基于微针贴片的mRNA疫苗递送：下一代免疫接种的机遇

《AAPS Open》：Microneedle patch-based delivery of mRNA vaccines: opportunities for next-generation immunization

　　

摘要

信使RNA（mRNA）疫苗技术的最新进展使得对新发传染病的快速响应成为可能，并加速了从抗原设计到临床部署的转化进程；然而，其广泛实施仍受到制剂稳定性不足、冷链依赖、多剂次依从性挑战以及给药验证机制有限的制约。这些障碍反映了产品层面和系统层面的局限性，而非mRNA内在效力的缺陷，从而推动了将稳定性、剂量控制和验证功能整合于单一药品中的集成递送平台的发展。微针贴片技术通过将皮内递送与固态制剂相结合来应对这些挑战，在干燥基质中稳定脂质纳米颗粒（lipid nanoparticle，LNP）包封的mRNA，并实现对免疫活性皮肤层的微创递送，从而减少对注射技术和冷链物流的依赖。微针设计与制造方面的进展进一步实现了材料在皮肤中沉积的空间和时间控制，支持可编程释放模式，如单次给药初免-加强策略，以及疫苗接种记录的被动皮内编码。本综述考察了基于微针贴片的mRNA疫苗递送所涉及的设计原理、制剂策略和转化考量，重点关注与LNP制剂兼容的溶解型和刺激响应型系统、皮内转运和免疫激活机制、保持mRNA完整性的固态稳定化方法，以及新兴的嵌入光学可读标记以实现独立于外部记录的给药验证的方法。此外，还讨论了制造可扩展性、质量控制和监管考量，强调需要将制剂与制造视为耦合设计变量，并将微针贴片定位为集成疫苗产品，其实际性能由制剂、递送和制造决策之间的相互作用决定。

基于微针贴片的mRNA疫苗递送：下一代免疫接种的集成化平台

**一、研究背景与问题提出**

信使RNA（messenger RNA，mRNA）疫苗作为一种变革性的免疫接种平台，实现了抗原的快速设计、可扩展的制造以及针对多种疾病靶点的强效免疫应答。在COVID-19大流行期间，mRNA疫苗的成功应用证明了核酸类疫苗在全球范围内大规模部署的可行性。然而，尽管mRNA疫苗在内在免疫原效力方面表现出色，其实际应用效果仍受到制剂稳定性、给药物流、加强免疫依从性以及疫苗接种史持久记录等多方面实际限制的制约，尤其是在传统医疗保健环境之外。

在制剂层面，几乎所有临床部署的mRNA疫苗都依赖脂质纳米颗粒（lipid nanoparticle，LNP）来保护核酸并促进细胞摄取。然而，LNP制剂对内源性物理化学应力具有固有的敏感性，包括储存过程中的温度波动、脂质相变、聚集以及核酸降解。这些脆弱性要求冷藏或冷冻冷链分销，带来了巨大的物流复杂性和成本，导致疫苗浪费并在许多地区限制了可及性。从药学科学的角度来看，mRNA疫苗广泛部署的主要障碍在于产品稳健性和递送物流，而非疫苗效力或抗原设计本身。

与此同时，许多mRNA疫苗接种策略需要多剂次或加强免疫才能实现持久保护。对这些方案的依从性不完全仍然是一个持续的挑战，其原因包括错过随访、可及性障碍以及记录系统碎片化。在紧急或资源受限的环境中，照护者回忆、家庭记录和机构文件之间的差异使临床决策和监测复杂化，导致疫苗接种不足和过度接种并存。因此，能够减少对重复临床接触的依赖同时产生可靠给药证据的剂型代表了重要的创新机遇。

微针（microneedle，MN）贴片技术通过重新设计疫苗的递送方式和制剂形式，为应对这些挑战提供了一种根本不同的方法。MN贴片能够实现微创皮内给药，同时作为能够稳定敏感载荷的固态剂型发挥作用。重要的是，MN微制造技术能够实现材料在皮肤内的空间组织，为单次给药疫苗接种、可编程释放和给药的被动记录创造了机会。将MN贴片视为集成疫苗产品，为评估其转化潜力提供了统一的视角。

**二、主要技术方法与关键平台**

研究人员在论文中系统梳理了基于微针贴片的mRNA疫苗递送所涉及的多种技术方法。首先是溶解型微针贴片平台，该类微针由水溶性或生物可降解聚合物制成，将疫苗载荷封装于针体基质中，插入皮肤后溶解并释放疫苗。其次是刺激响应型微针系统，利用对生理信号（如pH、酶、葡萄糖）或外部触发因素响应的材料来改变溶解释放行为，实现可编程或延迟递送，从而支持单次给药的初免-加强策略。此外，论文还涉及包衣型、中空型和水凝胶形成型等替代微针架构的评估。在制剂稳定化方面，固态稳定化策略（包括受控干燥和冻干）被用于保持mRNA-LNP的完整性。在接种验证方面，光学可读标记（如近红外量子点编码微粒）通过溶解型微针皮内递送，实现接种记录的无创、持久存储和读取。制造方面，研究人员重点介绍了微针疫苗打印机技术，该技术将制剂沉积、微针成型和受控干燥整合于单一自动化流程中。

**三、研究结果与核心发现**

**皮肤靶向免疫接种与微针疫苗的理论基础。** 皮肤是富含抗原呈递细胞（包括朗格汉斯细胞和真皮树突状细胞）的高度免疫活性器官。皮内疫苗接种可以在比肌内注射更低抗原剂量的情况下引发稳健的免疫应答，这种剂量节约效应对mRNA疫苗尤为重要。然而，传统皮内注射对操作技术高度敏感，即使由训练有素的人员执行也难以可靠地实现一致的皮内靶向。MN贴片通过机械方式限定穿透深度和免疫富集皮肤层内的剂量放置，从而标准化皮内给药并减少操作者依赖性变异。

