从进入临床试验的mRNA疫苗，到肽基疫苗，再到利用分子养殖来规模化疫苗生产，COVID-19大流行正在把新兴的纳米技术推向前线和头条新闻。
加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师在7月15日发表在《自然纳米技术》上的一篇评论文章中详细介绍了目前开发COVID-19疫苗的方法，并强调了纳米技术是如何实现这些进展的。
“纳米技术在疫苗设计中扮演着重要的角色，”由加州大学圣地亚哥分校纳米工程学教授Nicole Steinmetz领导的研究人员写道。
Steinmetz也是加州大学圣地亚哥分校纳米免疫工程中心的创始董事。“纳米材料是递送抗原、作为佐剂平台和模仿病毒结构的理想材料。第一批进入临床试验的候选药物基于新型纳米技术，并准备产生影响。”
施泰因梅茨正在领导一项由美国国家科学基金会资助的项目，利用一种植物病毒开发一种稳定、容易制造的COVID-19疫苗贴片，这种疫苗可以运往世界各地，患者可以毫无痛苦地自行注射。疫苗本身和微针贴片传递平台都依赖于纳米技术。这种疫苗属于以下所述的肽基方法。
“从疫苗技术发展的角度来看，这是一个令人兴奋的时代，新技术和方法将首次带来临床影响。例如，到目前为止，还没有mRNA疫苗获得临床批准，但Moderna用于COVID-19的mRNA疫苗技术正在取得进展，是美国首个进入临床测试的疫苗。”
截至6月1日，有157种COVID-19候选疫苗正在开发中，其中12种正在进行临床试验。
“有很多纳米技术平台技术用于对抗SARS-CoV-2;虽然很有希望，但其中许多可能需要数年才能部署，因此可能不会对SARS-CoV-2大流行产生影响，”Steinmetz写道。
Steinmetz写道:“尽管COVID-19具有破坏性，但它可能会推动科学界、资助机构和利益攸关方更加集中精力开发平台技术，使各国为未来的大流行做好准备。”
为了减轻当代疫苗——即病毒本身的减活毒株或灭活毒株——的一些负面影响，纳米技术的进步使几种下一代疫苗成为可能，包括:
肽基疫苗:通过对抗体和患者血清的信息学和免疫学研究的结合，已鉴定出多种SARS-CoV-2 S蛋白的B-和t细胞表位。
随着时间的推移以及对恢复期COVID-19患者血清中中和抗体的筛选，实验获得的肽表位将确定有用的表位区域，从而为第二代SARS-CoV-2肽疫苗提供更优的抗原。美国国立卫生研究院最近资助了拉霍亚免疫学研究所。
肽基方法是最简单的疫苗形式，易于设计、易于验证和快速生产。肽基疫苗可配制为肽加佐剂混合物，或肽可由适当的纳米载体输送，或由核酸疫苗配方编码。
几种肽疫苗以及肽纳米粒偶联物正在针对慢性疾病和癌症进行临床测试和开发，致癌原和剑桥大学/DIOSynVax在其COVID-19疫苗配方中使用免疫信息来源的S蛋白肽序列。
用于肽疫苗的一种有趣的纳米技术是来自噬菌体和植物病毒的类病毒颗粒(VLPs)。虽然这些VLPs对哺乳动物没有传染性，但它们模仿了与病原体相关的分子模式，使它们在免疫系统中高度可见。
这使得VLPs不仅可以作为传递平台，还可以作为辅助剂。VLPs通过抗原提呈细胞增强病毒抗原的摄取，并提供额外的免疫刺激，导致随后的免疫反应的激活和放大。
Steinmetz和Jon Pokorski教授获得了美国国家科学基金会的快速研究反应基金，用于从一种植物病毒中研制肽基COVID-19疫苗。他们的方法是利用感染豆科植物的豇豆花叶病毒，将其改造成SARS-CoV-2，并在其表面编织抗原肽，这将刺激免疫反应。
他们的方法，以及其他基于植物的表达系统，可以通过分子耕作很容易地扩大规模。在分子农业中，每一株植物都是一个生物反应器。种植的植物越多，生产的疫苗就越多。
