行研 | 纳米颗粒疫苗：后新冠时代的疫苗技术新星
作者：Ming
截至2022年7月20日，全国新冠病毒疫苗接种覆盖率为92.1%，全程接种89.7%。截至2022年4月27日，第三针的续贯免疫达到53.1%1。国内主要的上市新冠疫苗技术路径包括灭活疫苗、重组蛋白疫苗、腺病毒疫苗，以RNA疫苗为代表的核酸疫苗尚处于临床阶段。现有上市的疫苗针对早期新冠株的保护力度可达70-80%，对于重症/死亡的保护力度高达90-100%。但是由于新冠病毒的不断突变造成中和抗体的明显下降，以及疫苗保护时长有限，市场上仍存在针对不同突变株的高效价、高安全性的疫苗需求。新冠的传播越来越像流感，新冠突变株与流感以及呼吸道相关的多价联苗是未来的潜在市场需求。
突变株突破感染风险高，针对突变株的疫苗仍在早期临床
现有疫苗可以有效降低奥密克戎感染的重症率及死亡率，但是突破感染的风险仍然较高, 且疫苗保护力度随着时间快速降低。英国卫生安全局公布的数据显示，在接种第三针疫苗后的2至4周内，预防感染奥密克戎的有效性可达75%。然而研究发现，加强针提供的保护在大约10周后就会明显减弱，只能为症状性感染提供45%-50%的保护效果。布局针对奥密克戎突变株的公司尚属研发及临床阶段，其中走的比较快的包括国外Moderna, BioNtech（图1）。
国内也有多家公司布局，其中比较快的是国药中生和科兴生物，针对奥密克戎变异株的特异性疫苗已获准在浙江、湖南以及中国香港等地进行临床试验。国药中生将采用随机、双盲、队列研究的形式，在已完成2或3剂新冠疫苗接种的18岁及以上人群中进行序贯免疫临床研究，评价两款疫苗的安全性和免疫原性。
图1.布局突变株的主要公司1
纳米颗粒疫苗具备多种优势，发力新冠
由于新冠疫情仍有未满足的市场需求，科研和产业界都在尝试应用和转化新的疫苗技术。其中纳米颗粒疫苗是HIV病毒学家在近年来的最为关注的方向，因此在新冠疫苗开发上也逐步走向临床。
纳米颗粒疫苗包含三种疫苗形式：
1）与抗原混合起佐剂效果
2）包裹抗原
3）抗原展示平台（这里我们主要关注作为抗原展示平台的蛋白纳米颗粒疫苗）
图2.纳米颗粒疫苗的三种形式1
最早的作为展示平台的蛋白纳米颗粒疫苗是病毒样颗粒（Virus-like Particle, VLP）。VLP是多个结构蛋白自我组装形成的高度结构化蛋白颗粒，直径20 nm到800 nm，其在形态结构上与相应的天然病毒具有高度一致性。由于20-200nm 是接近抗原递呈细胞和其他免疫细胞的有效识别大小1，因此纳米颗粒的尺寸和大小能够有效的激活免疫系统，并起到自佐剂的作用。VLP为空壳结构，不含病毒遗传物质，不能自复制或者传染，安全性也较好。至今发现的可以自组装成VLP的病毒蛋白大概有110种，第一批VLP疫苗已被用于临床试验和商业批准。
由于自组装病毒蛋白的低表达产量和来自表达系统的宿主细胞污染物的存在等，VLP生产过程仍然面临很多挑战，也带来了产业发展的局限。因此，非病毒来源的自组装蛋白逐渐获得产业的关注。
除了病毒蛋白，自然界中能够自组装的寡聚蛋白质也被发现和应用，包括铁蛋白、二氧四氢喋啶合酶、C4b结合蛋白等（图2）。此类非病毒的自组装蛋白优势包括：
1）生物兼容性好、均一性好、可拓展不同的抗原。过去实验证明静脉注射的蛋白纳米疫苗可以分布于血液系统，并快速聚集于甲状腺核脾脏，更好的建立体液免疫。
2）作为VLP的潜在替代技术，高度寡聚的非病毒蛋白通常是酶或动态平衡蛋白，容易生产。自结合蛋白的一个特点是它是一个单一的蛋白质组分，可以很容易地组装成稳定的高度寡聚结构。
图2.可自组装的蛋白及其特性1
铁蛋白是科研以及临床最常见的非病毒自组装的蛋白。这是一种存在于大多数生物体内，参与细胞内铁储存的天然蛋白质。铁蛋白是最早于1884被Schmiedeber发现，1937年法国科学家Laufberger从马的脾脏中成功将其分离并命名为铁蛋白2。它是一种脱铁蛋白组成的具有大分子（450KD）结构的糖蛋白，由24个亚基自组装形成的蛋白质外壳和铁内核两部分组成，内部可以形成一种空壳结构。该复合体由8个八面体对称的三聚体组成，类似于菱形十二面体。每个24聚体面上可以通过一个连接子，以共价键形式结合抗原，最高可装24个抗原（图3）。
基于铁蛋白形成的纳米颗粒疫苗具备多种优势3：
1）有效性高：可以连接最高24个抗原，直径15-20nm，为免疫系统的有效识别的尺寸，因此可以有效激活免疫反应， 带来较高的中和抗体效价。
