感染性疾病 mRNA 疫苗的免疫学机制

 

 

综述

DOI:10.1038/s41586-026-10599-0

收稿日期:2025 年 7 月 16 日

录用日期:2026 年 4 月 27 日

在线发表:2026 年 6 月 24 日

米凯拉・洛奇 ¹,² ✉ & 诺伯特・帕尔迪 ¹ ✉

¹ 美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院微生物学系,美国宾夕法尼亚州费城

² 美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院免疫与免疫健康研究所,美国宾夕法尼亚州费城

✉电子邮箱:michela.locci@pennmedicine.upenn.edu;pnorbert@pennmedicine.upenn.edu

核苷修饰 mRNA – 脂质纳米颗粒(mRNA-LNP)疫苗可诱导高水平重症新冠防护效力;自 2020 年首次获批人体使用以来,该类疫苗已挽救数百万人生命。该疫苗平台的优异保护效果,依托其可同步诱导强效、协同的固有免疫与适应性免疫应答。深入阐明 mRNA-LNP 疫苗诱导保护性免疫的作用机制,对研发下一代免疫原性与耐受性更优的 mRNA 疫苗至关重要。近年大量研究逐步揭示了该疫苗体系的作用模式,但仍存在诸多关键科学空白:脂质纳米颗粒(LNP)如何被免疫系统识别并发挥佐剂活性;启动保护性免疫应答必需的特异性信号与细胞通路;能否实现疫苗免疫原性与接种反应性的解耦。本文系统综述感染性疾病 mRNA-LNP 疫苗已阐明及待探索的免疫学机制;同时探讨如何改造该疫苗平台组分,以精准调控针对难治性病原体的免疫应答(现有疫苗疗效不足或无有效疫苗的病原体)。

新冠 mRNA 疫苗的成功落地验证了该技术平台,使其成为疫苗领域的研究焦点。但大众普遍存在认知误区:mRNA 疫苗并非一蹴而就的技术突破。尽管首篇 mRNA 疫苗相关研究发表于 20 世纪 90 年代,但历经数十年迭代优化,首款 mRNA 制剂才获批人体应用。早期 mRNA 疫苗存在三大核心瓶颈:体外转录(IVT)mRNA 稳定性不足、强致炎特性、体内递送效率低下。通过优化 mRNA 序列设计、化学修饰、生产工艺,搭配脂质纳米颗粒(LNP)安全高效递送体系,上述难题得以攻克。新冠疫情为 mRNA 疫苗提供了真实世界验证场景。mRNA-LNP 疫苗在疫情中取得巨大成功,核心原因有三点:其一,2020 年初已有大量临床前研究、持续开展的人体临床试验,同时具备符合药品生产质量管理规范(GMP)的规模化生产原料,技术体系成熟完备;其二,相较于传统疫苗(减毒 / 灭活病原体疫苗、蛋白亚单位疫苗),mRNA 疫苗设计、生产流程简单,可快速扩产;其三,mRNA-LNP 疫苗诱导的保护性免疫应答效果不弱、甚至优于其他疫苗平台,成为预防新冠重症的核心手段。

尽管 mRNA-LNP 技术成果斐然,但其诱导免疫应答的特性仍有优化空间。例如,新一代 mRNA-LNP 疫苗需在维持高效防护的前提下降低接种反应;同时进一步提升疫苗诱导结合抗体与中和抗体的持久度 —— 人体接种新冠 mRNA 疫苗后,抗体水平会在数月内大幅衰减,随后进入平稳低值平台;或定制 mRNA 疫苗佐剂特性,定向偏向诱导细胞免疫或体液免疫。系统解析 mRNA 疫苗免疫应答的分子机制,是理性设计下一代高免疫原性、高安全性 mRNA 疫苗的基础。亟待阐明的核心问题包括:启动强效适应性免疫的 mRNA、LNP 上游及下游分子识别通路;mRNA 与 LNP 结构改造对疫苗免疫刺激、耐受特性的调控规律;LNP 化学组成如何决定 mRNA 疫苗的体内分布、细胞摄取、免疫细胞靶向;能否在保留 LNP 免疫原性的前提下降低接种反应。本文梳理 mRNA-LNP 疫苗免疫学机制的已知结论与待解难题,为后续机制研究搭建理论框架。下文论述内容主要针对 LNP 包裹核苷修饰甲基假尿苷 mRNA 疫苗,包括两款已上市新冠 mRNA 疫苗:辉瑞 – 拜恩泰科 BNT162b2、莫德纳 mRNA-1273。

