mRNA vaccine

The first successful transfection of designed mRNA packaged within a liposomal nanoparticle into a cell was published in 1989.^[18][19] "Naked" (or unprotected) lab-made mRNA was injected a year later into the muscle of mice.^[3][20] These studies were the first evidence that in vitro transcribed mRNA with a chosen gene was able to deliver the genetic information to produce a desired protein within living cell tissue^[3] and led to the concept proposal of messenger RNA vaccines.^[21][22][23]

1993年に、ウイルス抗原をコードするリポソーム封入mRNAがマウスのT細胞を刺激することが示された。 ^{[ 24 ] [ 25 ]}翌年には、ウイルス抗原と複製酵素をコードする遺伝子の両方を含む自己増幅型mRNAが開発された。^{[ 24 ] [ 26 ]}この方法は、マウスにおいてウイルス病原体に対する体液性免疫応答と細胞性免疫応答の両方を誘導するために使用された。 ^{[ 24 ]}翌年には、腫瘍抗原をコードするmRNAがマウスの癌細胞に対して同様の免疫応答を誘導することが示された。^{[ 27 ] [ 28 ]}

腫瘍抗原をコードするmRNAをトランスフェクトしたex vivo樹状細胞を用いた最初のヒト臨床試験（治療用癌mRNAワクチン）は2001年に開始された。^{[ 29 ] [ 30 ]} 4年後、体内の防御システムを活性化させることなく細胞内にmRNAを輸送する方法として、修飾ヌクレオシドの使用が成功したことが報告された。 ^{[ 29 ] [ 31 ]}癌細胞に対して体内に直接注射されるmRNAワクチンの臨床試験結果が2008年に報告された。^{[ 32 ] [ 33 ]}

2008年にBioNTech、 2010年にModernaが設立され、mRNAバイオテクノロジーの開発に着手した。^{[ 34 ] [ 35 ]}米国の研究機関DARPAは、この時期に米軍向けの新技術開発を目的としたバイオテクノロジー研究プログラムADEPTを開始した。^{[ 36 ] [ 37 ]}同機関は、パンデミック対策における核酸技術の可能性を認識し、この分野への投資を開始した。^{[ 36 ]} DARPAの助成金は信頼の証と見なされ、それが他の政府機関や民間投資家がmRNA技術に投資する動機となった。^{[ 37 ]} DARPAは当時、Modernaに2500万ドルの助成金を授与した。^{[ 38 ]}

感染性病原体（狂犬病）に対するmRNAワクチンを用いた最初のヒト臨床試験は2013年に開始された。 ^{[ 39 ] [ 40 ]}その後数年間で、他の多くのウイルスに対するmRNAワクチンの臨床試験が開始された。ヒト用mRNAワクチンは、インフルエンザ[ ^{41 ] 、}ジカウイルス、サイトメガロウイルス、チクングニアウイルスなどの感染性病原体に対して研究された。^{[ 42 ] [ 43 ]}

COVID -19パンデミックと、 2020年初頭の原因ウイルスSARS-CoV-2の配列決定により、最初の承認済みmRNAワクチンの急速な開発が実現した。 ^{[ 44 ] [ 45 ]} BioNTechとModernaは同年12月に、mRNAベースのCOVID-19ワクチンの承認を取得した。2020年12月、英国医薬品・医療製品規制庁（MHRA）は、mRNAワクチンを承認した史上初のグローバル医薬品規制当局となり、ファイザー・ビオンテックのBNT162b2 COVID-19ワクチンの広範な使用に対する緊急承認を与えた。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 46 ]}また、2020年12月には、米国食品医薬品局がファイザー・ビオンテックのCOVID-19ワクチンとModernaのCOVID-19ワクチンの緊急使用承認を与えた。^{[ 47 ]}

インフルエンザとCOVID-19に対する防御のための複合メッセンジャーRNAワクチンが2026年に導入された。^{[ 48 ] [ 49 ]}

樹状細胞は表面に抗原を提示し、 T細胞との相互作用を引き起こして免疫応答を開始させる。樹状細胞は患者から採取し、目的のmRNAでプログラムした後、患者に再投与することで免疫応答を誘発することができる。^{[ 60 ]}

体外樹状細胞がmRNA分子を取り込む最も単純な方法はエンドサイトーシスによるものであり、実験室環境ではかなり非効率的な経路であるが、エレクトロポレーションによって大幅に改善することができる。^{[ 57 ]}

試験管内で転写されたmRNAを直接投与すると体内で抗原が発現することが発見されて以来、生体内アプローチが研究されてきた。^{[ 20 ]}生体内アプローチは、特に患者から樹状細胞を採取して適応させるコストを回避し、通常の感染を模倣することで、生体外法に比べていくつかの利点を提供する。^{[ 57 ]}

皮膚、血液、筋肉など、さまざまな注射経路によってmRNAの取り込みレベルが異なるため、投与経路の選択は生体内送達の重要な側面となります。ある研究では、さまざまな経路を比較した結果、リンパ節注射が最大のT細胞応答をもたらすことが示されました。 ^{[ 61 ]}

