每經(jīng)記者 文巧    每經(jīng)編輯 高涵    

1961年，在加州理工學(xué)院的一個實驗室，科學(xué)家首次成功提取到mRNA；1990年，威斯康星大學(xué)的科研團隊首次發(fā)現(xiàn)，將體外轉(zhuǎn)錄的mRNA注射至小鼠骨骼肌內(nèi)，可以表達相應(yīng)蛋白質(zhì)并產(chǎn)生免疫反應(yīng)，震驚學(xué)術(shù)界。

關(guān)于mRNA技術(shù)的理想藍(lán)圖就此展開，雖然那時已有科學(xué)家預(yù)測mRNA療法將在未來占據(jù)重要地位，但所有人并不知道，在幾十年后的今天，mRNA在這場新冠疫情中掀起如此巨大的風(fēng)浪。在輝瑞/BioNTech的新冠疫苗獲批緊急使用前，這項技術(shù)尚未誕生過一款疫苗或者療法被廣泛使用。

當(dāng)?shù)貢r間2020年12月31日晚，世界衛(wèi)生組織將輝瑞/BioNTech的mRNA疫苗列為可緊急使用，這是首個獲世衛(wèi)緊急使用授權(quán)的新冠疫苗。此前，美國、英國、加拿大和歐盟等都已批準(zhǔn)輝瑞/BioNTech疫苗的使用或者上市。此外，美國還授權(quán)緊急使用Moderna的mRNA疫苗。

在新冠疫苗研發(fā)全球競賽中，基于mRNA技術(shù)的疫苗是首批進入臨床試驗的先鋒之一。輝瑞/BioNTech和Moderna新冠疫苗強勁的初期研究結(jié)果也讓他們在資本市場大放異彩，BioNTech和Moderna公司股價較去年年初分別飆升約160%和490%。

近日，特斯拉CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）在接受Business Insider訪談時表示，mRNA疫苗尤其有趣，因為mRNA技術(shù)可能是癌癥的潛在治愈方法。“醫(yī)學(xué)的未來是mRNA，基本上，你可以使用mRNA治愈一切。它就像一個電腦程序，你可以對其進行編程以執(zhí)行所需的任何操作。你甚至都可以變成蝴蝶。”

馬斯克此前曾宣布，特斯拉將“為總部位于德國的CureVac 公司打造RNA 微型工廠”。據(jù)悉，特斯拉建立的RNA生物反應(yīng)器（RNA Bioreactor）可以制造疫苗及生產(chǎn)藥物。

BioNTech在接受《每日經(jīng)濟新聞》記者采訪時表示，mRNA疫苗的獲批對于整個行業(yè)來說，可能成為引發(fā)藥理革命的重要時刻。以mRNA技術(shù)為基礎(chǔ)的治療手段，將可能以更快的速度被應(yīng)用于其他重要領(lǐng)域，特別是癌癥治療。

沉寂數(shù)十載，一朝聲名大噪，mRNA技術(shù)背后有著怎樣的故事？它對于疫苗行業(yè)甚至整個生物科技行業(yè)意味著什么？未來還有哪些更廣闊的應(yīng)用？

 

給病毒“畫像”：極大縮短制備時間

圖片來源：攝圖網(wǎng)

2020年，為對抗新冠疫情，全球掀起一場新冠疫苗研發(fā)競賽，包括mRNA疫苗、滅活疫苗、重組蛋白疫苗、亞單位疫苗、病毒載體疫苗和DNA疫苗在內(nèi)的多條新冠疫苗技術(shù)路線并進。

所有疫苗無非都基于一個相同的思路：誘導(dǎo)免疫系統(tǒng)產(chǎn)生免疫反應(yīng)以阻斷病毒。

“當(dāng)使用傳統(tǒng)疫苗（減毒病原體、滅活病原體或蛋白質(zhì)亞基）進行免疫時，疫苗中會包含會誘導(dǎo)免疫反應(yīng)的實際抗原。” 賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)教授、mRNA療法專家諾伯特•帕迪（Norbert Pardi）向《每日經(jīng)濟新聞》記者說道，“而當(dāng)使用mRNA疫苗進行免疫時，它相當(dāng)于為免疫系統(tǒng)提供一個藍(lán)圖，也就是說mRNA編碼了蛋白質(zhì)抗原，由宿主細(xì)胞生產(chǎn)這種抗原，并誘導(dǎo)免疫反應(yīng)。”相當(dāng)于給病毒畫了幅肖像畫，讓免疫細(xì)胞去識別，引起機體免疫反應(yīng)。