固有免疫细胞动态变化

疫苗接种后,树突状细胞(DC)、单核细胞、巨噬细胞、自然杀伤(NK)细胞等多种固有免疫细胞识别疫苗的免疫刺激组分(佐剂),快速分泌促炎介质,启动适应性免疫应答。

新冠疫情期间,学界针对 BNT162b2、mRNA-1273 诱导的适应性免疫开展大量研究,但人体与非人灵长类(NHP)外周血中,mRNA 疫苗驱动固有免疫应答的定量、定性特征相关研究相对有限。BNT162b2 与 mRNA-1273 可快速活化并提升经典型、中间型单核细胞数量。经典单核细胞增殖,提示其可快速募集至炎症组织、调控炎症应答;中间型单核细胞可作为固有免疫与适应性免疫的桥梁,单核细胞相关转录特征与中和抗体水平存在相关性。接种两款疫苗后,常规树突状细胞(cDC)、浆细胞样树突状细胞(pDC)、活化 NK 细胞数量同样显著上升。绝大多数固有免疫细胞在第二针 BNT162b2 接种后扩增、活化程度更强,部分源于细胞因子反馈通路:二次接种 mRNA 疫苗后,干扰素 γ(IFNγ)等细胞因子、趋化因子分泌量升高,放大固有免疫应答。一类潜在机制为:部分细胞因子由新冠特异性 T、B 细胞分泌,既往新冠感染者体内刺突蛋白特异性 CD4⁺T 细胞、B 细胞与 IFNγ 诱导型趋化因子 CXCL10、CXCL11 存在相关性。另一可能机制为训练免疫:固有免疫细胞经代谢、表观遗传重编程后,对后续疫苗或微生物刺激的应答能力增强。但该假说存在实验证据矛盾:表观遗传重编程、单核细胞体外刺激应答增强均为一过性,第二针 mRNA 疫苗接种 28 天内即可恢复基线水平。

受限于人体难以获取注射部位肌肉、引流淋巴结(dLN)等淋巴组织样本,人体组织层面的固有免疫动态研究难以开展;动物模型实验弥补了这一短板。非人灵长类肌肉注射与人用新冠 mRNA 疫苗结构相近的定制 mRNA-LNP 疫苗后,注射部位主要募集中性粒细胞与单核细胞;小鼠接种 BNT162b2 后,引流淋巴结内单核 / 巨噬细胞、树突状细胞、NK 细胞早期即出现转录水平改变、细胞活化,证实已上市新冠 mRNA-LNP 疫苗可有效激活固有免疫。

方框 1 疫苗激活的固有免疫细胞

固有免疫的核心功能是构建抵御病原体的第一道防线,下文列举参与疫苗诱导免疫应答的关键固有免疫细胞。
  1. 单核细胞:血液中数量最多的单核吞噬细胞。炎症状态下,经典 / 迁移型单核细胞高表达趋化因子受体,可浸润炎症组织与引流淋巴结,调控适应性免疫;在淋巴结内获得抗原提呈能力,分泌细胞因子,直接启动 T 细胞应答、调控 CD4⁺T 细胞功能极化。经典单核细胞亦可分化为单核源性巨噬细胞或树突状细胞。人体中间型单核细胞(CD16、CD14 标志物中等表达)抗原提呈相关分子表达水平最高,在疫苗诱导免疫应答中具备重要作用。非经典单核细胞主要沿血管壁巡行,功能与之区分。
  2. 树突状细胞(DC):疫苗研发领域核心研究细胞。在疫苗佐剂释放的促炎信号刺激下,树突状细胞高效向 T 细胞提呈抗原,并通过共刺激分子、细胞因子调控 T 细胞应答。树突状细胞主要分为常规树突状细胞(cDC)与浆细胞样树突状细胞(pDC),二者发育起源不同,定居、循环于淋巴器官。pDC 高表达 TLR7、TLR9,是识别病原体核酸的核心哨兵细胞,可大量分泌 I 型干扰素;活化后同样具备抗原提呈功能。常规树突状细胞细分两类:cDC1 专职交叉提呈、启动 CD8⁺T 细胞应答;cDC2 可高效向 CD4⁺T 细胞递呈抗原,并通过分泌细胞因子调控 CD4⁺T 细胞功能极化。
  3. 巨噬细胞:分为胚胎起源巨噬细胞、炎症状态下单核细胞分化巨噬细胞。可快速识别病原体相关分子模式(PAMPs)与损伤相关信号,除吞噬、组织重塑功能外,通过分泌趋化因子、细胞因子、表面抗原呈递分子统筹免疫应答,供 B 细胞识别抗原。
  4. NK 细胞:具备细胞毒活性,可清除病原体感染细胞与肿瘤细胞;同时分泌细胞因子,调控其他免疫细胞功能。

