冻干技术：让 mRNA 疫苗告别 “冷链依赖” 的关键方案

摘要：mRNA 疫苗凭借防控新冠、对抗癌症等优势，成为医药领域的 “明星”，但它有个致命缺点 —— 怕热。 Pfizer-BioNTech 疫苗要在 - 80℃储存，Moderna 疫苗需 - 20℃存放，在基础设施薄弱的地区，冷链运输和储存难题让很多人难以用上它。不过，冻干技术（冷冻干燥）的出现带来了希望。本文就来科普冻干技术如何让 mRNA 疫苗 “扛住” 高温，实现长期储存，以及背后的科学原理、关键技术和未来方向。

一、mRNA 疫苗的 “软肋”：低温依赖难题

mRNA 疫苗是个 “多面手”，不仅能应对新冠，还在流感、HIV 甚至癌症治疗的临床试验中展现潜力。比如针对黑色素瘤、肺癌等癌症的 mRNA 免疫疗法，已进入临床研究阶段。但它也是个 “娇贵的主”，热稳定性极差，这成了它全球普及的最大障碍。

像大家熟悉的 Pfizer - BioNTech 新冠疫苗，必须储存在 - 80℃，Moderna 疫苗虽稍好，也要 - 20℃，两者在这种低温下的保质期最多 6 个月。而后来推出的 SpikeVax 和 Comirnaty 疫苗，在室温下分别只能稳定 12 小时和 6 小时。对于很多低收入国家，缺乏完善的超低温储存和运输设备，这些疫苗即便生产出来，也难以送到需要的人手中。

为什么 mRNA 疫苗这么怕热？关键在于它的 “载体”——脂质纳米颗粒（LNPs）。mRNA 本身容易被降解，LNPs 就像 “保护壳”，把 mRNA 包裹起来。但这个 “保护壳” 很脆弱，遇到高温，LNPs 可能会聚集、破裂，导致 mRNA 泄漏；同时，mRNA 里的 2'- 羟基基团在高温、碱性环境下还会自发断裂，进一步降低疫苗效果。

图1 清晰展示了 mRNA - LNPs 疫苗的结构、给药方式和细胞摄取机制，能帮助大家更直观理解 LNPs 如何包裹 mRNA、通过哪些途径进入人体以及怎样在细胞内发挥作用，让上述关于 mRNA 疫苗结构和稳定性的内容更易理解。

二、冻干技术：给 mRNA 疫苗 “穿上金钟罩”

为了解决储存难题，科学家想到了冻干技术（也叫冷冻干燥）。这种技术早就在酶、抗体等生物制品的稳定保存中应用，如今被用来 “拯救” mRNA 疫苗。

冻干技术的原理不复杂，简单说就是 “先冻后干”：第一步把 mRNA 疫苗溶液冷冻成固体，第二步在真空环境下，让冰直接变成水蒸气 “跑掉”，最后得到干燥的粉末。这个过程能把疫苗里的水分去掉，而水分是导致 mRNA 降解、LNPs 破坏的重要因素。在干燥状态下，mRNA 的分子活动大大减少，水解、氧化等降解反应也会变慢，从而实现长期稳定储存。

有研究已经证明了冻干技术的效果。比如 Kim 团队开发的冻干 mRNA - LNPs 疫苗，用 10% 蔗糖做保护剂，在 - 20℃能稳定 30 天；Muramatsu 团队的冻干疫苗，在室温下能稳定储存，甚至在 42℃的高温下也有一定稳定性。更让人兴奋的是，Alejo 团队通过优化配方，让冻干疫苗在 4℃下储存 1 年，仍能保持良好的体内活性，在室温下也能稳定 4 周。

不过，冻干过程也不是一帆风顺。冷冻时可能形成冰晶，戳破 LNPs 的 “保护壳”；干燥过程中，LNPs 还可能因脱水而变形、聚集。所以，想让冻干技术发挥作用，必须解决这些问题。

图2 呈现了冻干 mRNA 疫苗配方开发的关键考量和工作流程，包括影响 mRNA - LNPs 稳定性的物理化学压力、冻干过程中的关键工艺变量以及冻干后疫苗稳定性和生物活性的检测方法等，能让读者清楚了解冻干过程中需要应对的挑战以及保障疫苗质量的关键环节，辅助理解本段中冻干技术的难点与应对思路。

三、冻干 mRNA 疫苗的 “黄金配方”：从成分到工艺

要做出稳定的冻干 mRNA 疫苗，得 “天时地利人和”，也就是优化配方成分和冻干工艺，两者缺一不可。

（一）关键成分：给疫苗 “保驾护航”

1.保护剂（冷冻保护剂）这是冻干疫苗的 “核心助手”，常见的有蔗糖、海藻糖等糖类，还有甘露醇这样的糖醇类。它们的作用就像 “支架”，在冻干过程中支撑 LNPs 的结构，防止其聚集。比如蔗糖和海藻糖，能形成玻璃态的 “保护膜”，把 LNPs 和 mRNA 固定住，减少分子运动。研究发现，10% 蔗糖 + 5% 海藻糖的组合效果很好，用 10mM Tris 缓冲液调节 pH 到 7.4，这样的配方能让冻干疫苗在 4℃储存 12 个月，室温下 8 小时内质量也不会明显下降。甘露醇则主要作为 “填充剂”，让冻干后的粉末保持完整的形状，避免出现塌陷，方便后续溶解使用。