脂質ナノ粒子ベクター

FDAが脂質ナノ粒子を薬物送達システムとして使用することを初めて承認したのは2018年で、同機関が最初のsiRNA薬であるOnpattroを承認した時だった。^{[ 67 ]} mRNA分子を脂質ナノ粒子に封入することは、有効なmRNAワクチンを製造するための重要なブレークスルーであり、mRNA分子を宿主細胞に送達する際の多くの重要な技術的障壁を解決した。^{[ 67 ] [ 68 ]}脂質を使用してsiRNAを細胞に送達する研究は、脂質を使用してmRNAを送達する同様の研究の基礎となった。^{[ 69 ]}しかし、siRNA鎖よりもはるかに長いmRNA鎖を封入するために新しい脂質を発明する必要があった。^{[ 69 ]}

主に、脂質は分解に対する保護層を提供し、より強力な翻訳出力を可能にする。さらに、脂質の外層をカスタマイズすることで、リガンド相互作用を介して目的の細胞タイプを標的にすることができる。しかし、多くの研究は、この種の送達を研究することの難しさも強調しており、ナノ粒子の細胞内取り込みに関して、生体内および生体外での応用の間には一貫性がないことを実証している。 ^{[ 70 ]}ナノ粒子は、静脈内またはリンパ系を介してなど、複数の経路で体内に投与され、輸送される可能性がある。^{[ 67 ]}

脂質ナノ粒子の問題の 1 つは、その技術の実用化につながるいくつかのブレークスルーがマイクロ流体技術の使用を伴うことです。マイクロ流体反応チャンバーは、液体のマイクロスケールの挙動を利用することがマイクロ流体技術の目的であるため、スケールアップが困難です。この障害を回避する唯一の方法は、多数のマイクロ流体反応チャンバーを並列に実行することですが、これは特注の装置を必要とする新しい作業です。^{[ 71 ] [ 72 ]} COVID-19 mRNA ワクチンでは、これが主な製造上のボトルネックでした。ファイザーは、スケールアップの問題を解決するために、このような並列アプローチを使用しました。衝突ジェットミキサーを直接スケールアップできないことを確認した後、^{[ 73 ]}ファイザーは約 100 個の小型ミキサー (それぞれが米国の 50 ドル硬貨ほどの大きさ) を作成し、ポンプとフィルターで「配管の迷路」でそれらを接続し、^{[ 74 ] [ 75 ]}ミキサーを通る流量と圧力を制御するコンピューター システムを構築しました。^{[ 73 ]}

この送達方法を大規模に使用する場合のもう 1 つの問題は、脂質ナノ粒子を作成するために使用される新規脂質、特にイオン化可能なカチオン性脂質の入手可能性です。2020 年以前は、このような脂質はグラムまたはキログラム単位で測定される少量で製造され、医学研究や希少疾患の少数の医薬品に使用されていました。2020 年に mRNA ワクチンの安全性と有効性が明らかになると、必要な脂質を製造できる少数の企業は、数トンの脂質の注文に対応するために生産を拡大するという課題に直面しました。^{[ 72 ] [ 76 ]}

mRNAワクチンは、従来のワクチンに比べて特有の利点があります。^{[ 4 ] [ 5 ]} mRNAワクチンは活性病原体（あるいは不活化病原体）から作られていないため、感染性がありません。対照的に、従来のワクチンは病原体の生産を必要とし、大量生産すると、生産施設でのウイルスの局所的な発生リスクが高まる可能性があります。^{[ 5 ]} mRNAワクチンのもう1つの生物学的利点は、抗原が細胞内で生産されるため、体液性免疫だけでなく細胞性免疫も刺激することです。^{[ 6 ] [ 81 ]}

mRNAワクチンは、迅速に設計できるという生産上の利点があります。モデルナは、COVID-19用のmRNA-1273ワクチンを2日間で設計しました。 ^{[ 82 ]}また、より速く、より安価に、より標準化された方法で製造できるため（製造時のエラー率が低い）、深刻なアウトブレイクへの対応力を向上させることができます。^{[ 4 ] [ 5 ]}

ファイザーとビオンテックのワクチンは当初、大量生産に110日を要したが（ファイザーが製造工程を60日に最適化する前）、これは従来のインフルエンザワクチンやポリオワクチンよりも大幅に速かった。^{[ 74 ]}この長い期間の中で、実際の生産時間は約22日である。DNAプラスミドの分子クローニングとDNAの精製に2週間、DNAからRNAへの転写とmRNAの精製に4日間、mRNAを脂質ナノ粒子に封入し、充填と仕上げを行うのに4日間である。^{[ 83 ]}各生産ランに必要な日数の大部分は、各段階での厳格な品質管理に割り当てられている。^{[ 74 ]}

