mRNA vaccines represent a promising alternative to conventional vaccine approaches, but their application has been hampered by instability and delivery issues. Here, Pardi and colleagues discuss recent advances in mRNA vaccine technology, assess mRNA vaccines currently in development for cancer and infectious diseases and consider future directions and challenges. mRNA vaccines represent a promising alternative to conventional vaccine approaches because of their high potency, capacity for rapid development and potential for low-cost manufacture and safe administration. However, their application has until recently been restricted by the instability and inefficient in vivo delivery of mRNA. Recent technological advances have now largely overcome these issues, and multiple mRNA vaccine platforms against infectious diseases and several types of cancer have demonstrated encouraging results in both animal models and humans. This Review provides a detailed overview of mRNA vaccines and considers future directions and challenges in advancing this promising vaccine platform to widespread therapeutic use.

A single, low-dose intradermal immunization with lipid-nanoparticle-encapsulated nucleoside-modified mRNA encoding the pre-membrane and envelope glycoproteins of Zika virus protects both mice and rhesus macaques against infection and elicits rapid and long-lasting neutralizing antibody responses. Public health efforts to combat Zika virus disease are hampered by lack of a safe and efficient vaccine. Drew Weissman and colleagues report the development of a candidate vaccine that is based on chemically stabilized messenger RNA (mRNA) that encodes the premembrane and envelope glycoproteins of the Zika virus. This mRNA is packaged into lipid nanoparticles that can be delivered intradermally. A single dose of the vaccine gave mice and rhesus macaques long-term immunity to the Zika virus. These findings pave the way for the development of candidate vaccines that could protect humans against Zika virus disease. Zika virus (ZIKV) has recently emerged as a pandemic associated with severe neuropathology in newborns and adults1. There are no ZIKV-specific treatments or preventatives. Therefore, the development of a safe and effective vaccine is a high priority. Messenger RNA (mRNA) has emerged as a versatile and highly effective platform to deliver vaccine antigens and therapeutic proteins2,3. Here we demonstrate that a single low-dose intradermal immunization with lipid-nanoparticle-encapsulated nucleoside-modified mRNA (mRNA–LNP) encoding the pre-membrane and envelope glycoproteins of a strain from the ZIKV outbreak in 2013 elicited potent and durable neutralizing antibody responses in mice and non-human primates. Immunization with 30 μg of nucleoside-modified ZIKV mRNA–LNP protected mice against ZIKV challenges at 2 weeks or 5 months after vaccination, and a single dose of 50 μg was sufficient to protect non-human primates against a challenge at 5 weeks after vaccination. These data demonstrate that nucleoside-modified mRNA–LNP elicits rapid and durable protective immunity and therefore represents a new and promising vaccine candidate for the global fight against ZIKV.

In recent years, in vitro transcribed messenger RNA (mRNA) has emerged as a potential therapeutic platform. To fulfill its promise, effective delivery of mRNA to specific cell types and tissues needs to be achieved. Lipid nanoparticles (LNPs) are efficient carriers for short-interfering RNAs and have entered clinical trials. However, little is known about the potential of LNPs to deliver mRNA. Here, we generated mRNA-LNPs by incorporating HPLC purified, 1-methylpseudouridine-containing mRNA comprising codon-optimized firefly luciferase into stable LNPs. Mice were injected with 0.005-0.250 mg/kg doses of mRNA-LNPs by 6 different routes and high levels of protein translation could be measured using in vivo imaging. Subcutaneous, intramuscular and intradermal injection of the LNP-encapsulated mRNA translated locally at the site of injection for up to 10 days. For several days, high levels of protein production could be achieved in the lung from the intratracheal administration of mRNA. Intravenous and intraperitoneal and to a lesser extent intramuscular and intratracheal deliveries led to trafficking of mRNA-LNPs systemically resulting in active translation of the mRNA in the liver for 1–4 days. Our results demonstrate that LNPs are appropriate carriers for mRNA in vivo and have the potential to become valuable tools for delivering mRNA encoding therapeutic proteins.

T follicular helper (Tfh) cells are required to develop germinal center (GC) responses and drive immunoglobulin class switch, affinity maturation, and long-term B cell memory. In this study, we characterize a recently developed vaccine platform, nucleoside-modified, purified mRNA encapsulated in lipid nanoparticles (mRNA-LNPs), that induces high levels of Tfh and GC B cells. Intradermal vaccination with nucleoside-modified mRNA-LNPs encoding various viral surface antigens elicited polyfunctional, antigen-specific, CD4+ T cell responses and potent neutralizing antibody responses in mice and nonhuman primates. Importantly, the strong antigen-specific Tfh cell response and high numbers of GC B cells and plasma cells were associated with long-lived and high-affinity neutralizing antibodies and durable protection. Comparative studies demonstrated that nucleoside-modified mRNA-LNP vaccines outperformed adjuvanted protein and inactivated virus vaccines and pathogen infection. The incorporation of noninflammatory, modified nucleosides in the mRNA is required for the production of large amounts of antigen and for robust immune responses.