簡單來說，傳統(tǒng)疫苗向人體直接注射蛋白質(zhì)抗原，而mRNA疫苗則使用病毒的獨特遺傳片段轉(zhuǎn)錄合成為mRNA——信使核糖核酸，作為決定身體機能的遺傳數(shù)據(jù)庫DNA和構(gòu)成生命有機體蛋白質(zhì)的生成之間的中介，它能夠接受DNA中的指示，并將其傳遞給細(xì)胞，從而在體內(nèi)制造特定的蛋白質(zhì)。

mRNA疫苗工作機制 圖片來源：The Telegraph

因而，傳統(tǒng)的疫苗路線通常要在體外環(huán)境中培養(yǎng)病毒，依賴細(xì)胞擴增的過程，需要更長的制備時間；而mRNA疫苗只需要利用病毒的基因序列合成相關(guān)序列的mRNA，從而先期合成更快。

“在拿到病毒序列之后，僅用了42天就制備出mRNA候選疫苗。”Moderna創(chuàng)始人之一、前哈佛醫(yī)學(xué)院副教授德里克·羅西（Derrick Rossi）在發(fā)給《每日經(jīng)濟新聞》記者的一封郵件中透露。

相比之下，傳統(tǒng)的疫苗通常只誘導(dǎo)產(chǎn)生抗體，而mRNA疫苗還可以誘導(dǎo)產(chǎn)生細(xì)胞免疫反應(yīng)。BioNTech公司此前在接受每經(jīng)記者采訪時說道，“mRNA具有高度免疫原性，可以誘導(dǎo)產(chǎn)生中和抗體以及T細(xì)胞免疫雙重機制，而不需要額外的佐劑。”

既然mRNA疫苗是使用病毒的特殊遺傳片段，那么隨之而來的問題是，應(yīng)當(dāng)選擇病毒的哪一部分在細(xì)胞內(nèi)進行表達？

2020年2月19日，知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了一篇論文，來自美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的McLellan實驗室團隊首次利用冷凍電鏡展示了新冠病毒刺突蛋白的3D分子結(jié)構(gòu)，確認(rèn)刺突蛋白結(jié)構(gòu)是疫苗應(yīng)對的關(guān)鍵區(qū)域。

該實驗團隊的分子生物學(xué)博士Wang Nianshuang在此前接受《每日經(jīng)濟新聞》記者采訪時表示，“了解病毒背后的機制就能更好地指導(dǎo)疫苗研發(fā)，我們使用一種‘基于結(jié)構(gòu)的疫苗設(shè)計’的概念來獲取疫苗。”

據(jù)Wang Nianshuang介紹，在此前他們已經(jīng)開發(fā)出一種通用策略，開發(fā)出具有增強表達、穩(wěn)定性和免疫原性的SARS和MERS刺突蛋白。新冠疫情暴發(fā)后，基于這一策略，他們迅速獲得了新冠病毒刺突蛋白的3D分子結(jié)構(gòu)，并能改造這種蛋白，為獲得更優(yōu)良性能的疫苗服務(wù)。

新冠病毒刺突蛋白隨即成為mRNA疫苗突破的關(guān)鍵，科學(xué)家將其作為病毒的特殊遺傳片段合成mRNA，使人體細(xì)胞在體內(nèi)合成該刺突蛋白，并訓(xùn)練免疫系統(tǒng)產(chǎn)生免疫反應(yīng)。

近日，新冠肺炎病毒變異毒株感染病例先后在英國、南非、加拿大、日本和歐洲多個國家出現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，英國的變異毒株觀察到17個刺突蛋白突變。而刺突蛋白作為mRNA疫苗在細(xì)胞內(nèi)表達的重要部分，其發(fā)生突變對mRNA疫苗有效性是否產(chǎn)生影響引起了廣泛關(guān)注。

帕迪告訴記者，目前并未發(fā)現(xiàn)任何變異毒株可以逃避mRNA疫苗誘導(dǎo)的中和抗體反應(yīng)。“雖然也有可能產(chǎn)生疫苗逃逸突變體，但這種可能性較小。即使發(fā)生，我們也能很快地調(diào)整mRNA疫苗。”

 

打破范式：科學(xué)家的接力

圖片來源：每經(jīng)記者 王昊毅 攝 資料圖

以往，疫苗開發(fā)通常需要數(shù)年甚至數(shù)十年的時間，而在過去的十多個月中，mRNA疫苗取得的進展改變了已有的范式，為疫苗開發(fā)創(chuàng)建了新的模式，并可能在未來的數(shù)年內(nèi)幫助人類抵御新興的、未知的病毒。