mRNAワクチンは、確立された従来のワクチンに対する理論上のDNAワクチンの利点を共有することに加えて、DNAワクチンに対する追加の利点も持っています。mRNAは細胞質で翻訳されるため、RNAが細胞核に入る必要がなく、宿主ゲノムに組み込まれるリスクが回避されます。^{[ 3 ]}修飾ヌクレオシド（例えば、シュードウリジン、2'-O-メチル化ヌクレオシド）をmRNAに組み込むことで、免疫応答刺激を抑制して即時の分解を回避し、翻訳能力を高めることでより持続的な効果を生み出すことができます。^{[ 31 ] [ 84 ] [ 85 ]} mRNAのオープンリーディングフレーム（ORF）と非翻訳領域（UTR）は、さまざまな目的に合わせて最適化できます（mRNAの配列エンジニアリングと呼ばれるプロセス）。たとえば、グアニン-シトシン含有量を増やしたり、翻訳を増加させることが知られている特定のUTRを選択したりすることによって最適化できます。^{[ 54 ]}複製機構をコードする追加の ORF を追加することで、抗原翻訳を増幅し、免疫応答を高め、必要な出発物質の量を減らすことができる。^{[ 86 ] [ 87 ]}

Because mRNA is fragile, some vaccines must be kept at very low temperatures to avoid degrading and thus giving little effective immunity to the recipient. Pfizer–BioNTech's BNT162b2 mRNA vaccine has to be kept between −80 and −60 °C (−112 and −76 °F).^[88][89] Moderna says their mRNA-1273 vaccine can be stored between −25 and −15 °C (−13 and 5 °F),^[90] which is comparable to a home freezer,^[89] and that it remains stable between 2 and 8 °C (36 and 46 °F) for up to 30 days.^[90][91] In November 2020, Nature reported, "While it's possible that differences in LNP formulations or mRNA secondary structures could account for the thermostability differences [between Moderna and BioNtech], many experts suspect both vaccine products will ultimately prove to have similar storage requirements and shelf lives under various temperature conditions."^[81] Several platforms are being studied that may allow storage at higher temperatures.^[4]

Before 2020, no mRNA technology platform (drug or vaccine) had been approved for therapeutic use in humans, so there was a risk of unknown effects.^[81] The 2020 COVID-19 pandemic required faster production capability of mRNA vaccines, which made them attractive to national health organisations, and led to debate about the type of initial authorization mRNA vaccines should get (including emergency use authorization or expanded access authorization) after the eight-week period of post-final human trials.^[92][93]

Reactogenicity is similar to that of conventional, non-RNA vaccines. However, those susceptible to an autoimmune response may have an adverse reaction to mRNA vaccines.^[4] The mRNA strands in the vaccine may elicit an unintended immune reaction –this entails the body believing itself to be sick, and the person feeling as if they are as a result. To minimize this, mRNA sequences in mRNA vaccines are designed to mimic those produced by host cells.^[5]

新型COVID-19 mRNAワクチンの臨床試験では、強力だが一時的な反応原性効果が報告されている。ほとんどの人は、発熱や倦怠感などの重篤な副作用を経験することはない。重篤な副作用とは、日常生活に支障をきたすものと定義される。^{[ 94 ]}

初期のmRNAワクチンは、非増幅型mRNA構造を使用しています。^{[ 66 ]}非増幅型mRNAは、目的の抗原をコードするオープンリーディングフレームを1つだけ持っています。 ^{[ 99 ]}細胞が利用できるmRNAの総量は、ワクチンによって送達される量に等しくなります。投与量は、ワクチンによって送達できるmRNAの量によって制限されます。^{[ 100 ]}非増幅型ワクチンは、毒性を軽減するために、ウリジンをN1-メチルプソイドウリジンに置き換えています。 ^{[ 101 ]}

自己増幅型mRNA（saRNA）ワクチンは、トランスフェクション後にmRNAを複製します。^{[ 102 ]}自己増幅型mRNAには2つのオープンリーディングフレームがあります。最初のフレームは、従来のmRNAと同様に、目的の抗原をコードします。2番目のフレームは、細胞内でmRNA構造を複製するRNA依存性RNAポリメラーゼ（およびそのヘルパータンパク質）をコードします。これにより、ワクチンの投与量を少なくすることができます。 ^{[ 102 ]}自己増幅型mRNAははるかに大きな分子であるため、そのメカニズムとそれに伴う評価は異なる可能性があります。^{[ 3 ]}

研究中のsaRNAワクチンにはマラリアワクチンが含まれる。^{[ 103 ]}最初に承認されたsaRNA Covidワクチンは、2022年6月にインドで承認されたGemcovacである。^{[ 104 ]} 2番目は、Arcturus Therapeuticsが開発したARCT-154である。明治製菓ファルマが製造したバージョンは、2023年11月に日本で承認された。^{[ 105 ]}

GSKは2021年にsaRNA COVID-19ワクチンの第1相試験を開始しました。^{[ 106 ]} Gritstone bioも2021年にsaRNA COVID-19ワクチンの第1相試験を開始し、ブースターワクチンとして使用し、中間結果を2023年に発表しました。^{[ 107 ]}このワクチンは、 SARS-CoV-2ウイルスのスパイクタンパク質と、遺伝的変異を起こしにくいウイルス性タンパク質の両方を標的にするように設計されており、SARS-CoV-2変異株に対する防御力を高めます。^{[ 108 ] [ 109 ]} saRNAワクチンは、複製に必要なウリジンを使用しなければなりません。^{[ 101 ]}