基于共识序列设计的转扩增mRNA疫苗可诱导广谱中和抗体有效应对SARS-CoV-2变异株

为解决SARS-CoV-2变异株逃逸疫苗免疫及传统mRNA疫苗剂量需求高的难题，宾夕法尼亚州立大学团队开发了基于共识序列设计的转扩增(TA) mRNA疫苗。研究表明，该疫苗仅需常规疫苗1/40的抗原mRNA剂量即可在小鼠体内产生等效中和抗体，对Omicron BA.1攻毒模型显示10倍以上的病毒载量降低，并能交叉中和Alpha至Omicron等多种变异株。该成果为开发广谱、低剂量的新一代疫苗提供了重要技术路径。

　　

新冠病毒持续变异给疫苗研发带来严峻挑战。随着Alpha、Beta、Gamma、Delta到Omicron等变异株的不断出现，现有疫苗面临免疫逃逸和防护范围受限的问题。更棘手的是，传统mRNA疫苗需要高剂量抗原（如Moderna疫苗达100μg/剂），导致全球供应紧张。如何开发既能应对快速变异又具备剂量优势的新一代疫苗，成为当前研究的重点方向。

宾夕法尼亚州立大学的研究团队创新性地将两种策略相结合：一是采用基于多变异株共识序列设计的刺突蛋白(Spike)抗原，二是利用转扩增mRNA(Trans-amplifying mRNA, TA mRNA)技术平台。该研究通过系统评估疫苗在小鼠模型中的免疫原性和保护效力，证实这种新型疫苗设计能在显著降低抗原用量的前提下，实现与传统疫苗相当的免疫保护效果，相关成果发表在《npj Vaccines》期刊。

研究主要采用四种关键技术方法：1) 基于MUSCLE算法的多序列比对构建共识Spike序列；2) Venezuelan equine encephalitis virus (VEEV)复制酶系统的TA mRNA构建；3) hACE2转基因小鼠攻毒模型评估保护效力；4) 假病毒中和试验检测交叉中和能力。此外，通过转录组分析揭示了VEEV复制酶对宿主抗病毒通路的调控机制。

共识SARS-CoV-2刺突抗原的设计
研究人员对9个主要变异株（从原始株到Omicron BA.5）的Spike蛋白进行多序列比对，构建出包含关键RBD区域突变（K417N/T478K/E484A/N501Y）和6个脯氨酸稳定化突变的共识序列。AlphaFold 3结构预测显示该共识蛋白与原始株Spike（PDB 6XKL）的RMSD仅1.154 ?，证实其结构保守性。

转扩增mRNA疫苗的构建与验证
疫苗系统包含两个独立mRNA组分：编码VEEV复制酶的mRNA（53 kDa）和携带VEEV保守序列元件(CSEs)的共识Spike mRNA。体外实验显示，与单独转染相比，共转染组在12小时后Spike蛋白表达量显著增加（p=0.0033），验证了TA系统的扩增能力。Western blot检测到180 kDa全长Spike和78 kDa切割片段。

mRNA疫苗接种诱导小鼠产生SARS-CoV-2中和抗体
在K18-hACE2转基因小鼠中评估三种方案：传统mRNA组（20μg Spike）、TA高剂量组（TAHD，0.5μg Spike+20μg复制酶）和TA低剂量组（TALD，0.05μg Spike+20μg复制酶）。两次免疫后，TAHD组的中和抗体滴度（log₂ 6.82）与传统mRNA组（log₂ 7.32）无显著差异（p=0.14），但比TALD组高2.5倍（p=0.0037）。假病毒中和试验显示，TAHD组对Omicron BA.1的ED₅₀达131.3±13.1，呈现广谱中和特性。

转扩增mRNA疫苗实现显著剂量节约效应
Omicron BA.1攻毒后，TAHD组肺组织病毒载量较mock组降低10倍以上（TCID₅₀ 4.31 vs 5.35，p=0.0022），与传统mRNA组效果相当（p=0.44）。值得注意的是，这一保护效果是在TAHD组Spike mRNA剂量仅为传统组1/40的情况下实现的。

VEEV复制酶调控宿主抗病毒反应
转录组分析发现，VEEV复制酶可持续抑制干扰素刺激基因(ISGs)，包括CCL5、IFNB1和IFNL家族基因。GO分析显示，12小时后I型干扰素信号通路（调整后p=0.0012）和STAT蛋白磷酸化通路显著受抑，这可能是TA系统增强抗原表达的潜在机制。

该研究首次证实，基于共识序列设计的TA mRNA疫苗能突破传统疫苗的两大局限：一是通过"分子进化指导"的抗原设计实现对Omicron等变异株的交叉保护；二是利用VEEV复制酶系统将抗原需求降低40倍。特别值得注意的是，疫苗在仅含0.5μg Spike mRNA的情况下，仍能诱导出与传统20μg剂量相当的免疫应答，这对解决全球疫苗供应不平等问题具有重要现实意义。

研究也揭示了若干有待深入探索的机制问题：VEEV复制酶对JAK-STAT通路的抑制作用可能是一把"双刃剑"，虽有利于抗原表达但需评估长期安全性；针对复制酶本身的免疫应答是否影响加强针效果仍需验证。未来研究可进一步优化LNP递送系统，并探索将多个变异株mRNA整合的多价疫苗策略。

这项突破性工作为应对快速变异的RNA病毒提供了创新解决方案，其技术路线不仅适用于SARS-CoV-2，也为开发流感、HIV等变异频繁病毒的广谱疫苗开辟了新途径。随着后续临床转化的推进，这种"低剂量-广覆盖"的疫苗设计理念有望重塑传染病防控格局。