然而，mRNA新冠疫苗并非一次突然的“尤里卡時刻”，實際上，這項技術(shù)已經(jīng)默默無聞地發(fā)展了幾十年的時間。

1961年5月，《自然》雜志上刊登了兩篇科學(xué)論文，以法國生物學(xué)家François Jacob和南非分子生物學(xué)家和遺傳學(xué)家Sydney Brenner為首的9名科學(xué)家宣布成功分離mRNA。

同月，F(xiàn)rançois Jacob和另一位法國生物學(xué)家Jacques Monod在《分子生物學(xué)雜志》上發(fā)表綜述，在理論的背景之下討論了mRNA在基因調(diào)控中可能發(fā)揮的巨大作用。

他們認(rèn)為，結(jié)構(gòu)基因決定了蛋白質(zhì)的分子組成，調(diào)節(jié)基因和操縱基因通過細(xì)胞質(zhì)成分或阻遏物的中介來控制蛋白質(zhì)的合成速度，阻遏物可以被某些特定的代謝物誘導(dǎo)或抑制。一種信使基因在這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中起直接作用，該信使基因與發(fā)生蛋白質(zhì)合成的核糖體有關(guān)，也就是現(xiàn)在所說的mRNA。彼時，科學(xué)界認(rèn)為這篇文章“極具想象力”，因為它代表了一種全新的有關(guān)基因功能的思維模式。

將近30年后，1990年，美國科學(xué)家 Jon Wolff等人發(fā)表的論文證實，將體外轉(zhuǎn)錄的mRNA注射至小鼠骨骼肌內(nèi)，可以在其肌肉細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)表達的蛋白質(zhì)，并產(chǎn)生免疫反應(yīng)。整個科學(xué)界為這一發(fā)現(xiàn)震驚、歡呼，一個有關(guān)mRNA的構(gòu)想從此生根發(fā)芽，在此后的數(shù)十年中不斷成長壯大。

匈牙利生物學(xué)家卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）是這條探索路上的先驅(qū)者之一，她與賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)教授、免疫學(xué)家德魯•韋斯曼（Drew Weissman）的突破性發(fā)現(xiàn)為輝瑞/BioNTech和Moderna疫苗的問世鋪平了道路，并可能為新的醫(yī)學(xué)療法打開一扇新的大門。

1978年，卡里科在匈牙利的塞格德生物研究中心從事mRNA相關(guān)研究。不幸的是，當(dāng)時mRNA技術(shù)并未受到青睞，卡里科的研究也未能吸引到科研經(jīng)費，她在1985年被迫離職。

“這是一段困難的時光，人們并不相信mRNA可以成為一種療法。”卡里科說道。

Jon Wolff實驗團隊的發(fā)現(xiàn)讓卡里科再次看到了mRNA的無限潛能。1990年，她在賓夕法尼亞大學(xué)開始了針對囊性纖維化、中風(fēng)等疾病的mRNA 相關(guān)療法的研究。最終，卡里科依然未能獲得研究經(jīng)費，她在1995年被迫降職。

實際上，自1990年以來，科學(xué)家們一直嘗試向?qū)嶒瀯游镒⑸浜铣蒻RNA。盡管mRNA療法研究深耕多年，但進展十分緩慢。在輝瑞/BioNTech、Moderna新冠疫苗之前，還未有一款mRNA藥物或疫苗正式獲批上市。

“mRNA療法的研發(fā)進展非常緩慢，因為有兩個主要的障礙需要克服。” 帕迪解釋道。

一個問題在于mRNA的不穩(wěn)定性和易降解性，合成mRNA可能在達到靶細(xì)胞之前被破壞，由此可能對某些患者構(gòu)成炎癥或其他健康風(fēng)險；另一個問題則在于早期缺乏可以保護mRNA免于快速降解的安全有效的載體分子。

第一個問題也是最主要的障礙，由于免疫系統(tǒng)將注入的分子視為“外來侵入者”，觸發(fā)了激進的免疫反應(yīng)導(dǎo)致致命的炎癥，諸多研究或以失敗告終，或停滯不前，許多科學(xué)家也因此放棄了這一構(gòu)思。

但卡里科堅持了下來，十余年后，這一困擾醫(yī)學(xué)界多年的謎題終于迎來了解碼的鑰匙。

 

諾獎級發(fā)現(xiàn)：修飾mRNA

圖片來源：攝圖網(wǎng)