固有免疫细胞对 mRNA 疫苗的加工处理

注射部位多种固有免疫细胞、非免疫细胞(成纤维细胞、脂肪细胞)均可内化 mRNA-LNP,利用 mRNA 翻译产生抗原。肌肉细胞摄取 LNP 直接影响免疫应答:抗原提呈细胞迁移至引流淋巴结向 T 细胞递呈抗原(小鼠特定 LNP 制剂免疫 24h 后该效应较弱)。理论上,非固有免疫细胞摄取疫苗存在双重影响:其一,形成 “抗原池”,减少进入引流淋巴结的疫苗剂量;其二,分泌 I 型干扰素等细胞因子扩散至淋巴结,间接调控适应性免疫。但更关键的是引流淋巴结内固有免疫细胞对 mRNA-LNP 的加工 —— 引流淋巴结是绝大多数 T、B 细胞应答的启动位点(表 1)。肌肉注射后,巨噬细胞、单核细胞、树突状细胞可内化 LNP,并在引流淋巴结内高效翻译 mRNA。各类树突状细胞均可摄取 mRNA-LNP,但小鼠引流淋巴结内 cDC2 摄取荧光标记 LNP、翻译 mRNA 的速度、效率最优。该结果与 cDC2 可高效启动 CD4⁺T 细胞、诱导滤泡辅助性 T 细胞(T_FH)分化的结论一致,也解释了 mRNA 疫苗可强效诱导 CD4⁺T 应答。cDC1 同样可内化 LNP、翻译 mRNA,但动力学速度慢于 cDC2,部分由二者在引流淋巴结内的分布位置决定。小分子抗原(<70 kDa)快速富集形成浓度梯度:淋巴窦附近抗原浓度高(cDC2 富集区),向副皮质区逐步递减(cDC1 定居、启动 CD8⁺T 细胞区域),因此 cDC2 捕获蛋白抗原效率高于 cDC1,mRNA 疫苗免疫后存在相同规律。mRNA 疫苗所用 LNP 粒径较小(50–150 nm),肌肉注射后可经淋巴通路快速抵达引流淋巴结,非人灵长类动物实验证实该转运特征。小鼠光激活示踪实验显示:注射 24h 后,引流淋巴结内绝大多数携带 mRNA-LNP 的 cDC 在免疫前即定居于淋巴结,证明 LNP 经淋巴转运进入淋巴结。cDC2 摄取、翻译 mRNA-LNP 效率更高,使其可主导强效 CD4⁺T 应答(CD8⁺T 应答个体差异更大)。人体体外实验排除体内空间分布影响后,cDC1 与 cDC2 摄取 LNP、翻译 mRNA 能力相当,支撑上述模型。

pDC 是分泌 I 型干扰素、抗病毒应答核心细胞,但内化、表达 mRNA-LNP 的能力有限,与 pDC 捕获外源性抗原的能力依赖抗原类型的结论相符。需注意:mRNA-LNP 摄取能力与树突状细胞启动 T 细胞应答的能力无必然绑定。cDC1 通过 MHC-I 分子将内源性抗原肽递呈给 CD8⁺T 细胞;cDC2 经典途径通过 MHC-II 递呈吞噬获取的外源性抗原,因此 cDC2 摄取 mRNA-LNP 理论上与抗原递呈无关。另一种可行机制:cDC2 摄取 mRNA-LNP 并表达编码蛋白后,通过尚未完全阐明的 MHC-II 递呈内源抗原途径完成抗原展示;已有实验证实表达 mRNA-LNP 编码蛋白的细胞可通过 MHC-II 递呈多肽,且内化 mRNA-LNP 可促进树突状细胞成熟,进一步放大该通路作用,该机制仍有待深入解析。

表 1 固有免疫细胞对 mRNA-LNP 的加工特性

本表格基于小鼠、非人灵长类动物实验数据,汇总肌肉注射 mRNA-LNP 后,引流淋巴结内各类固有免疫细胞的摄取能力、mRNA 翻译效率、加工速度。
细胞类型cDC1cDC2真皮树突状细胞pDC单核细胞巨噬细胞
摄取能力+++++++++++−/+++
mRNA 翻译水平++++++++++/++−/+++
加工速度+++++/+++++++

固有免疫系统对体外转录 mRNA 的识别机制

核苷修饰 mRNA-LNP 是当前最成熟的感染病 mRNA 疫苗平台,包含两大核心组分:编码抗原的 mRNA、LNP 递送载体;两组分均具备免疫刺激活性,显著调控疫苗诱导免疫应答的强度与类型。

