Ao contrário das vacinas tradicionais que dependem de patógenos inativados ou proteínas recombinantes, as vacinas contra ácido nucleico fornecem moléculas de DNA ou RNA que codificam antígenos para sintetizar diretamente as proteínas alvo nas células hospedeiras e ativar respostas imunes precisas.
Esse caminho mostrou um grande potencial na pandemia COVID -19 - levou apenas 11 meses desde o design de sequência até a aprovação das vacinas de mRNA, estabelecendo um novo registro na história do desenvolvimento de medicamentos. Ele não apenas verifica a rápida vantagem da resposta da tecnologia de ácido nucleico, mas também promove uma profunda reconstrução da indústria biomédica global.
No entanto, apesar das vantagens de alta eficiência, rapidez e segurança, essa tecnologia ainda enfrenta desafios como eficiência de entrega, dependência do armazenamento de baixa temperatura e segurança a longo prazo a ser verificada. Este artigo tem como objetivo resolver a tecnologia da vacina contra ácido nucleico, incluindo conceitos, princípios, desafios e tendências futuras, a fim de aumentar a compreensão dos leitores e promover o desenvolvimento industrial.
Visão geral da indústria
As vacinas contra ácido nucleico, também conhecidas como vacinas gênicas, devem introduzir diretamente genes exógenos que codificam uma certa proteína de antígeno em células animais, sintetizam as proteínas antígenos com a ajuda do sistema de expressão de células hospedeiras e, em seguida, induzem o hospedeiro a produzir uma resposta imunológica à proteína antígena para alcançar o objetivo de prevenir e prevenir discussões.
De acordo com os principais componentes, as vacinas com ácido nucleico são divididas em vacinas contra o DNA e vacinas de mRNA. As vacinas com ácido nucleico alteraram o modelo tradicional de vacina de confiar no tratamento de patógenos. A partir do nível genético, eles abriram um novo caminho para usar células humanas para produzir estimulantes imunes, trazendo novas idéias e métodos para a prevenção e tratamento de doenças.
Comparados com as vacinas tradicionais, as vacinas com ácido nucleico têm muitas vantagens:
- Primeiro, a eficácia protetora é aprimorada. As vacinas com ácido nucleico podem estimular a imunidade celular e a imunidade humoral ao mesmo tempo. Comparado com as vacinas tradicionais que geralmente desencadeiam uma única resposta imune, como vacinas inativadas que ativam principalmente a imunidade humoral, o mecanismo de ativação dupla de vacinas de ácido nucleico fornece mais forte proteção imune.
- Segundo, a preparação é simples, economizando tempo e esforço. As vacinas com ácido nucleico podem ser amplificadas em grandes quantidades, o processo de purificação é relativamente simples e pode ser combinado com uma variedade de plasmídeos recombinantes que codificam diferentes genes de antígeno para preparar vacinas multivalentes, reduzindo o consumo de mão de obra, recursos materiais e recursos financeiros.
- Terceiro, proteção cruzada entre as mesmas espécies e tensões diferentes. Os vetores de expressão da vacina contra a vacina contra ácido nucleico podem transformar flexivelmente os genes alvo que eles carregam e selecionam determinantes antigênicos de maneira direcionada, alcançando assim a proteção cruzada contra patógenos da mesma espécie e diferentes cepas.
- Quarto, é mais seguro usar. Os antígenos proteicos são expressos nas células hospedeiras e não há risco de causar doenças devido à reversão de virulência ou virulência residual, nem causará reações adversas graves no corpo. O quinto é uma resposta imune duradoura. As vacinas com ácido nucleico têm forte persistência imune e podem obter imunidade a longo prazo após uma vacinação. O sexto é a expansão das áreas de tratamento. As vacinas tradicionais são usadas principalmente no campo da prevenção de doenças infecciosas. As vacinas com ácido nucleico expandiram com sucesso seu escopo de aplicação para novos campos, como tratamento de tumores, quebrando as limitações de aplicação das vacinas tradicionais.
Processo de Pesquisa e Desenvolvimento da Tecnologia da Vacina de Ácidos Nucleicos
O processo de pesquisa e desenvolvimento de vacinas contra ácido nucleico inclui seis etapas principais:
- O primeiro é o design de antígenos e a triagem de sequência. Com base nos dados do gene de patógenos, o antígeno alvo (como a nova proteína do coronavírus) é determinado, a sequência de codificação é otimizada através da bioinformática, a estrutura de 5 ', a região da UTR e a preferência de códons do mRNA são ajustadas, ou um plasmídeo de DNA contendo um promotor forte é projetado.
- O segundo é a síntese de ácido nucleico. As vacinas de DNA são amplificadas e purificadas por plasmídeos de fermentação de Escherichia coli, enquanto as vacinas contra o mRNA usam a tecnologia de transcrição in vitro para sintetizar o RNA modificado (como substituição de pseudouridina) e remover impurezas como RNA de fita dupla.
- O terceiro é a construção de um sistema de entrega. As vacinas de DNA dependem de portadores de eletroporação ou química para penetrar na membrana celular e na membrana nuclear, e as vacinas de mRNA são encapsuladas por nanopartículas lipídicas (LNPs) e as nanopartículas são homogeneizadas por tecnologia de microfluídicos.
