疫苗前沿 | 癌症mRNA疫苗的设计和优化思路

导读：近年来，mRNA技术在癌症免疫治疗领域展现出革命性潜力，尤其在个性化癌症疫苗开发中备受关注。

2025年美国国家癌症研究所联合Moderna首席科学家在Journal for ImmunoTherapy of Cancer（IF：10.3）发表综述：

Leveraging mRNA technology for antigen based immuno-oncology therapies

文章亮点：该文章结合肿瘤生物学、免疫学与计算生物学方法，提出了一套从抗原、抗原表位选择到mRNA结构优化的完整框架，包括抗原表位的识别和计算的实用工具，为mRNA癌症疫苗的设计优化和临床转化提供了极具价值的技术指导。

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研究背景

癌症疫苗作为一种有效的组合伴侣，能够激活宿主免疫系统对抗肿瘤，提高免疫疗法的疗效。自2004年以来，癌症疫苗相关的临床试验快速增加，但相关管线中仅有极少品种获批上市。2020年以来，mRNA技术的出现为癌症治疗带来了新的希望。

截至2024年8月，全球共有23项个体化新抗原mRNA疫苗试验正在招募，其中KEYNOTE-942 IIb期试验显示，mRNA-4157联合PD-1抑制剂帕博利珠单抗（Pembrolizumab）可显著延长黑色素瘤患者无复发生存期（RFS）。据2025年Moderna最新披露新型，mRNA-4157作为首款mRNA癌症疫苗，有望在2027年获批上市。

选择合适的肿瘤抗原是设计mRNA癌症疫苗的关键步骤，包括共享抗原和患者特异性抗原、抗原表位的计算。此外，mRNA疫苗的另一特色是，需优化mRNA结构以增强其免疫原性和稳定性，例如密码子优化等序列设计策略、有效递送系统的开发等。

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抗原靶点分类

2.1肿瘤抗原分类

抗原靶点的选择是癌症疫苗设计的核心。癌症抗原主要分为两类：肿瘤相关抗原（TAAs）和肿瘤特异性抗原（TSAs）。

肿瘤相关抗原（TAAs）的代表有MAGE-A1、NY-ESO-1等，在肿瘤组织中异常高表达，但在正常组织中（除生殖细胞外）几乎不表达。TAA是现货型mRNA疫苗的热门靶点。

肿瘤特异性抗原（TSAs）包括病毒抗原（如HPV、EBV）和新抗原（neoantigens），后者由体细胞突变（如SNV、Indel、基因融合）产生，具有高度个体特异性。TSA是癌症个性化疫苗开发的靶点。

2.2 新抗原来源与分类

肿瘤新抗原根据突变类型可分为：非同义单核苷酸变异（SNVs）、二核苷酸变异（DNPs）、插入缺失（Indels）、基因融合和其他非经典抗原。

其中非同义单核苷酸变异（SNVs）最为常见，但共享热点突变免疫原性较低，如KRAS G12D。二核苷酸变异（DNPs）常被误判为两个独立SNVs，需专用注释工具（如MAC算法）校正。插入缺失（Indels）：与MHC结合亲和力较高（较SNVs高3倍），但小片段Indel检测易受低复杂度区域干扰。基因融合检测算法往往产生假阳性。

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抗原表位的选择和优化

靶抗原鉴定之后，通常通过计算机评估来确定靶抗原中是否存在可能引起免疫反应的最小表位。个体化疫苗设计根据患者的特异性突变和HLA 等位基因选择独特的新抗原衍生表位，而泛等位基因“现货”设计旨在通过选择可能在更广泛的 HLA 类型中有效的共享抗原来实现更广泛的适用性。

预测肽-MHC 相互作用的工具包括：

1.HLA结合预测：NetMHCpan-4.1、MixMHCpred等工具结合质谱数据（如HLAthena的1.4M HLA-II配体数据），显著提升预测准确性。