在賓夕法尼亞大學(xué)工作的期間，卡里科遇到了韋斯曼。

彼時，韋斯曼在美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）的福西（Fauci）實驗室進行了一項涉及免疫細(xì)胞和疫苗反應(yīng)的研究，他請求卡里科為其設(shè)想的HIV疫苗合成一些mRNA。正是這場合作，為解決mRNA引發(fā)的嚴(yán)重炎癥問題埋下了重要伏筆。

2005年，卡里科和韋斯曼發(fā)現(xiàn)了一種針對mRNA致命弱點的補救方法——修飾核苷mRNA。

mRNA的每條鏈均由四個稱為核苷的分子構(gòu)建單元組成，他們將其中一個替換為修飾后的核苷，創(chuàng)建了一種雜交mRNA，該mRNA可以潛入細(xì)胞中而不會導(dǎo)致細(xì)胞防御引起的炎癥問題。

“在人體內(nèi)有17種不同的‘傳感器’或者說蛋白質(zhì)，可以識別RNA，我們修飾了RNA，因此它們無法再識別，也不會觸發(fā)激進的免疫反應(yīng)。”韋斯曼表示。

這一發(fā)現(xiàn)在一系列科學(xué)論文中進行了論述，雖然在當(dāng)時并未引起很多人的注意，但成功地吸引了羅西的關(guān)注。他認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)是開創(chuàng)性的，直至今日，他仍堅持卡里科和韋斯曼是諾貝爾化學(xué)獎的第一人選。

與此同時，自60年代開始，科學(xué)家就一直在研究封裝、遞送大型分子的方法，這項技術(shù)發(fā)展了數(shù)十年，但是mRNA提出了比其他分子更大的挑戰(zhàn)。

“這是一個更難的任務(wù)，因為mRNA分子更大，且更加不穩(wěn)定。” Moderna創(chuàng)始人之一、麻省理工學(xué)院生物工程師羅伯特·蘭格（Robert Langer）在接受媒體采訪時表示。

2015年，帕迪和韋斯曼首次描述了將脂質(zhì)納米顆粒（LNP）作為mRNA的載體。“LNP的作用就是保護mRNA，防止其降解，同時幫助mRNA順利進入細(xì)胞。”羅西解釋。

至此，mRNA療法發(fā)展史上面臨的最艱巨的兩大難題迎刃而解，這也為后來的mRNA疫苗研究開辟了道路。

"如今，輝瑞/BioNTech和Moderna疫苗都使用核苷修飾的mRNA，且兩種疫苗都使用LNP作為載體。”帕迪告訴記者。

他進一步表示：“核苷修飾的mRNA-LNP疫苗是一項新興技術(shù)，2017年才第一次發(fā)表這種疫苗的動物研究結(jié)果。一般來講，開發(fā)新疫苗需要8~10年的時間，主要是因為測試和評估疫苗需要很長時間。但由于新冠疫情，我們不得不將疫苗的開發(fā)縮減到不到一年的時間內(nèi)。技術(shù)的進步，科學(xué)家的辛勤工作，政府和公司的支持，對于這一成功至關(guān)重要。”

不過，LNP也有在少數(shù)人體內(nèi)引發(fā)過敏反應(yīng)的可能性。FDA的報告顯示，注射輝瑞/BioNTech和Moderna疫苗都可能出現(xiàn)惡心、疲勞、頭痛和肌肉疼痛等副作用，引起公眾對mRNA疫苗安全性的擔(dān)憂。

羅西認(rèn)為，包括發(fā)燒、頭痛和肌肉痛等副作用是常見的，可能是由于LNP載體引發(fā)的過敏性反應(yīng)。“但迄今為止的臨床試驗數(shù)據(jù)表明，mRNA疫苗非常有效且安全。”他告訴記者。同時他也坦言，mRNA疫苗對病毒的防護將持續(xù)多長時間尚不清楚，還有待進一步觀察。

帕迪則向記者表示，受試者可能對疫苗的某些成分過敏，但幸運的是，這是非常罕見的事件，絕大多數(shù)人沒有這種反應(yīng)。他認(rèn)為，接下來需要克服的是溫度問題，希望能夠早日生產(chǎn)出可以在更高溫度下（4℃）儲存的mRNA疫苗。

 

“體內(nèi)工廠”：重新定義疫苗

圖片來源：視覺中國

卡里科和韋斯曼里程碑式的發(fā)現(xiàn)為BioNTech和Moderna的誕生埋下了伏筆。

人體依靠數(shù)百萬種微小的蛋白質(zhì)來維持自身的生命和健康，并利用mRNA來告訴細(xì)胞制造哪些蛋白質(zhì)。在卡里科當(dāng)年的設(shè)想中，從理論上講，如果能夠設(shè)計mRNA，人體內(nèi)就擁有了一個蛋白質(zhì)制造工廠，可以制造任何想要的蛋白質(zhì)——抗感染的疫苗或抗體，治療罕見疾病的酶，或是修復(fù)受損組織的生長劑。