哺乳动物免疫系统存在多种模式识别受体(PRR),可识别不同胞内区室的 RNA 分子(图 1)。简要机制:未修饰单链 mRNA 中的尿苷在内体中被 TLR7、TLR8 识别;体外转录副产物双链 RNA(dsRNA)可被 TLR3、胞内感受器 PKR、OAS、MDA5 识别。上述感受器在机体抵御病原体过程中至关重要,但对 mRNA 疫苗存在阻碍:体外转录 mRNA 会被模式识别受体判定为病原体相关分子模式(PAMPs),诱发过度炎症;同时抑制 mRNA 翻译蛋白、阻碍免疫启动。因此,人体安全应用体外转录 mRNA 疫苗,必须优化 mRNA 设计、化学修饰、生产工艺,降低模式识别受体识别效率。卡里科与韦斯曼团队于上世纪 90 至 2000 年代完成开创性研究,奠定可安全高效用于疫苗的体外转录 mRNA 技术体系。第一项关键突破:掺入假尿苷等修饰核苷,大幅降低体外转录 mRNA 被免疫系统识别的概率,表现为转染树突状细胞后促炎细胞因子分泌显著下降;后续证实含假尿苷的 mRNA 蛋白表达量提升,部分源于 I 型干扰素分泌减少、PKR 与 OAS 活性受抑;最后开发高效液相色谱纯化工艺,去除双链 RNA 等可激活模式识别受体的杂质。除核苷修饰外,密码子优化、mRNA 5’端加帽、严格纯化流程均可调控固有免疫对 mRNA 的识别。

即便经过核苷修饰与纯化,mRNA 仍无法完全实现免疫静默。小鼠、人体接种 BNT162b2 后,固有免疫细胞、外周血单核细胞内干扰素诱导基因上调;空白 LNP 诱导 I 型干扰素的能力远弱于包裹修饰 mRNA 的 LNP,证明修饰 mRNA(或制备副产物、杂质)是体内 IRF3–IRF7 通路介导 I 型干扰素分泌的核心驱动因素。I 型干扰素的细胞来源尚未完全阐明;小鼠肌肉注射后,成纤维细胞等非免疫细胞内化 mRNA-LNP 并分泌 I 型干扰素。值得注意:核苷修饰 mRNA 诱导早期低水平 I 型干扰素,该浓度具备生物学功能,可调控小鼠 T、B 细胞应答;新冠感染中,低水平 I 型干扰素同样与重症防护相关。识别修饰 mRNA、启动免疫应答的核心感受器尚无明确定论。体外转录 mRNA 降解产物、微量杂质可能被识别并发挥佐剂作用,与其他疫苗平台机制一致。绝大多数 TLR 信号依赖 MYD88 衔接分子,MYD88 敲除小鼠对定制 mRNA-LNP 疫苗、mRNA-1273 的适应性免疫应答缺陷,提示小鼠 TLR7(人体 TLR7/8)识别修饰 mRNA 是潜在通路。但体外报告细胞系实验未观察到 mRNA-1273、定制 mRNA-LNP 激活 TLR7;TLR7 敲除小鼠接种 BNT162b2、mRNA-1273 仍可产生强效 B、T 细胞应答,否定 TLR7 作为修饰 RNA 识别核心受体的作用。另一种潜在通路:体外转录副产物或二级结构双链 RNA(假尿苷修饰可稳定双链结构)被 TLR3、胞质 RNA 感受器 RIG-I/MDA5 识别。有趣的是,TLR3 敲除小鼠接种 BNT162b2 后中和抗体水平下降,提示 TLR3 参与该款 mRNA 疫苗的识别;但 mRNA-1273 无体外 TLR3 激活效应,体内生发中心应答不受 TLR3 缺失影响。RIG-I、MDA5 识别修饰 mRNA(或杂质双链 RNA)的实验结论存在矛盾:MDA5 敲除小鼠接种 BNT162b2 后 CD8⁺T 应答减弱、抗体小幅下降,但 mRNA-1273 仍可正常诱导生发中心反应。结论分歧可能源于 mRNA、LNP 化学结构、制备工艺差异,改变疫苗免疫刺激特性;或研究评估的免疫反应类型不同。此外,mRNA-LNP 疫苗由 DNA 模板体外转录制备,成品含微量 DNA 杂质(监管标准≤每剂 10 ng),TLR9、cGAS 等 DNA 感受器可能提供佐剂信号,调控下游适应性免疫。但小鼠实验证实,TLR9、cGAS–STING 通路对 mRNA-1273、BNT162b2 诱导 T、B 应答并非必需。尽管已上市新冠 mRNA 疫苗诱导生发中心、中和抗体的核心 RNA 感受器仍未明确,现有数据提示各感受器存在代偿通路,或存在未被充分研究的新型核酸感受器。