2.免疫原性评估：PRIME、IMPROVE等模型通过整合肽-HLA稳定性、疏水性等特征，优化免疫原性预测。

3.多组学整合：结合肿瘤突变负荷（TMB）、持久性TMB（pTMB）等生物标志物，筛选高克隆性突变以提高疫苗靶向性。

对于选定的抗原和/或表位，下一步应优化蛋白质或多肽序列。优化的目的是最大化T细胞免疫原性，同时避免脱靶效应和自身免疫风险。设计策略包括：

1.功能域剔除：如黑色素瘤疫苗中截断酪氨酸酶跨膜结构域，消除其生理功能。

2.免疫抑制基序规避：如EB病毒核抗原1（EBNA1）的甘氨酸-丙氨酸重复（GAr）结构域会抑制抗原呈递，需通过密码子优化破坏其G-四链体结构。

3.辅助肽融合：泛DR限制性辅助表位PADRE可激活CD4+ T细胞，在乳腺癌、胶质母细胞瘤疫苗中显著增强免疫反应。

4.多表位设计：多表位设计中常用的连接子包括AAY、EAAAK、KK 和灵活的富含甘氨酸的基序，如 GPGPG、GGGGS。

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mRNA和递送系统的优化

mRNA设计的核心在于平衡稳定性与免疫原性：

1.密码子优化：LinearDesign算法通过稳定mRNA二级结构，提升翻译效率（体内外免疫原性提高3倍）。

2.核苷酸修饰：假尿苷（Ψ）和N1-甲基假尿苷（N1mΨ）可降低TLR介导的先天免疫激活，但过度修饰可能导致核糖体移码（如N1mΨ引发+1移码）。

3.杂质控制：双链RNA（dsRNA）残留会触发非特异性炎症反应，需通过纯化工艺将其降至<1%。

有证据表明，脂质纳米颗粒（LNPs）不仅是递送载体，还具有内在佐剂效应，能够增强mRNA的免疫原性。例如，可电离脂质可激活抗原呈递细胞（APCs），促进细胞吞噬与成熟。此外，通过调整LNP组分（如DLin-MC3）可定向诱导Th1/Th2反应，适应不同治疗需求。

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mRNA癌症疫苗未来研究方向

5.1联合治疗探索

当前mRNA癌症疫苗的临床试验主要聚焦于免疫检查点抑制剂（如PD-1抗体）联用，未来可尝试计算方法来预测最佳抗原组合、评估免疫原性和模拟免疫相互作用，以确定与mRNA 疫苗联合使用的有前途的靶点，例如CTLA-4抗体、LAG-3抗体。

5.2新型生物标志物开发

已建立的生物标志物，如肿瘤突变负荷（TMB） 或 PD-L1 表达，为免疫检查点抑制 （ICI）疗法提供了有价值的见解，但它们对治疗性疫苗的适用性有限。未来可探索更多新型的生物标志物，如持续性TMB（pTMB）更准确地预测持续的治疗反应。

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总结与展望

mRNA技术为癌症免疫治疗提供了快速、灵活且安全的平台，其成功依赖于抗原靶点的精准识别与疫苗设计的全面优化。未来需通过跨学科合作（计算生物学、免疫学、临床医学）突破免疫原性预测瓶颈，开发新型联合策略，并推动个体化疫苗的规模化生产。随着技术的迭代与临床数据的积累，mRNA疫苗有望成为癌症治疗从“广谱疗法”迈向“精准治疗”的关键推手。

参考文献

[1] Floudas CS, Sarkizova S, Ceccarelli M, Zheng W. Leveraging mRNA technology for antigen based immuno-oncology therapies. J Immunother Cancer. 2025 Jan 22;13(1):e010569. doi: 10.1136/jitc-2024-010569.

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撰写| 工程菌星球

校稿| Gddra编审| Hide / Blue sea

编辑 设计| Alice