也显示出优势。与二价传统mRNA疫苗相比，二价mRNA-VLP疫苗加强后，对BA.4/5、BA.2和BQ.1.1假病毒的中和抗体水平有提高趋势（分别提升23倍、5倍和3倍），表明其在已免疫个体中对抗原性不同的奥密克戎变异株可能具有更强的提升能力。

mRNA-VLP vaccine protects hamsters following a SARS-CoV-2 infection

最后，研究在叙利亚金黄仓鼠攻毒模型中验证了二价mRNA-VLP疫苗的保护效力。结果显示，即使是低剂量（2 μg）的二价mRNA-VLP疫苗，在第二次免疫后诱导的对Omicron BA.4/5假病毒的中和抗体水平也显著高于高剂量（10 μg）的二价传统mRNA疫苗（提升约15倍）。攻毒实验（使用祖先SARS-CoV-2病毒株）表明，接种10 μg或2 μg二价mRNA-VLP疫苗的仓鼠，与接种10 μg二价传统mRNA疫苗的仓鼠一样，均能完全防止攻毒后的体重下降。在肺部病毒载量方面，所有疫苗接种组在攻毒后第3天和第7天均显示出病毒滴度（TCID₅₀）和病毒sgRNA的显著降低。组织病理学分析进一步证实，疫苗接种能显著减轻SARS-CoV-2感染引起的肺部炎症、肺泡损伤，并减少病毒核衣壳蛋白在肺组织中的表达。值得注意的是，低剂量（2 μg）mRNA-VLP疫苗即可达到与高剂量（10 μg）传统mRNA疫苗相当的保护效果。

综上所述，这项研究证实，表达病毒样颗粒抗原的mRNA疫苗平台相较于传统的表达膜锚定抗原的mRNA疫苗，在多种临床前动物模型中能引发更强效、更广谱（对抗多种关切变异株）和更持久的中和抗体反应。其潜在机制可能与VLP的多价抗原呈递能更有效地激活B细胞有关。该平台的增强效力使得低剂量接种即可提供有效保护，这为降低疫苗成本、改善耐受性以及开发多价组合疫苗提供了可能性。这项由阿斯利康研究人员完成的工作，将VLP抗原设计的优势与mRNA技术平台的快速响应能力相结合，为应对SARS-CoV-2等快速变异病原体的疫苗研发提供了新的重要方向。