固有免疫系统对 LNP 的识别机制

LNP 最初研发用于小干扰 RNA 药物递送;后续证实其可用于 mRNA 疫苗:既保护 mRNA 不被降解,又介导 mRNA 高效进入细胞质。已上市 BNT162b2、mRNA-1273 所用 LNP 均包含四类组分:可电离氨基脂质、胆固醇、磷脂、聚乙二醇(PEG)脂质。后三者维持 LNP 理化稳定性,核心创新为可电离脂质:中性 pH 下不带电荷,大幅降低血液中血浆蛋白结合;细胞摄取后,内体酸性环境使氨基质子化,破坏内体膜,释放 mRNA 进入胞质。近年研究证实 LNP 不只是递送载体,自身具备固有佐剂活性:空白 LNP 混合病毒蛋白抗原,可诱导强效生发中心应答、浆细胞、中和抗体、记忆 B 细胞,效果优于 AddaVax 佐剂(与上市佐剂 MF59 同源)。该发现推动学界寻找识别 LNP 组分 / 代谢衍生物、在固有免疫细胞内触发促炎信号的模式识别受体(图 1)。TLR2、TLR4、NLRP3 炎症小体、STING 可识别特定化学结构阳离子脂质体、LNP,但尚无法确定 BNT162b2、mRNA-1273 所用 LNP 能否直接激活上述受体、调控固有免疫。小鼠实验显示:TLR2、TLR4、STING 缺失不影响 BNT162b2 诱导抗体、CD8⁺T 应答,提示存在代偿通路或脂质识别替代机制;上述受体同样非 mRNA-1273 诱导生发中心应答必需。

模式识别受体是病原体识别的核心通路,但机体存在其他识别机制。LNP 四类组分均可能被免疫系统识别,启动免疫应答:例如氧化磷脂(商业化 mRNA-LNP 磷脂组分为二硬脂酰磷脂酰胆碱 DSPC)可作为损伤相关分子模式,区分无害微生物与病原体。组织损伤后细胞膜磷脂氧化是病原体复制的常见伴随现象,可被固有免疫识别并触发强应答。商业化 LNP 通用 DSPC 磷脂;疫苗制备、体内过程中 DSPC 是否氧化、是否具备免疫刺激作用尚无研究。但 LNP 可电离脂质在生产、储存过程中易氧化,因此磷脂氧化具备潜在免疫调控作用。磷脂酰丝氨酸、溶血磷脂酰丝氨酸具备免疫耐受诱导特性,现有 mRNA 疫苗 LNP 未采用该类磷脂。可电离脂质是 LNP 佐剂活性核心:氨基头部结构可通过 TLR4 识别;或促进其他组分内体逃逸,间接启动免疫应答。LNP 介导的内体膜损伤本身可作为炎症触发信号:半乳糖凝集素识别破裂内体膜表面聚糖,启动促炎细胞因子分泌。LNP 第三类核心组分胆固醇负责稳定纳米颗粒结构,减少表面蛋白结合、延长体内循环时间;胆固醇同时可显著调控免疫应答,作为固有免疫细胞促炎信号。胆固醇升高促进晶体形成、细胞应激,激活炎症小体;含 SM-102 可电离脂质(mRNA-1273 载体)的 LNP 可高效诱导 IL-1β,修饰 mRNA 进一步放大该效应。胆固醇衍生氧固醇同样是强效免疫调节剂,调控免疫应答过程中固有细胞分布。胆固醇在 LNP 佐剂活性中的作用尚无统一结论,实验证据相互矛盾。以胆固醇类似物(C24 烷基取代 β- 谷甾醇)替换胆固醇,可提升 LNP 细胞摄取、体外转染、体内 mRNA 翻译效率;但 β- 谷甾醇具备抗炎特性,含 β- 谷甾醇的 LNP 难以诱导骨髓树突状细胞扩增 CD8⁺T 细胞、分泌 IL-2。因此胆固醇类似物体内是否保留佐剂活性仍有待验证。

mRNA 疫苗诱导的 B、T 细胞适应性免疫应答

新冠疫情期间大量研究证实,核苷修饰 mRNA-LNP 疫苗平台诱导适应性免疫应答的能力远超传统疫苗,本节梳理核心实验结论。

mRNA-LNP 疫苗区别于其他疫苗体系的标志性特征:动物模型与人体中均可强效诱导生发中心(GC)应答,与生发中心产生中和抗体直接相关。小鼠实验中,新冠 mRNA 疫苗诱导抗原特异性生发中心 B 细胞、浆细胞、记忆 B 细胞的效率,显著高于 AddaVax 佐剂蛋白亚单位疫苗,结合抗体、中和抗体产量更优;人体同样可稳定诱导生发中心应答,体液免疫的数量、质量均优于其他技术路线新冠疫苗。人与小鼠 mRNA 疫苗适应性免疫的核心差异为生发中心持续时间:人体生发中心可维持 6 个月以上;3–6 个月记忆 B 细胞数量持续上升、亲和力成熟持续推进,证实长期存活的功能性生发中心持续生成记忆 B 细胞。

