这就是为什么像辉瑞这样的COVID-19疫苗需要保持低温的原因

冷冻基于RNA的疫苗可防止其易碎成分分解

辉瑞的COVID-19疫苗需要储存在比南极洲更低的温度下。
像这样的特殊冷冻机(如比利时辉瑞工厂中所示)和运输容器需要使疫苗保持超冷状态。

辉瑞公司正在竞相获得COVID-19疫苗的批准 ,并于11月20日 申请了美国食品和药物管理局的紧急使用许可。但是,这家制药巨头在分配其疫苗方面面临着巨大的挑战,必须保持超霜冻– 70摄氏度,需要特殊的冷藏柜和运输容器。

巴尔的摩马里兰州公共卫生部的免疫计划经理库尔特·西图说,它“有一些独特的存储要求”。“我们通常不会在这样的温度下存储疫苗,因此这绝对是一个挑战。”

这意味着,尽管辉瑞及其德国合作伙伴生物科技开发的疫苗很可能是美国达到终点线的首个疫苗,但其最终采用可能受到限制。负责监督疫苗的FDA委员会将于12月10日开会讨论紧急使用要求。该会议将在该机构的网站以及YouTube,Facebook和Twitter频道上进行现场直播。

两家公司还寻求获得在澳大利亚,加拿大,欧洲,日本,英国和世界其他地区分发疫苗的授权,这使其深冻问题成为全球性挑战。

由摩德纳和美国国家过敏与传染病研究所开发的类似疫苗也需要冷冻。但是它可以在摄氏20度的低温下生存,因此可以保存在标准冰箱中,甚至可以在冰箱温度下保存长达一个月。大多数疫苗根本不需要冷冻,但是辉瑞和摩德纳的疫苗都不需要冷冻疫苗是新型疫苗,低温对于防止疫苗分解和变得无用是必需的。

两种疫苗均基于信使RNA或mRNA,该信使带有建立冠状病毒刺突蛋白拷贝的说明。人体细胞阅读这些说明并产生蛋白质的拷贝,该蛋白质反过来会引发免疫系统攻击冠状病毒,一旦它发出来。

那么,为什么辉瑞的疫苗需要在南极洲以下的温度冷冻,而摩德纳的却不需要?

回答这个问题需要一些猜测。纳什维尔范德比尔特大学医学中心的蛋白质化学家兼数据科学家桑贾伊·米什拉说,这两家公司不太可能透露出用于制造疫苗的所有技巧和商业秘密。

但是,至少有四件事可以决定mRNA疫苗的脆弱性以及需要冷冻多久才能使其保持新鲜和有效。米什拉说,这些公司如何应对这四个挑战很可能是疫苗需要降温的关键。

寒冷的需求难题始于RNA及其表亲DNA之间的化学差异。

RNA不如DNA稳定的原因之一是由于构成分子主链的糖的重要差异。RNA的脊柱是一种叫做核糖的糖,而DNA的是脱氧核糖。不同之处在于:DNA缺少氧气分子。结果,“ DNA可以存活几代人,” 米什拉说,但是RNA更具瞬时性。“对于生物学来说,这是一件好事。”

当细胞有工作要做时,它们通常需要使蛋白质起作用。但是,像大多数制造商一样,细胞没有蛋白质储备。他们每次都必须制造新批次。制造蛋白质的配方存储在DNA中。

细胞不会在烹煮一批蛋白质时将其放在分子厨房柜台上而破坏DNA食谱的风险,而是可以制作食谱的RNA副本。这些拷贝被细胞机器读取并用于生产蛋白质。

就像不可能播放的任务消息会在播放后自动销毁一样,许多RNA一旦读取就会迅速降解。快速处置RNA是控制制造特定蛋白质量的一种方法。有许多酶致力于RNA的破坏,这些酶漂浮在细胞内部以及几乎其他任何地方。将基于RNA的疫苗粘贴在高炉冷冻柜中可防止此类酶将RNA撕开并使疫苗呈惰性。