2008年，在德國萊茵河畔左岸的美因茨，一對土耳其裔科學(xué)家夫婦從看到了這項技術(shù)的巨大潛力，建立了一家基于mRNA技術(shù)的癌癥免疫療法公司——BioNTech。2013年，卡里科加入了BioNTech擔(dān)任高級副總裁，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)基于mRNA技術(shù)的蛋白質(zhì)替代療法項目。

2010年，同樣從修飾核苷mRNA中看到了拯救數(shù)以萬計生命的希望，羅西與蘭格、風(fēng)險投資公司企業(yè)家Noubar Afeyan等人共同創(chuàng)立了Moderna，Moderna即Modified RNA的縮寫。

對于mRNA技術(shù)未來的應(yīng)用場景，BioNTech此前在接受《每日經(jīng)濟新聞》記者采訪時說過，mRNA疫苗的獲批對于整個行業(yè)來說，可能成為引發(fā)藥理革命的重要時刻。以mRNA技術(shù)為基礎(chǔ)的治療手段，將可能以更快的速度被應(yīng)用于其他重要領(lǐng)域，特別是癌癥治療。

帕迪向記者說道：“合成mRNA技術(shù)的真正妙處在于，你可以在mRNA上編碼任何蛋白質(zhì)，并將其用于多種目的，例如疫苗、蛋白質(zhì)替代甚至基因編輯。”除此之外，他告訴記者，mRNA的生產(chǎn)極為簡便，將來的成本應(yīng)該會更低。

在麻省理工學(xué)院官網(wǎng)發(fā)表的一篇文章中，因發(fā)現(xiàn)斷裂基因和RNA剪接而獲得1993年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎（Nobel Prize in Physiology or Medicine）的Phillip Sharp認(rèn)為：“與其他傳統(tǒng)類型的疫苗相比，mRNA疫苗具有多重優(yōu)勢，包括使用非感染性元素、大大縮短生產(chǎn)周期、更容易擴大生產(chǎn)規(guī)模等。雖然無法準(zhǔn)確預(yù)測mRNA療法的未來，但有跡象表明，新進展將會很快發(fā)生，它將是現(xiàn)代醫(yī)療最前沿的療法之一。”

“幾年前，第一種基于RNA干擾的療法被批準(zhǔn)用于治療致命性遺傳疾病，mRNA療法也可能將用于治療遺傳性疾病，制備針對癌癥的疫苗，甚至是生產(chǎn)可移植器官。未來，mRNA技術(shù)可能允許一種疫苗針對多種疾病，甚至可以根據(jù)個人基因組來創(chuàng)建個性化疫苗。”他如此說道。

從新冠疫苗起步，mRNA或?qū)⒅匦露x疫苗的研發(fā)技術(shù)。

 

記者手記｜mRNA技術(shù)走向“前臺”

2020年初，為抗擊新冠疫情，全球掀起了一場疫苗研發(fā)競賽，Moderna公司研發(fā)的mRNA新冠疫苗率先邁入臨床試驗階段。彼時，有專家曾對記者表示，候選mRNA疫苗首先進行試驗，是因為它們是最容易設(shè)計和生產(chǎn)的候選疫苗之一，并不是因為它們最有成功的希望。

如今，mRNA新冠疫苗的大規(guī)模接種已經(jīng)拉開帷幕。此前，mRNA技術(shù)的探索已經(jīng)進行了數(shù)十年，但期間并未有一款mRNA疫苗或藥物正式獲批上市。mRNA新冠疫苗讓mRNA技術(shù)走向“前臺”，其影響已經(jīng)超過了這場疫情本身。

在近期的相關(guān)采訪中，許多科學(xué)家認(rèn)為mRNA新冠疫苗的開發(fā)挑戰(zhàn)了過去疫苗開發(fā)的整個范式；mRNA技術(shù)將顛覆疫苗行業(yè)，甚至將為整個生物科技領(lǐng)域帶來巨大變革。

抱著對mRNA技術(shù)的好奇，我們刊發(fā)了這篇報道，試圖揭開這一技術(shù)的“秘密”，也期待著mRNA技術(shù)能夠如許多人所預(yù)期的，深刻改變生物科技的未來。

記者：文巧

編輯：高涵

視頻編輯：祝裕

視覺：鄒利

排版：高涵 馬原