2.缓冲液：稳定 “小环境”缓冲液的选择也很关键，它要维持疫苗在冻干和储存过程中的 pH 稳定。以前常用的 PBS 缓冲液有个缺点，冷冻时 pH 会大幅变化，可能破坏 LNPs。现在科学家更推荐用Tris 缓冲液，它在冷冻时 pH 变化小，还能清除对 mRNA 有害的羟基自由基。比如 Comirnaty 疫苗后来就把缓冲液从 PBS 换成了 Tris，稳定性明显提升。

表 1 详细列出了冻干 mRNA 疫苗配方中不同辅料（糖类、糖醇类、缓冲液等）的保护机制和对 mRNA - LNPs 的积极影响，表 2 则展示了已发表研究中 mRNA 疫苗稳定化的配方组成、缓冲液、复溶方式和稳定性数据。结合这两个表格，能更清晰地对比不同成分的作用和实际应用效果，让读者对 “黄金配方” 有更具体的认识。

（二）冻干工艺：精准控制每一步

冻干过程分为冷冻、一次干燥、二次干燥三个阶段，每个阶段的参数都要精准控制（如图 3 所示）。

图 3 展示了 mRNA 疫苗冻干周期中的关键工艺参数，包括冷冻阶段的冷却速率、成核控制等，一次干燥阶段的升华速率、搁板温度等，以及二次干燥阶段的解吸速率、残余水分目标等，能直观呈现冻干各阶段的关键控制要点，帮助理解下文对各阶段参数的描述。

冷冻阶段：温度通常控制在 - 30℃到 - 80℃，冷冻时间从 20 分钟到 12 小时不等。降温速度不能太快也不能太慢，太快容易形成小冰晶，戳破 LNPs；太慢则可能让 LNPs 聚集。

一次干燥：在真空环境下，把冷冻形成的冰升华掉，温度一般在 - 50℃到 - 10℃，压力 6 - 24Pa，这个阶段需要 4 - 84 小时，主要是去除大部分水分。

二次干燥：进一步去除残留的水分，温度升到 2℃ - 30℃，让最终产品的水分含量低于 1%。水分太多会让 mRNA 降解，太少则可能导致疫苗粉末难以溶解。

表 3 汇总了不同 mRNA 疫苗研究中的冻干工艺参数，包括冷冻、一次干燥、二次干燥的温度、压力和时间等数据。通过对比不同研究的工艺差异，能让读者更清楚地了解冻干工艺参数的多样性以及根据疫苗配方调整参数的重要性，辅助理解本段中工艺控制的复杂性。

不同的疫苗配方，适合的工艺参数也不同。比如 Wang 团队发现，当 DSPC（一种磷脂）和胆固醇的比例在 2 - 2.2 时，冻干后的 mRNA - LNPs 疫苗转染效率最高，这就需要在工艺中配合调整温度和时间。

四、如何判断冻干疫苗 “合格”？关键质量指标

冻干后的 mRNA 疫苗好不好，得用科学方法检测。科学家会关注几个核心指标。

表 4 明确了 mRNA - LNPs（包括冻干过程）的关键工艺参数（CPPs）和关键质量属性（CQAs）的对应关系，表 5 则详细列出了冻干后 mRNA 疫苗表征所用的分析方法、参考研究和推荐标准。结合这两个表格，能系统了解判断冻干疫苗是否合格的具体指标、检测方法和合格标准，让下文的描述更有依据，也更易理解。

外观：合格的冻干疫苗应该是白色、蓬松的粉末，没有塌陷、变色。如果出现塌陷，可能是干燥过程中温度控制不当，疫苗稳定性会受影响。

颗粒大小和均一性：正常的 mRNA - LNPs 直径在 80 - 110nm，且大小均匀（PDI≤0.2）。如果颗粒变大或不均匀，说明 LNPs 可能聚集了，疫苗效果会下降。

mRNA 封装效率：理想情况下，90% 以上的 mRNA 应该被 LNPs 包裹。如果封装效率低，说明 mRNA 可能在冻干过程中泄漏，导致剂量不足。

mRNA 完整性：通过毛细管电泳等方法检测，合格的 mRNA 应该是完整的单一条带，没有明显的降解片段。

活性：最后还要做体外和体内测试，比如在细胞中检测 mRNA 是否能正常表达蛋白（转染效率），在动物模型中观察是否能引发免疫反应。只有活性达标，疫苗才能真正发挥作用。

五、未来展望：让冻干 mRNA 疫苗更普及

虽然冻干技术已经取得了不少突破，但还有改进空间。比如现在的冻干过程耗时较长，成本也不低，未来可以通过数字孪生技术和实验设计（DOE）来优化工艺。数字孪生技术能模拟冻干过程中的温度、压力变化，预测疫苗的稳定性，减少实际实验的次数；DOE 则能系统分析各个工艺参数的影响，找到最优组合，提高效率。

另外，科学家还在探索新的保护剂和配方，比如将海藻糖和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）结合，让疫苗在更高温度下也能稳定储存。随着技术的进步，未来我们或许能看到不需要冷链、在室温下就能长期保存的 mRNA 疫苗，让更多人能及时用上这种高效的疫苗。

总的来说，冻干技术就像给 mRNA 疫苗 “装上了行李箱”，让它不再受限于低温环境，能更轻松地 “走向” 全球。相信随着研究的深入，这个 “行李箱” 会越来越轻便、越来越高效，为全球公共卫生安全提供更强的保障。

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