分子稳定性不同的另一种方式在于其结构。DNA的双链缠绕成优美的双螺旋。但是RNA会单链地结合在一起,并在某些位置与自身配对,从而产生出让人联想到棒棒糖,发夹和交通圈的奇妙形状。这些“二级结构”可以使某些RNA比其他RNA更脆弱。

DNA和RNA的化学差异使RNA变得困难的另一个地方是分子,它们阐明了配方的说明和成分。分子的信息携带亚基被称为核苷酸。DNA的核苷酸通常由字母A,T,C和G代表腺嘌呤,胸腺嘧啶,胞嘧啶和鸟嘌呤。RNA使用相同的A,C和G,但代替胸腺嘧啶的字母却不同:尿嘧啶或U。

“尿嘧啶是个问题,因为它突出了,”米什拉说。那些突出我们的人就像一面旗帜,挥舞着名为Toll样受体的特殊免疫系统蛋白。这些蛋白质有助于检测病毒(例如SARS-CoV-2)的RNA,SARS-CoV-2是导致COVID-19的冠状病毒,并且可以确定入侵者是否受到破坏。

mRNA可以通过免疫系统分解或被免疫系统制造的所有这些方式为疫苗制造商带来障碍。两家公司需要确保RNA完整无损地保持足够长的时间,以进入细胞并烘烤一批刺突蛋白。无论摩德纳酒店和辉瑞公司可能与RNA的化学修修补补做出可能把工作做好疫苗:两人都报告说,他们的疫苗约95%有效的预防疾病的临床试验。

虽然尚不清楚两家公司的方法细节,但它们都可能在mRNA的化学字母上稍作修饰,以使人类细胞机器更容易阅读说明。两家公司还需要添加额外的RNA(帽和尾),在刺突蛋白说明的两侧,以使该分子在人体细胞中稳定且易读。米什拉说,这种篡改可能破坏或创造了可能影响RNA稳定性的二级结构。

尿嘧啶问题可以通过添加核苷酸的修饰版本来解决,该修饰版本可以忽略Toll样受体,使RNA免于最初的免疫系统攻击,从而使疫苗具有更好的机会来制造可建立针对免疫系统的免疫防御的蛋白质病毒。公司可能将哪种改良版本的尿嘧啶引入疫苗中,也可能影响RNA稳定性,进而影响每种疫苗需要储存的温度。

最后,米斯拉说,RNA分子本身太小了,因为它太小了。因此,这些公司用脂质乳剂包裹mRNA,从而几乎没有产生称为脂质纳米颗粒的气泡。这些纳米粒子需要足够大,以使细胞能够将其捕获,将其带入内部并打开粒子以释放RNA。

某些类型的脂质比其他类型具有更好的耐热性。这就像普通油还是脂肪。米斯拉说:“你知道猪油在室温下是固态的,而油是液态的。” 对于纳米粒子来说,“它们的组成在很大程度上将保持它们内部的稳定性。” 该公司使用的脂质可能会大大提高疫苗的耐热性。

对超冷存储的需求最终可能会限制最终有多少人接种辉瑞疫苗。太明白了说:“我们预计这种辉瑞疫苗几乎只会在早期阶段使用。”

预计第一波疫苗将送给医护人员和其他重要雇员,例如消防员和警察,以及那些可能感染重病或死于COVID-19的高风险人群,例如老年人生活在护理设施中。

辉瑞公司已经告诉卫生官员,疫苗可以存放在特殊的运输容器中,并用干冰再充注15天,解冻后再冷藏5天。这样一来,卫生官员就可以在20天之内将疫苗运送到人们的怀抱中。但是摩德纳的疫苗和许多仍在测试中的其他疫苗似乎在较热的温度下可以持续更长的时间。如果这些疫苗与辉瑞的疫苗一样有效,从长远来看,它们可能会更有吸引力,因为它们不需要如此极端的特殊处理。

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