T 细胞应答是适应性免疫另一核心支柱。中和抗体主要阻断感染、限制病毒入侵;CD4⁺、CD8⁺T 细胞应答可加速病毒清除、减轻新冠感染临床症状。mRNA 疫苗可在动物模型与人体高效诱导 CD4⁺T 细胞,包括 1 型辅助 T 细胞(T_H1)极化滤泡辅助 T 细胞(T_FH)、T_H1 细胞、细胞毒性 CD4⁺T 细胞。绝大多数免疫功能正常人群、动物均可产生 CD4⁺T 应答;但完整接种新冠 mRNA 疫苗后,仅 70%–90% 受试者数周内检测到抗原特异性 CD8⁺T 细胞,接种第二针 6 个月后阳性率降至 41%–65%。两针疫苗后刺突蛋白特异性 CD8⁺T 应答强度普遍低于 CD4⁺T 应答。该现象成因尚未阐明:是抗原(新冠刺突蛋白)本身特性,还是 mRNA-LNP 疫苗固有结构特征所致。在疫苗中联合编码 IL-12 的 mRNA,可显著提升小鼠循环、外周组织 CD8⁺T 应答,是优化细胞免疫的可行方案。

方框 2 疫苗诱导的适应性免疫应答

绝大多数获批疫苗依靠诱导保护性抗体实现抗感染防护。高效中和抗体由浆细胞分泌,可实现无菌防护;骨髓长期存活浆细胞持续分泌保护性抗体,维持数月至数年,主要来源于引流淋巴结生发中心。生发中心是 B 细胞亲和力成熟的达尔文式筛选过程;短寿浆细胞亲和力偏低,来自滤泡外应答,无需生发中心阶段。生发中心同时是记忆 B 细胞生成的核心场所。记忆 B 细胞再次接触抗原后快速活化、分化为浆细胞,快速释放大量保护性抗体,加速病毒清除。

CD4⁺T 细胞通过三条途径调控抗病毒免疫:①滤泡辅助 T 细胞(T_FH)协助生发中心应答,调控高亲和力记忆 B 细胞、长寿浆细胞生成;②T_H1 细胞是抗病毒免疫经典效应细胞,分泌 IFNγ 等促炎因子,激活巨噬细胞与其他固有细胞,诱导细胞抗病毒状态;③细胞毒性 CD4⁺T 细胞表达颗粒酶,可像 CD8⁺杀伤性 T 细胞一样清除感染细胞。

CD8⁺T 细胞接触抗原后分化为细胞毒性效应 T 细胞(CTL),分泌细胞因子、表达趋化因子受体迁移至炎症部位;通过穿孔素、颗粒酶释放杀伤靶细胞(病原体感染细胞),在病毒清除中发挥核心作用。活化 CD8⁺T 细胞可分化为记忆细胞,介导淋巴器官、外周组织长期抗感染保护。

固有免疫与适应性免疫的信号调控通路

固有免疫的核心功能之一是调控适应性免疫应答。mRNA、LNP 疫苗组分被识别后快速释放细胞因子级联信号,精准调控下游适应性免疫(图 2)。核苷修饰 mRNA 疫苗的细胞因子诱导主要由 LNP 组分驱动(I 型干扰素除外),依赖可电离脂质;不同 LNP 配方佐剂活性存在显著差异。LNP 诱导的细胞因子中,IL-6 在空白 LNP 注射小鼠体内早期达峰,是 mRNA 疫苗诱导小鼠 T_FH、生发中心 B 细胞的关键驱动因子,可直接作用于活化 CD4⁺T 细胞(病毒感染模型已证实)。IL-6 的细胞来源尚无定论,树突状细胞、基质细胞等多种细胞均可分泌。人体 IL-6 调控 T_FH 分化的机制尚不明确,人体固有细胞受 LNP 刺激可分泌 TGFβ、IL-12 等其他细胞因子,辅助 T_FH 生成。人体接种 BNT162b2 后,血液 IFNγ 等细胞因子水平与体液应答强度相关,提示其参与 mRNA 疫苗接种后适应性免疫调控。前文所述 LNP 联合修饰 mRNA 可诱导炎症小体依赖型 IL-1β;IL-1β 受体(IL-1R1)信号是 mRNA-1273 诱导最优生发中心应答必需;但 NLRP3 炎症小体对 BNT162b2 诱导 CD8⁺T 应答无明显作用,反映 LNP 配方不同,免疫调控通路存在差异。

mRNA-LNP 疫苗接种后快速生成 I 型干扰素(主要由 mRNA 组分诱导),通过调控树突状细胞成熟、抗原递呈,在小鼠体内诱导最优 T_FH、生发中心 B 细胞应答;同时塑造 CD4⁺T 细胞功能,推动 T_H1 极化(高 IFNγ、低 IL-4 分泌);调控 BNT162b2 免疫小鼠抗原特异性 CD8⁺T 细胞扩增。人体 I 型干扰素受体 1(IFNAR1)功能缺失突变人群临床试验显示:仅 2 名受试者中 1 人 BNT162b2 抗体应答缺陷,提示 I 型干扰素对人体 mRNA 疫苗体液免疫的作用仍需深入研究。修饰 mRNA 识别通路可诱导 IL-21(B 细胞辅助核心细胞因子)分泌,提升记忆 B 细胞、浆细胞生成,多种细胞因子共同参与该过程。