2）安全性好：铁蛋白为天然存在的蛋白；以基于铁蛋白的流感疫苗上了1期临床，报道耐受性良好4。
3）生产容易：铁蛋白可以用大肠杆菌进行大规模、低成本的生产，而且铁蛋白为自组装，不需要额外的催化。生产的铁蛋白与天然铁蛋白结构一致，粒径均一。
4）稳定性好：铁蛋白对于PH值、多种变性剂、温度等变化的耐受性高，对于保存、运输等要求低。
5）可拓展性强：通过连接不同的抗原，可以形成多价联苗。
纳米颗粒疫苗是HIV病毒学家最关注的疫苗技术，并寄予希望解决病毒学最难攻克的问题。而最靠近临床的基于铁蛋白纳米颗粒疫苗也受到了资深冠状病毒专家的关注，在新冠疫苗的应用上崭露头角。
在所有疫苗技术中，RNA疫苗是产生中和抗体滴度最高、保护力度最高的技术。而2021美国北卡罗来纳大学（UNC）教堂山分校-微生物学和免疫学系教授、资深冠状病毒专家Ralph Baric教授在Nature上发表了文献，在动物模型上直接对比了铁蛋白纳米颗粒疫苗和已上市的RNA-lnp疫苗。数据显示铁蛋白纳米疫苗对比RNA-lnp疫苗可以更强的激活中和抗体，以及更好的广谱性5。
图3. 铁蛋白纳米颗粒疫苗结构3
有效性数据：
- 两针后，铁蛋白疫苗产生的中和抗体滴度高于RNA-LNP： 47,216 vs 6,469。
- 攻毒实验：铁蛋白两针，感染真病毒，猴子的上下呼吸道没有检测到病毒；没有免疫的猴子检测到病毒。
交叉保护作用：
- 食蟹猴数据显示，针对D614G、英国突变株（B1.1.7)、南非变异株（B1.351）、巴西株 （P.1)，铁蛋白疫苗和RNA-LNP疫苗都有保护作用。
- 铁蛋白产生的中和抗体高于RNA-LNP；针对突变株的中和抗体下降程度少于RNA-LNP，铁蛋白疫苗对于突变株的保护力度更优。
图4. 铁蛋白纳米颗粒疫苗vs RNA-LNP疫苗有效性数据对比3
除了铁蛋白，还有其他的自组装蛋白也在探索疫苗的临床应用。2021年发表于International Journal of Molecular Sciences 的review列举了现有针对新冠的蛋白的纳米颗粒疫苗的临床前进展（图5）。
图5. 针对新冠病毒的蛋白纳米颗粒疫苗6
在新冠上，针对纳米颗粒疫苗走的最快的是韩国的SKBIO公司，其研发的基于60聚体的纳米颗粒疫苗已经在韩国获批上市，并在今年3月与韩国签署了3000万剂的销售协议。SKBIO的疫苗在3期临床中的数据显示其能提高中和抗体滴度达33倍，且优于对照组的阿斯利康疫苗；同时临床数据显示了疫苗良好的耐受性8。国内外也有其他公司布局，针对突变株的疫苗主要布局者是千扬生物。
图6. 部分布局新冠纳米颗粒疫苗的公司（奇迹之光分析整理）
拉长时间维度看，新冠将呈现流感化，“新冠+流感”疫苗有望高比例替代原有单一疫苗
保守测算，未来呼吸道联苗上市后全球市场有望>100亿美元/年。Marketwatch最新研报显示，2020年全球流感疫苗市场规模51.5亿美元，预计2027年将达到72.9亿美元， 2021-2027年CAGR为4.8%。2020年国内流感疫苗市场规模合计约40亿元。2018-2020年，龙头华兰生物的四价流感灭活疫苗销售额分别为6.97亿元、7.74亿元、24.22亿元 。2020年，我国获批签发流感疫苗的企业共有11家，合计批签发5,751.99万剂。
在不考虑提价因素下，新冠+流感的多价疫苗作为升级产品将有望高比例替代单价疫苗。现在布局联苗的公司包括：国外的Novavax、赛诺菲2家种子选手，及 mRNA巨头Moderna、BioNTech等。
纳米颗粒疫苗临床应用刚起步，最优的疫苗形式仍有待摸索
疫苗的保护作用在于激活T细胞和B细胞，因此在选择纳米颗粒疫苗的形式时，需要考虑以下几点1：
1）尺寸：尺寸大小是一个平衡，部分数据显示越大的纳米颗粒可以越有效被apc识别，更强的激活T细胞，但是同时也要具备好的淋巴流通性。
2）抗原的选择和抗原之间的距离：不同的抗原会带来不同的免疫原性，是疫苗产品的重要选择。而抗原的数量以及密集程度也和疫苗的有效性息息相关。现有数据显示展示越多的抗原以及越密集的抗原可以更强的激活B细胞，但是同时过度密集会影响抗原结合的有效性，因此需要找到数量、距离的一个最好的平衡点。
3）抗原和自组装蛋白可以通过化学、基因融合、标签耦合等方式连接。而选择的连接方式将直接影响连接效率，继而影响疫苗的有效性。另外一方面疫苗生产的稳定性、均一性、成本、以及生产可放大性等也与之挂钩。
