把生菜轉(zhuǎn)變?yōu)椤竚RNA疫苗工廠(chǎng)」，成本低、速度快的食用疫苗會(huì)有一席之地嗎？

今年 6 月，魁北克生物技術(shù)公司 Medicago 和 GSK 合作開(kāi)發(fā)的植物疫苗已經(jīng)進(jìn)入臨床 III 期，已投資建廠(chǎng)，并計(jì)劃年產(chǎn) 10 億劑。該疫苗使用一種叫做本氏煙草的植物。與其它 COVID-19 疫苗一樣，基于植物的疫苗也是間隔 21 天注射。
Medicago 的試驗(yàn)結(jié)果表明，受試者在接受注射后產(chǎn)生了強(qiáng)烈的抗體反應(yīng)，比從自然疾病中恢復(fù)的人的抗體反應(yīng)高出約 10 倍。其首席醫(yī)療官 Brain Ward 稱(chēng)，這些抗體值比迄今為止報(bào)道的幾乎所有其它疫苗都要高。
近日，加州大學(xué)河濱分校 (UCR) 的研究人員也在研究，是否可以將生菜等可食用植物轉(zhuǎn)變?yōu)椤癿RNA 疫苗工廠(chǎng)”。
“理想情況下，一株植物產(chǎn)生的 mRNA 足以為一個(gè)人接種疫苗，”UCR 植物學(xué)和植物科學(xué)系副教授 Juan Pablo Giraldo 博士說(shuō)。他正在領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究，與加州大學(xué)圣地亞哥分校和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的科學(xué)家合作完成。
如果這個(gè)項(xiàng)目成功，基于植物的可食用疫苗可以通過(guò)在室溫條件下儲(chǔ)存，克服現(xiàn)有疫苗必須低溫儲(chǔ)存的挑戰(zhàn)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，可食用疫苗的開(kāi)發(fā)涉及將選定的所需基因整合到植物中，然后使這些經(jīng)過(guò)改造的植物產(chǎn)生編碼蛋白質(zhì)。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為轉(zhuǎn)化，被改變的植物被稱(chēng)為轉(zhuǎn)基因植物。

這項(xiàng)由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金支持的項(xiàng)目主要有三個(gè)目標(biāo)：表明可以將帶有 mRNA 疫苗的 DNA 輸送到植物細(xì)胞的特定部分；表明植物基疫苗可以生產(chǎn)與傳統(tǒng) mRNA 疫苗一樣多的疫苗；最后，項(xiàng)目還必須確定確切的劑量。
團(tuán)隊(duì)的想法很簡(jiǎn)單，利用天然存在的納米粒子 —— 植物病毒，將基因傳遞到植物的葉綠體中，但病毒本身不能感染植物。葉綠體是綠色植物和藻類(lèi)中進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所，他們捕獲太陽(yáng)能，并將其轉(zhuǎn)換為糖或者其它分子。
這正是 Giraldo 實(shí)驗(yàn)室的強(qiáng)項(xiàng)，他們已經(jīng)通過(guò)將外來(lái)遺傳物質(zhì)遞送到植物細(xì)胞，證明了葉綠體可以表達(dá)非植物天然組成部分的基因。
但需要注意的是，納米顆粒必須克服的，進(jìn)入葉綠體基因組的主要障礙是植物細(xì)胞壁、植物細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和葉綠體雙膜。在藻類(lèi)中，也可能有外層的海藻基質(zhì)。
當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的遞送方式包括粒子轟擊、依靠壓力將微載體遞送到葉綠體基因組。通過(guò)粒子轟擊對(duì)少數(shù)生物體強(qiáng)制將 DNA 傳遞到葉綠體的方法，目前已經(jīng)證實(shí)了 9 個(gè)物種具有穩(wěn)定和可重復(fù)的質(zhì)體轉(zhuǎn)化，但都不能針對(duì)特定的細(xì)胞器。
植物表面的各種物理和化學(xué)屏障，可以通過(guò)大小、電荷、疏水性和其他特性限制納米顆粒的吸收。比如，近期已有報(bào)道，高達(dá) 18 nm 的納米顆粒能夠遞送到棉花葉細(xì)胞，而大于 8 nm 的納米顆粒不能遞送到玉米葉細(xì)胞。
鑒于此，Giraldo 與加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授 Nicole Steinmetz 博士合作，將利用她的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的納米技術(shù)將遺傳物質(zhì)遞送到葉綠體。Steinmetz 實(shí)驗(yàn)室主要在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試源自植物病毒的材料和生物制劑。其實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于植物病毒的納米粒子庫(kù)。