- Quarto, validação in vitro. Vacinas candidatas transfectas em linhas celulares para detectar eficiência da expressão de antígenos e ativação imune inata (ELISA para medir citocinas)
- Quinta, avaliação do modelo animal, teste de imunogenicidade (anticorpos neutralizantes, respostas das células T) e segurança (toxicidade local/sistêmica) em camundongos ou primatas não humanos. Sexto, desenvolvimento do processo de produção. Estabelecer linhas de produção modulares (como síntese de LNP de fluxo contínuo), otimizar os processos de purificação (HPLC para remover impurezas) e formular padrões de controle de qualidade (integridade do ácido nucleico, esterilidade, detecção de tamanho de partícula de LNP) para estabelecer a base para a produção em larga escala.
Desafios técnicos
Eficiência insuficiente e direcionamento de sistemas de entrega
- Eficiência de entrega limitada para vacinas contra o DNA, elas devem não apenas passar pela membrana celular, mas também atravessar a membrana nuclear para entrar no núcleo celular para funcionar. Embora a tecnologia de eletroporação possa melhorar sua eficiência de inserir as células em certa medida, essa tecnologia causará danos aos tecidos locais, tornando necessário usá -la com cautela em aplicações clínicas.
- Embora as vacinas de mRNA não precisem entrar no núcleo celular, o sistema de entrega de nanopartículas lipídicas mainstream (LNP) possui uma baixa taxa de captação de células e uma eficiência de liberação intracelular insatisfatória, que não pode estimular completamente a resposta imune.
- O órgão ruim direcionado ao atual sistema de entrega do LNP possui defeitos óbvios de direcionamento de órgãos. É mais provável que seja enriquecido no fígado no corpo, dificultando a obtenção de entrega direcionada precisa para outros órgãos, como os pulmões esperados pelas vacinas contra o vírus respiratório e órgãos como o baço e os linfonodos que desempenham um papel fundamental na resposta imune.
- Por exemplo, ao desenvolver vacinas imunológicas da mucosa contra vírus respiratórios, a vacina precisa ser entregue com precisão aos pulmões para estimular uma resposta imune eficaz, mas é difícil atingir esse objetivo com as tecnologias existentes.
Estabilidade e armazenamento e transporte gargalos
- O dilema da dependência de baixa temperatura das vacinas de mRNA moléculas de mRNA é instável e será rapidamente degradado, desde que as enzimas de RNA estejam presentes no ambiente, o que torna as vacinas contra o mRNA extremamente exigentes nas condições de armazenamento e geralmente precisam ser armazenadas em ambientes de temperatura ultra baixa de -20 ° C a -70 ° C.
- Embora a tecnologia de secagem por congelamento, como a tecnologia usada na vacina de segunda geração da Curevac, possa melhorar essa situação em certa medida e aumentar a temperatura de armazenamento para 2-8 ° C, o agente de proteção usado nessa tecnologia é complexo e caro, o que aumenta o custo de produção da vacina.
- Contradição entre a estabilidade da vacina contra o DNA e a eficiência da expressão em comparação com as vacinas contra o mRNA, o DNA do plasmídeo tem melhor estabilidade à temperatura ambiente e pode ser armazenado por um longo tempo.
- No entanto, a eficiência da expressão in vivo é muito menor que a das vacinas de mRNA. Para melhorar a entrega e a eficiência de expressão das vacinas contra o DNA, são necessários métodos físicos como eletroporação ou armas de genes, mas esses métodos são complicados de operar, têm altos requisitos para equipamentos e operadores e enfrentam muitas dificuldades na aplicação em larga escala, dificultando a atendimento às necessidades de produção e vacinação em larga escala.
Vacinas de mRNA de controvérsia de segurança a longo prazo expuseram alguns riscos potenciais em aplicações reais, como a indução de miocardite e pericardite.
Embora a incidência seja baixa, cerca de 0,003%, o mecanismo específico de ocorrência ainda não está claro. Especula-se que possa estar relacionado à ativação de respostas imunes inatas por moléculas de ácido nucleico ou à indução de imunidade cruzada. Quanto às vacinas de DNA, embora não haja evidências clínicas para mostrar que existe um risco de integração genômica, teoricamente, esse risco existe.
- Desafios da produção em larga escala e controle de custos 1. O gargalo do processo da produção de LNP, o componente-chave do LNP, lipídios ionizáveis, como o ALC-0315, possui um processo de síntese extremamente complexo e requer condições de reação de temperatura ultra baixa durante o processo de síntese.
- Isso não apenas atribui requisitos extremamente altos no equipamento de reação, mas também possui enormes custos de investimento em equipamentos, com uma única linha de produção custando mais de US $ 100 milhões. Além disso, os lipídios PEG no LNP podem causar reações alérgicas em aplicações reais.
- Embora materiais alternativos, como fosfolipídios peguilados, estejam sendo desenvolvidos ativamente, a viabilidade e a eficácia desses materiais alternativos nos processos reais de produção ainda precisam ser mais verificados. 2. Limiar da tecnologia de purificação de mRNA no processo de transcrição in vitro para gerar mRNA, serão produzidas impurezas como RNA de fita dupla, o que afetará a segurança e a eficácia da vacina.
- Atualmente, a tecnologia de cromatografia líquida de alto desempenho (HPLC) é usada principalmente para purificar o mRNA, mas essa tecnologia tem limitações óbvias. Por um lado, a eficiência de purificação do equipamento HPLC está diretamente relacionada à qualidade do mRNA.
- Por outro lado, a capacidade de produção do equipamento global de HPLC é limitada. Ao produzir vacinas contra ácido nucleico em larga escala, não pode atender à demanda por purificação rápida e em larga escala do mRNA, que se tornou o principal gargalo que restringe a expansão da capacidade de produção de vacina contra ácido nucleico.