**溶解型微针贴片用于mRNA疫苗递送。** 溶解型微针贴片是研究最广泛的替代疫苗递送平台之一，特别适合mRNA制剂。将LNP包封的mRNA整合入固体聚合物基质中，可在储存期间实现稳定化，同时在皮肤再水化时保持生物活性。Jaklenec实验室的研究表明，在适当的赋形剂选择和工艺控制下，掺入溶解型微针贴片的mRNA-LNP疫苗在常温或高温储存后仍能保持翻译活性。这些发现支持了MN贴片作为固态疫苗剂型的概念，并强调了将热稳定性作为核心设计目标的重要性。

**刺激响应型微针贴片用于可编程疫苗递送。** 初免-加强疫苗接种的免疫学原理基于抗原暴露和免疫记忆形成的时间动态。初始初免建立抗原特异性淋巴细胞群体，随后加强免疫扩展和成熟这些应答，影响生发中心持久性、抗体亲和力成熟和长期保护。Langer和Jaklenec实验室的开创性研究表明，可降解聚合物微粒可以被设计为在可编程延迟后释放离散抗原脉冲，确立了单次注射初免-加强疫苗接种的可行性。将这些原理转化为与MN兼容的架构，使得单个贴片能够皮内递送初免和加强剂量，将免疫时序与皮肤靶向接种的优势相结合。

**替代微针架构评估。** 包衣型、中空型和水凝胶形成型微针系统在mRNA疫苗递送中各有取舍。中空微针系统保持与液体制剂的兼容性，因此仍依赖冷藏处理和冷链基础设施。包衣微针简化了装置几何结构，但可能限制载荷容量、包衣均匀性和制剂灵活性。水凝胶形成微针为持续或扩散介导的递送提供了机会，但引入了储库整合和转运控制的额外复杂性。尽管如此，溶解型微针平台因其将皮内递送、干态稳定化和可扩展制造整合于单一固态剂型中，对于热稳定mRNA疫苗接种仍具有特别吸引力。

**制剂与稳定性考量。** 热稳定性仍是LNP制剂mRNA疫苗的决定性约束。降解途径包括RNA水解、脂质氧化、颗粒聚集（包括不可逆聚并）和储存期间的相变。固态稳定化策略在优化制剂和工艺变量后已显示出延长保质期的巨大潜力。在MN贴片中，干燥既用于稳定疫苗载荷，又决定MN基质的机械性能。聚合物分子量、赋形剂组成、残余水分含量和干燥速率等变量同时影响疫苗稳定性和装置性能，强调了质量源于设计方法的重要性。

**接种记录与验证：信息平台功能。** 通过溶解型微针皮内递送的光学编码微粒能够在皮肤中持久存在而不改变可见外观，并可在特定激发条件下无创读取。这些光学标记在功能上类似于二维码，包含数十亿比特的机器可读信息，能够在紧凑的患者随身医疗记录中密集存储给药相关数据，独立于外部文档进行检索。后续研究已系统评估了标记物的生物相容性、信号稳定性、组织保留性和无创读取的稳健性，确立了皮内光学编码作为一种持久且安全的患者随身记录策略。时间信息标记的发展进一步使疫苗接种史能够相对于给药时间顺序进行解释。

**制造、可扩展性与全球部署。** 微针mRNA疫苗的制造挑战不同于常规注射疫苗，因为需要同时控制精确微结构制造和敏感核酸制剂。Jaklenec实验室开发的微针疫苗打印机技术将制剂沉积、微针成型和受控干燥整合于单一自动化流程中，实现了可重现的微针几何形状和一致的疫苗载量，同时保持mRNA-LNP完整性。这项工作将制造重塑为设计变量而非下游障碍，为将微针mRNA疫苗从实验室规模示范转化为实际应用提供了可行路径。

**四、讨论与结论**

微针贴片递送mRNA疫苗反映了制剂科学、微制造和免疫学进展的融合。通过以固态剂型实现皮内疫苗接种，MN贴片解决了当前注射型mRNA疫苗的若干局限性，包括冷链依赖、给药复杂性、加强免疫依从性不完全和记录碎片化。溶解型和可编程微针平台支持热稳定储存、剂量节约和单次给药初免-加强方案的潜力。当与被动皮内编码相结合时，微针疫苗还可能在护理点实现给药验证，在外部记录不完整的场景中加强对免疫原性和监测数据的解读。

然而，MN疫苗技术的转化成熟度在不同架构和应用中差异很大。虽然掺入mRNA-LNP制剂的溶解型微针系统已展示出有前景的临床前稳定性和免疫原性，许多可编程、缓释和信息赋能平台仍处于早期开发阶段。成功转化需要监管科学和制造整合方面的持续进展。监管途径必须考虑微针疫苗的组合产品性质，对机械性能、含量均匀性、稳定性和可靠给药设定明确预期。标准化关键质量属性、可扩展制造方法和临床相关性能指标对于支持跨产品和适应症的一致评估至关重要。

研究结论指出，随着mRNA疫苗技术持续扩展到传染病、癌症免疫治疗和个性化医学应用，基于微针的平台提供了一个将递送、稳定性、剂量和验证统一于单一药品中的连贯框架。工程设计与监管框架及全球部署策略的持续协调将决定这些系统是否能够实现其重塑下一代疫苗部署和评估方式的潜力。