RNA疫苗已被证实对新冠病毒有效，目前正被开发用于治疗多种其他疾病，包括癌症。这类疫苗的一个缺点是需要超低温储存，但麻省理工学院的研究人员找到了一种有望克服这一限制的方法。
借助AI算法的帮助，研究人员对通常用于递送mRNA疫苗的脂质纳米颗粒的配方进行了调整，使疫苗更加耐热。通过这种方法，他们研制出的疫苗配方即使在室温下储存长达一年，或在近38摄氏度下储存两个月，仍能保持稳定。
当用这些颗粒携带的新冠疫苗接种小鼠时，产生的免疫反应与Moderna开发的类似RNA新冠疫苗一样强烈。通过使用AI算法预测颗粒的最佳配方，研究人员大幅减少了所需的实验数量，从而加快了研发进程。
稳定的疫苗
麻省理工学院科赫综合癌症研究所首席研究员安娜·雅克莱内茨表示："这个算法真正的优势在于我们可以用小数据集来使用它。要进行数千次实验非常困难，所以这个算法让我们更容易实现具有我们想要特性的配方——在这个案例中就是稳定性。"
雅克莱内茨和大卫·H·科赫研究所教授罗伯特·兰格是这篇论文的高级作者，该论文今天发表在《自然·生物技术》杂志上。研究生金碧·田和博士后陈庆是论文的主要作者。
RNA是一种非常脆弱的分子，因此研究人员通过脂质纳米颗粒（LNP）来稳定它，这种颗粒能保护RNA免于降解并帮助其进入细胞。然而，这些RNA-LNP疫苗仍需要冷藏保存（零下20至零下80摄氏度），这使得将其运送到没有冷藏设施的地区变得困难。
使这些疫苗更耐热不仅能让其得到更广泛的分发，还能帮助研究人员开发可通过微针贴片等新型方式给药的新疫苗。这些贴片包含数百个装有疫苗的微针，贴到皮肤上时会溶解并释放疫苗。
为了制造更稳定的RNA疫苗，研究人员曾尝试向脂质纳米颗粒中添加各种赋形剂——糖类、盐类或聚合物。雅克莱内茨和兰格最近开发出了能够耐受更高温度的聚合物稳定脂质纳米颗粒，但这些颗粒与用于Moderna和辉瑞新冠疫苗的FDA批准配方略有不同。
在这篇新论文中，研究人员希望找到一种方法，让那些经FDA批准的配方在高温下也能更加稳定。
他们最初重新使用了此前尝试中有效的一些赋形剂，但研究"真的陷入了困境"，雅克莱内茨说。"我们尝试使用并筛选之前成功用于稳定脂质纳米颗粒的赋形剂，但就是不起作用。这让团队感到非常沮丧。"
为了加快研究进度，研究人员决定尝试机器学习方法。他们与麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的研究人员合作，开发出一种能够基于极小数据集进行预测的算法。
CSAIL电气工程与计算机科学助理教授、论文作者之一米娜·科纳科维奇·卢科维奇表示："我们之前曾将算法用于各种自动化实验设计应用，但从未用于疫苗稳定性这样的生物学问题。令人惊讶的是，算法能够如此迅速地收敛到一个稳定的配方——只需几次迭代就能实现，而不需要通常所需的穷举搜索。"
研究人员使用该算法分析了近50种FDA批准的赋形剂。针对每种赋形剂，研究人员首先测量了它整合到脂质纳米颗粒中时对RNA的稳定效果。他们用这些颗粒将编码荧光虫萤光素酶蛋白的mRNA递送到细胞中，该蛋白能产生生物荧光。通过测量细胞发出的光量，研究人员可以判断每种赋形剂保护mRNA的有效程度。
研究人员选出了五种最有前景的赋形剂，并利用AI算法预测出能最好地稳定类似Moderna所用的脂质纳米颗粒的赋形剂比例。基于这些预测，研究人员在细胞中一次测试两种配方，将结果反馈给算法，进而生成更多预测。经过几轮迭代后，他们选定了一种看起来足够有前景的配方，用于动物实验。
这一过程仅耗时数周，远远少于没有AI算法指导时所需的时间。
陈庆表示："在实施AI算法之前，我们花了好几个月测试不同的组合，还对所有能找到的赋形剂进行了预筛选，但没有任何组合能达到100%的稳定性。"
强健的免疫反应
为测试新脂质纳米颗粒配方的耐热性，研究人员用这些颗粒包裹新冠mRNA抗原，然后使用一种称为真空干燥的工艺将其脱水。这些颗粒随后被储存在37摄氏度下两个月，或室温下一年。接种了这些颗粒疫苗的小鼠，即使经过长期储存，其免疫反应仍与接种类似原始Moderna配方脂质纳米颗粒疫苗的小鼠相当。
研究人员还利用其新型耐热配方制成了可递送新冠病毒抗原的固体微针贴片。这些贴片产生的免疫反应与注射型RNA疫苗产生的免疫反应相似。
金碧·田表示："我们的方法不仅拓宽了mRNA疫苗的应用范围，也拓宽了治疗药物或先进药物递送平台的应用范围，比如控释颗粒或微针贴片，这些都要求配方处于固态或在更高温度下保持稳定。"
研究人员还展示了他们可以利用该算法来稳定其他脂质纳米颗粒配方，包括一种类似辉瑞用于递送其新冠疫苗的配方。该配方使用了与麻省理工团队为Moderna脂质纳米颗粒开发的配方相同的赋形剂，但比例不同。研究人员表示，对于每种脂质纳米颗粒，一旦开发出耐热配方，就可以将其调整用于递送任何类型的mRNA有效载荷。
这项研究部分由盖茨基金会资助。
Q&A
Q1：这项新研究解决了RNA疫苗的什么问题？
A：解决了RNA疫苗需要超低温储存的问题。麻省理工学院研究人员通过AI算法优化脂质纳米颗粒配方，使疫苗能在室温下储存长达一年，或在近38摄氏度下储存两个月，大大提高了运输和存储的便利性。
Q2：AI算法在这项研究中起到了什么作用？
A：AI算法帮助研究人员用小数据集就能预测最优的疫苗配方，大幅减少了所需的实验次数。原本需要数月的赋形剂筛选和配方测试工作，借助算法只用几周时间就完成，显著加快了研发进程。
Q3：新配方的疫苗效果如何，是否已经在动物身上测试？
A：已在小鼠身上进行了测试。研究人员用新配方包装新冠mRNA抗原，经过长期高温或室温储存后接种小鼠，结果显示其免疫反应与Moderna原始配方疫苗相当，证明了新配方的有效性和稳定性。