Adjuvants are critical for improving the quality and magnitude of adaptive immune responses to vaccination. Lipid nanoparticle (LNP)-encapsulated nucleoside-modified mRNA vaccines have shown great efficacy against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), but the mechanism of action of this vaccine platform is not well-characterized. Using influenza virus and SARS-CoV-2 mRNA and protein subunit vaccines, we demonstrated that our LNP formulation has intrinsic adjuvant activity that promotes induction of strong T follicular helper cell, germinal center B cell, long-lived plasma cell, and memory B cell responses that are associated with durable and protective antibodies in mice. Comparative experiments demonstrated that this LNP formulation outperformed a widely used MF59-like adjuvant, AddaVax. The adjuvant activity of the LNP relies on the ionizable lipid component and on IL-6 cytokine induction but not on MyD88- or MAVS-dependent sensing of LNPs. Our study identified LNPs as a versatile adjuvant that enhances the efficacy of traditional and next-generation vaccine platforms.

The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike protein acquired a D614G mutation early in the pandemic that confers greater infectivity and is now the globally dominant form. To determine whether D614G might also mediate neutralization escape that could compromise vaccine efficacy, sera from spike-immunized mice, nonhuman primates, and humans were evaluated for neutralization of pseudoviruses bearing either D614 or G614 spike. In all cases, the G614 pseudovirus was moderately more susceptible to neutralization. The G614 pseudovirus also was more susceptible to neutralization by receptor-binding domain (RBD) monoclonal antibodies and convalescent sera from people infected with either form of the virus. Negative stain electron microscopy revealed a higher percentage of the 1-RBD "up" conformation in the G614 spike, suggesting increased epitope exposure as a mechanism of enhanced vulnerability to neutralization. Based on these findings, the D614G mutation is not expected to be an obstacle for current vaccine development.

The deployment of effective vaccines against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is critical to eradicate the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. Many licensed vaccines confer protection by inducing long-lived plasma cells (LLPCs) and memory B cells (MBCs), cell types canonically generated during germinal center (GC) reactions. Here, we directly compared two vaccine platforms—mRNA vaccines and a recombinant protein formulated with an MF59-like adjuvant—looking for their abilities to quantitatively and qualitatively shape SARS-CoV-2-specific primary GC responses over time. We demonstrated that a single immunization with SARS-CoV-2 mRNA, but not with the recombinant protein vaccine, elicited potent SARS-CoV-2-specific GC B and T follicular helper (Tfh) cell responses as well as LLPCs and MBCs. Importantly, GC responses strongly correlated with neutralizing antibody production. mRNA vaccines more efficiently induced key regulators of the Tfh cell program and influenced the functional properties of Tfh cells. Overall, this study identifies SARS-CoV-2 mRNA vaccines as strong candidates for promoting robust GC-derived immune responses.

SARS-CoV-2 infection has emerged as a serious global pandemic. Because of the high transmissibility of the virus and the high rate of morbidity and mortality associated with COVID-19, developing effective and safe vaccines is a top research priority. Here, we provide a detailed evaluation of the immunogenicity of lipid nanoparticle-encapsulated, nucleoside-modified mRNA (mRNA-LNP) vaccines encoding the full-length SARS-CoV-2 spike protein or the spike receptor binding domain in mice. We demonstrate that a single dose of these vaccines induces strong type 1 CD4+ and CD8+ T cell responses, as well as long-lived plasma and memory B cell responses. Additionally, we detect robust and sustained neutralizing antibody responses and the antibodies elicited by nucleoside-modified mRNA vaccines do not show antibody-dependent enhancement of infection in vitro. Our findings suggest that the nucleoside-modified mRNA-LNP vaccine platform can induce robust immune responses and is a promising candidate to combat COVID-19.

Abstract Monoclonal antibodies are one of the fastest growing classes of pharmaceutical products, however, their potential is limited by the high cost of development and manufacturing. Here we present a safe and cost-effective platform for in vivo expression of therapeutic antibodies using nucleoside-modified mRNA. To demonstrate feasibility and protective efficacy, nucleoside-modified mRNAs encoding the light and heavy chains of the broadly neutralizing anti-HIV-1 antibody VRC01 are generated and encapsulated into lipid nanoparticles. Systemic administration of 1.4 mg kg −1 of mRNA into mice results in ∼170 μg ml −1 VRC01 antibody concentrations in the plasma 24 h post injection. Weekly injections of 1 mg kg −1 of mRNA into immunodeficient mice maintain trough VRC01 levels above 40 μg ml −1 . Most importantly, the translated antibody from a single injection of VRC01 mRNA protects humanized mice from intravenous HIV-1 challenge, demonstrating that nucleoside-modified mRNA represents a viable delivery platform for passive immunotherapy against HIV-1 with expansion to a variety of diseases.

Abstract Most known pathogenic point mutations in humans are C•G to T•A substitutions, which can be directly repaired by adenine base editors (ABEs). In this study, we investigated the efficacy and safety of ABEs in the livers of mice and cynomolgus macaques for the reduction of blood low-density lipoprotein (LDL) levels. Lipid nanoparticle–based delivery of mRNA encoding an ABE and a single-guide RNA targeting PCSK9 , a negative regulator of LDL, induced up to 67% editing (on average, 61%) in mice and up to 34% editing (on average, 26%) in macaques. Plasma PCSK9 and LDL levels were stably reduced by 95% and 58% in mice and by 32% and 14% in macaques, respectively. ABE mRNA was cleared rapidly, and no off-target mutations in genomic DNA were found. Re-dosing in macaques did not increase editing, possibly owing to the detected humoral immune response to ABE upon treatment. These findings support further investigation of ABEs to treat patients with monogenic liver diseases.