除细胞因子调控外,LNP 组分直接调控 T_FH 分化、B 细胞应答的辅助信号通路:LNP 上调 EBI2 配体合成相关酶,促进胆固醇转化为 7α,25 – 二羟基胆固醇,调控树突状细胞在 T-B 区交界定位,便于高效启动 CD4⁺T 细胞、诱导 T_FH;同时调控可溶性 CD25 分泌,竞争性结合 IL-2,间接促进 T_FH 分化;特定 LNP 配方可调控趋化因子分泌,辅助树突状细胞定位。综上,mRNA-LNP 疫苗激活多条协同通路,同步诱导协调的 T、B 细胞应答。

LNP 佐剂活性的定向改造

体外转录 mRNA 的炎症、翻译特性已有大量研究,但改变 LNP 组分、理化性质如何调控 mRNA 疫苗免疫应答,相关研究仍十分有限。LNP 组分直接决定粒径、电荷、组织靶向性,因此可通过多通路精准调控免疫应答强度与类型:诱导特异性细胞 / 趋化因子、靶向不同器官与免疫细胞、调控细胞摄取与内体释放效率,最终决定 mRNA 编码抗原的表达时长与表达量。

LNP 粒径是关键参数:直径<200 nm 颗粒可自由经淋巴引流至淋巴结;大颗粒主要在注射部位局部摄取,由抗原提呈细胞转运。小鼠实验显示约 100 nm 粒径 LNP 诱导最强体液免疫;非人灵长类 60–150 nm 粒径可实现最优体液保护。近年研究解析 LNP 单一组分对 mRNA 疫苗免疫原性的影响。LNP 佐剂优化领域仍处于起步阶段,多数文献仅报道 LNP 致炎能力,未建立结构 – 免疫效应关联,下文梳理已证实的关键结论。

可电离脂质是 LNP 佐剂活性核心,化学结构改造可改变肌肉注射 mRNA-LNP 疫苗在啮齿类、非人灵长类体内的免疫原性与安全性。杂环脂质可结合并激活胞质 STING 感受器,显著提升 CD8⁺T 应答,适用于感染病、肿瘤 mRNA 疫苗。除可电离脂质外,磷脂、PEG 脂质比例同样调控 LNP 佐剂特性。单一可电离脂质搭配不同磷脂(中性 DSPC、负电 DOPG/DOPS)、不同 PEG 脂质摩尔比(1.5%/0.5%)的对照实验证实:上市新冠疫苗所用 DSPC 搭配 0.5% PEG 脂质,诱导最强体液免疫、记忆应答;DOPS 磷脂搭配可实现最优 CD8⁺T 应答(感染病、肿瘤抗原均适用)。不同 LNP 配方体内分布、细胞摄取、蛋白表达量差异显著:脾脏、引流淋巴结 mRNA 表达水平最高的 LNP,体液免疫应答最强。该研究仅测试四类 LNP、单一可电离脂质,普适性仍需验证;另一项小鼠实验证实优化 PEG 脂质是调控 mRNA 疫苗免疫应答的关键。缩短 PEG 链长、降低摩尔比例,可显著提升 IgG、CD8⁺T 应答。在四组分 LNP 基础上额外添加佐剂脂质,可同步放大小鼠固有免疫、细胞免疫、体液免疫。综上,可通过理性设计、改造 LNP 组分,定向优化 mRNA 疫苗免疫应答的强度与质量。

挑战与未来方向

新冠疫情中 mRNA 疫苗取得优异防护效果,但下一代 mRNA 疫苗仍需优化,兼顾更高免疫原性与可控不良反应。下文阐述两大核心短板,结合现有机制研究提出平台优化思路,同时梳理尚未解决的科学空白。其他 mRNA 疫苗实际应用限制另见综述文献。

1. 免疫原性与接种反应性解耦

接种反应性指疫苗诱导一过性、自限性轻度炎症带来的全身 / 局部症状:注射部位肿痛、引流淋巴结肿大、疲劳、头痛、肌痛、发热;不包含罕见严重不良事件,此类事件与疫苗效力无关联。mRNA 疫苗高免疫原性常伴随更强接种反应,不利于非大流行场景下人群推广。因此研发核心目标:保留诱导保护性免疫的关键炎症信号,去除无关的不良反应通路。区分保护性炎症信号与致不良反应信号尚无统一结论;同时缺乏可精准复刻人体疫苗不良反应的动物模型,阻碍安全、高效 mRNA 疫苗研发。