图7. 纳米颗粒疫苗需要考虑的重要参数1
现在也有些科研团队开发了计算机算法可以设计不同纳米颗粒的结构。这种候选疫苗由华盛顿大学医学院的科学家们设计，目前已转给两家公司进行临床开发。相关研究结果于2020年10月30日在线发表在Cell期刊上，未来也会有更多纳米颗粒结构的选择9。
蛋白纳米颗粒疫苗为新一代蛋白疫苗技术，有望成为疫苗行业破局者
对比不同的疫苗技术，蛋白疫苗在有效性和安全性上优势显著，但单体重组蛋白疫苗对于佐剂的依赖程度高，而纳米颗粒疫苗作为抗原的展示平台，可增加其免疫原性，减少对于佐剂的依赖。另外保有了蛋白疫苗传代稳定、无需冷链运输，无需特殊生产条件，成本低廉等多方面优势，使其在预防性疫苗的应用上独树一帜。蛋白纳米颗粒疫苗在多价疫苗方向，以及作为疫苗载体方面都有巨大潜力。纳米颗粒疫苗临床应用现在只有一家上市产品，其他产品尚属临床阶段，但是其作为疫苗的有效性和安全性得到了一定的验证，进一步的优势还需要有更多的临床数据的积累。另外在疫苗的形式、抗原的选择、蛋白工艺生产方面都有待进一步的摸索。
预防性疫苗属于非常保守的行业，对于安全性要求极高，对于新技术的门槛也极高。而由于新冠的出现，让新的疫苗技术, 如RNA疫苗，能够有机会快速进入临床，通过自身技术的强大优势在保守的疫苗行业占据一方市场。而纳米颗粒疫苗作为新一代蛋白疫苗技术的代表，是否也能通过新冠的契机成为疫苗行业的破局者，值得期待！
参考资料：
1 Nguyen B, Tolia NH. Protein-based antigen presentation platforms for nanoparticle vaccines. NPJ Vaccines. 2021;6(1):70.
2 Song N, Zhang J, Zhai J, Hong J, Yuan C, Liang M. Ferritin: A Multifunctional Nanoplatform for Biological Detection, Imaging Diagnosis, and Drug Delivery. Acc Chem Res. 2021;54(17):3313-3325.
3 魏珍珍, 刘兴健, 王朋,等. 自组装铁蛋白在纳米疫苗领域的应用进展[J]. 生物技术进展, 2019, 9(3):6.
4 Houser KV, Chen GL, Carter C, et al. Safety and immunogenicity of a ferritin nanoparticle H2 influenza vaccine in healthy adults: a phase 1 trial. Nat Med.
5 Saunders KO, Lee E, Parks R, et al. Neutralizing antibody vaccine for pandemic and pre-emergent coronaviruses. Nature. 2021;594(7864):553-559.
6 Sung HD, Kim N, Lee Y, Lee EJ. Protein-Based Nanoparticle Vaccines for SARS-CoV-2. Int J Mol Sci. 2021;22(24):13445.
7 Walls AC, Fiala B, Schäfer A, et al. Elicitation of Potent Neutralizing Antibody Responses by Designed Protein Nanoparticle Vaccines for SARS-CoV-2. Cell. 2020;183(5):1367-1382.e17.
8 SK Bioscience 官网https://www.skbioscience.co.kr
9 Walls AC, Fiala B, Schäfer A, et al. Elicitation of Potent Neutralizing Antibody Responses by Designed Protein Nanoparticle Vaccines for SARS-CoV-2. Cell. 2020;183(5):1367-1382.e17.
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