植物病毒是一種天然的、自組裝的納米結(jié)構(gòu)，具有多用途和基因可編程的外殼，使其在從開(kāi)發(fā)新材料到診斷和治療等多種應(yīng)用中都很有用。各種植物病毒已通過(guò)對(duì)其內(nèi)腔和外表面的化學(xué)和基因修飾進(jìn)行了修飾，這些修飾為血管成像和腫瘤靶向的標(biāo)記物和****物分子的附著提供了合適的位點(diǎn)。
今年 7 月，Giraldo 發(fā)表在 Plant Science 上的文章表明，涂有殼聚糖的單壁碳納米管能夠?qū)①|(zhì)粒 DNA 帶到葉綠體。納米材料用注射器注射到到葉肉細(xì)胞中，以肽識(shí)別基序?yàn)閷?dǎo)向，將化學(xué)物質(zhì)等輸送到葉綠體中。
“我們正在用菠菜和生菜測(cè)試這種方法，并制定了人們?cè)谧约旱幕▓@里種植的長(zhǎng)期目標(biāo)，”Giraldo 說(shuō)道。
除此之外， Giraldo 還領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用納米材料將氮（一種肥料）直接輸送到植物最需要的葉綠體中。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)已授予 Giraldo 和他的同事 160 萬(wàn)美元用于開(kāi)發(fā)這種有針對(duì)性的氮輸送技術(shù)。

1986 年，人們提出將植物用于生產(chǎn)治療性蛋白質(zhì)。近三十年來(lái)，植物表達(dá)系統(tǒng)已被用于生產(chǎn)多種應(yīng)用的治療性蛋白質(zhì)，尤其是基于蛋白質(zhì)的亞單位疫苗和單克隆抗體，以對(duì)抗疾病。
1992 年，乙型肝炎表面抗原在植物中成功表達(dá)的研究成果就已經(jīng)引爆了學(xué)術(shù)界，利用基因改造后的植物，作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)疫苗，從此成為疫苗研制的熱點(diǎn)；2012 年，第一個(gè)也是唯一一個(gè)用于人類(lèi)的植物衍生治療蛋白被批準(zhǔn)用于治療戈謝??；2019 年，一種植物生產(chǎn)的流感病毒疫苗完成了 III 期臨床試驗(yàn)，結(jié)果令人鼓舞。
“開(kāi)發(fā)基于植物的疫苗有一些明顯的好處”，多倫多大學(xué)實(shí)驗(yàn)室醫(yī)學(xué)和病理生物學(xué)系助理教授 Robert Kozak 說(shuō)，“與許多傳統(tǒng)疫苗生產(chǎn)方法相比，植物基疫苗的生產(chǎn)成本更低。”
Medicago 的首席醫(yī)療官 Ward 說(shuō)，與其他傳統(tǒng)疫苗相比，植物疫苗的生產(chǎn)速度也更快。Medicago 還開(kāi)發(fā)了一種植物性流感疫苗，正在接受加拿大衛(wèi)生部的審查。
食用疫苗也有諸多優(yōu)勢(shì)，很容易擴(kuò)大規(guī)模、有良好的遺傳和熱穩(wěn)定性，并且不需要冷鏈維護(hù)、不需要注射器和針頭，降低了各種感染的發(fā)生率?？墒秤靡呙绲闹匾獌?yōu)勢(shì)是消除了動(dòng)物病毒（如瘋牛?。┑奈廴?，因?yàn)橹参锊《静荒芨腥救祟?lèi)，食用疫苗一旦接觸到消化道內(nèi)壁，就會(huì)通過(guò)刺激粘膜和全身免疫來(lái)發(fā)揮作用。

但植物需要一定的環(huán)境條件才能生長(zhǎng)，包括充足的陽(yáng)光。這意味著并非每個(gè)國(guó)家都可以擁有大規(guī)模開(kāi)發(fā)植物疫苗的基礎(chǔ)設(shè)施。
但 Ward 和 Kozak 都信心滿(mǎn)滿(mǎn)，他們認(rèn)為植物在疫苗和****物領(lǐng)域非常有前途。“我們非常有信心，在接下來(lái)的 5 到 10 年內(nèi)，其他人將追隨我們的腳步。”Ward 說(shuō)道。

參考資料：

• https://www.verywellhealth.com/plant-based-covid-19-vaccine-canada-5187725

• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8400130/

• https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2021.691295/full

• https://austinpublishinggroup.com/nutrition-food-sciences/fulltext/ajnfs-v4-id1078.php