前文证实 mRNA 疫苗可强效诱导 IL-1β;LNP 配方(尤其是可电离脂质类型)直接决定 IL-1β 分泌水平,修饰 mRNA 可进一步放大该效应。脂质载体 + 未修饰 mRNA 疫苗体系中,IL-1β 是全身炎症反应核心介质,推测核苷修饰 mRNA-LNP 疫苗存在相同机制。小鼠、非人灵长类可大量分泌 IL-1 受体拮抗剂(抗炎因子,竞争性结合 IL-1R1),但人体分泌水平极低,解释 mRNA 疫苗人体接种反应更强,小鼠、非人灵长类难以复刻人体不良反应。同时存在配方特异性差异:IL-1β 是 mRNA-1273 诱导生发中心应答必需,但 NLRP3 炎症小体缺失不影响 BNT162b2 体液、细胞免疫。若后续证实 IL-1β 通路对 BNT162b2 适应性免疫无必需作用,理论上可靶向抑制 IL-1β 通路(如共递送编码 IL-1 受体拮抗剂的 mRNA),在不影响关键免疫通路的前提下降低不良反应。或筛选 “平衡型” LNP 配方,诱导适度 IL-1β(满足体液免疫需求、最小化炎症反应)。但完全解耦免疫原性与反应性难以实现:IL-6、I 型干扰素等促炎因子既参与不良反应,又是诱导最优 mRNA 疫苗免疫应答的必需信号。与其他佐剂体系一致,精准适配人体的疫苗剂量是平衡防护效力与炎症反应的关键。

2. 内体逃逸通路的双重作用

可电离脂质介导的内体逃逸是一把双刃剑:既是 mRNA 进入细胞质翻译蛋白的必需步骤,同时触发炎症。内体膜破裂后,半乳糖凝集素募集至破损膜,启动溶酶体融合清除异物,属于细胞安全防御机制。含特定可电离脂质的 LNP 可诱导 IL-6、TNF 等多种促炎因子;抑制半乳糖凝集素可降低炎症因子分泌,同时保留 mRNA 翻译能力。但该策略适用于蛋白替代疗法(需全局抑制炎症),mRNA 疫苗需佐剂信号诱导保护性免疫,因此不具备应用价值。

3. PEG 脂质与过敏、炎症反应

LNP 中 PEG 脂质可调控疫苗接种反应。化妆品、医药产品广泛使用 PEG,多数人体内预先存在抗 PEG IgM、IgG 抗体;接触 PEG 脂质可激活补体经典通路。mRNA-1273、BNT162b2(程度更轻)均可提升人体抗 PEG 抗体水平。多项研究显示抗 PEG 抗体水平与全身接种反应强度相关,但与严重过敏、中和抗体水平无关联,该领域仍需更多研究。

4. 抗体持久度优化

mRNA 疫苗另一核心短板是人体抗体衰减速度快。小鼠单次免疫 mRNA 疫苗后抗体长期稳定、衰减极慢;但人体两针完整接种后抗体短期内快速下降,随后维持低水平稳定。种属差异来源包括:mRNA、LNP 配方、生产工艺、动物给药剂量远高于人体、实验动物免疫空白(成人人体长期接触各类抗原)、近交系小鼠与人类遗传多样性差异、B 细胞应答进化差异。后续需开发可精准复刻人体 mRNA 疫苗体液免疫持久性的动物模型,非人灵长类免疫应答更贴近人体,是优选模型。系统免疫学研究已发现血小板相关分子特征与人体抗体持久度相关,巨核细胞通过黏附分子、分泌因子调控骨髓长寿浆细胞存活,为提升抗体持久度提供新靶点。

5. 抗体亚型质量优化

重复接种新冠 mRNA 疫苗后,人体刺突蛋白特异性 IgG4 亚型比例升高。该亚型具备中和活性,但抗体依赖细胞毒性、调理吞噬、补体激活效率较弱。推测机制:mRNA 疫苗免疫后抗原持续表达数月,促炎信号逐步衰减,诱导分泌 IL-10 的滤泡外 CD4⁺T 细胞,推动 B 细胞向 IgG4 亚型转换。多次接种诱导 IgG4 并非 mRNA 疫苗独有,蛋白亚单位疫苗(如 HIV 疫苗)同样存在该现象。需阐明调控 IgG4 亚型转换的通路,为靶向优化疫苗、提升抗体效应功能提供理论支撑。

总结与展望

新冠疫情标志着一类强力疫苗平台的诞生,可为全球大流行防控提供核心支撑。尽管新冠 mRNA-LNP 疫苗在人体中表现优异,其诱导免疫应答仍存在诸多亟待解决的短板,包括前文所述接种反应性问题;黏膜递送等其他优化方向本文未展开论述。系统解析 mRNA 疫苗各组分诱导高效免疫应答的分子机制,是理性设计、定向改造疫苗配方、定制免疫应答的基础。


Immunological mechanisms of mRNA vaccines for infectious diseases.

Locci M, et al. Nature. 2026. PMID: 42342874

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