Medicago最近在一个月内生产了1000万剂流感疫苗，证明了该平台的速度和可扩展性。在2014年的埃博拉疫情中，患者接受了ZMapp治疗，这是一种通过分子农场生产的抗体鸡尾酒。分子农业生产成本低，而且更安全，因为人类病原体不能在植物细胞中复制。
核酸疫苗:对于快速出现的病毒感染和COVID-19等大流行病，快速开发和大规模部署疫苗是一项迫切需要，亚单位疫苗可能无法满足这一需求。
将基因编码用于原位生产病毒蛋白是传统疫苗方法的一种很有前途的替代方法。DNA疫苗和mRNA疫苗都属于这一类，目前正在针对COVID-19大流行进行研究。
DNA疫苗是由小的、圆形的细菌质粒组成，这些质粒被设计成针对核机制并产生下游SARS-CoV-2的S蛋白。
另一方面，mRNA疫苗是基于将designer-mRNA送入细胞质的宿主细胞机制，然后将基因转化为蛋白质——在这种情况下，是SARS-CoV-2的全长S蛋白。mRNA疫苗可以通过体外转录生产，这就排除了对细胞及其相关调控障碍的需要
虽然DNA疫苗比mRNA疫苗提供更高的稳定性，但mRNA是不整合的，因此没有插入突变的风险。此外，mRNA的半衰期、稳定性和免疫原性可以通过已建立的修饰进行调整。
几种使用DNA或RNA的COVID-19疫苗正在开发中:Inovio Pharmaceuticals正在进行第一阶段临床试验，Entos Pharmeuticals正在进行第一阶段临床试验。
Moderna基于mRNA的技术在3月16日开始的美国第一阶段临床试验中是最快的。生物科技公司辉瑞最近宣布，德国监管机构批准了该公司进行1/2期临床试验，以测试四种候选铅mRNA。
亚单位疫苗:亚单位疫苗仅使用病原体病毒的最基本的结构元素，即病毒本身的蛋白质或组装的VLPs。亚单位疫苗也可以使用来自病原体本身的非感染性VLPs作为抗原。
这些VLPs不含遗传物质，保留了病原体的部分或全部结构蛋白，从而模仿了感染性病毒的免疫原性拓扑特征，可通过重组表达生产，并可通过发酵或分子养殖进行规模化生产。
在开发者中领先的是Novavax公司，该公司于2020年5月25日启动了一期/二期试验。赛诺菲巴斯德/葛兰素史克、Vaxine、强生和匹兹堡大学也宣布，他们预计将在未来几个月内开始一期临床试验。
其他包括Clover Biopharmaceuticals和澳大利亚昆士兰大学(University of Queensland, Australia)都在独立开发亚基疫苗，分别使用分子钳技术和三聚体标签技术实现S蛋白的预融合三聚体确认。
交付设备开发
最后，这组科学家指出，纳米技术对COVID-19疫苗开发的影响并不仅限于疫苗本身，而是通过开发管理疫苗的设备和平台而扩大。
由于需要持续冷藏的减毒活疫苗和灭活疫苗，以及需要疫苗的卫生保健专业人员不足，历来使这一问题复杂化。
“最近,现代替代品来光分布和访问等挑战,如单剂缓释植入和microneedle-based补丁可以降低对冷链的依赖,确保疫苗甚至在合格的卫生保健专业人员很少的情况下或在高需求,”研究人员写道。
“基于微针的贴片甚至可以自行注射，这将极大地加快此类疫苗的推广和传播，并减轻医疗系统的负担。”
出于这两个原因，Pokorski和Steinmetz正在联合开发一种微针传递平台，用于生产COVID-19植物病毒疫苗。
这项工作得到了美国国家科学基金会(NSF CMMI-2027668)的资助。
研究人员写道:“生物/纳米技术和先进纳米制造技术的进步，加上公开报告和数据共享，为创新疫苗技术的快速发展奠定了基础，从而在COVID-19大流行期间产生影响。”
“其中一些平台技术可以作为即插即用技术，可以针对季节性或新的冠状病毒株进行定制。COVID-19有可能成为一种季节性疾病，因此需要继续投资于冠状病毒疫苗。”
