mRNA技術榮獲2023年諾貝爾生理學或醫學獎

許瑤，李可心，趙連梅，張洪濤?

①杭州賽得康生物科技有限公司，杭州 310000；②河北醫科大學第四醫院 研究中心，石家莊 050011

1 獲獎情況

北京時間2023年10月2日，諾貝爾生理學或醫學獎揭曉?？ㄋ?卡里科(Katalin Karikó)博士和德魯?魏斯曼(Drew Weissman)博士平分了這一獎項。諾貝爾獎委員會表示，他們對核苷堿基修飾的發現，使研發出有效的新冠病毒mRNA疫苗成為可能。

德魯?魏斯曼博士是美國賓夕法尼亞大學Perelman醫學院教授，卡塔琳?卡里科博士之前也在賓夕法尼亞大學工作，是魏斯曼博士的合作者(圖1)。兩人的研究成果在2005年發表，2023年就獲得諾貝爾獎，前后歷時18年，在諾貝爾獎歷史上算是比較快的。相比之下，屠呦呦在1971年就用乙醚提取了能抗瘧疾的青蒿素，在2020年才獲獎，前后等待了49年。

圖1 卡里科(左)和魏斯曼(右)(照片由魏斯曼教授提供)

如今mRNA技術獲諾貝爾獎，既在預料之外，但也在預料之中。在2021年，卡里科和魏斯曼已因mRNA技術獲得拉斯克(Lasker)臨床醫學研究獎，而拉斯克獎一直被譽為“諾貝爾獎風向標”，很大比例的拉斯克獎獲得者后來獲得了諾貝爾獎。

卡里科和魏斯曼獲獎格外引人注目，不但因為兩位科學家的發現所帶來的mRNA疫苗是大多數國家主要接種的新冠疫苗，影響了數十億人的生活，同時，作為獲獎者之一的卡里科博士有著曲折的經歷，在簡歷中有“移民”“癌癥患者”“科研經費申請被拒”“被迫離開賓大”等關鍵詞。

在這里，我們將對mRNA技術的前世、今生和未來進行解讀。

2 mRNA研究的歷史

信使核糖核酸(mRNA)并不是一個新概念。在細胞中，遺傳信息存儲于基因之中，但最后發揮功能的分子，通常是基因所編碼的蛋白。從基因到蛋白，中間的關鍵成分就是mRNA。

20世紀60年代，多位科學家的研究導致了mRNA的發現。1961年，悉尼?布倫納(Sydney Brenner)、弗朗索瓦?雅各布(Fran?ois Jacob)和馬修?梅塞爾森(Matthew Meselson)三位科學家，用感染了噬菌體的細菌來證明mRNA的存在[1]。實驗表明，mRNA非常不穩定，而相對穩定存在的核糖體，只是一個承載mRNA的結構，自身并不攜帶特殊的遺傳信息。從基因到mRNA，被稱為“轉錄”；從mRNA到蛋白，被稱為“翻譯”。值得一提的是，布倫納之后專注于秀麗隱桿線蟲的研究，并因發現器官發育和細胞程式化凋亡的遺傳調控機理于2002年獲得諾貝爾獎。

1961年，通過一個源自細菌的體外翻譯系統，馬歇爾?尼倫伯格(Marshall Nirenberg)的實驗室首先破譯了第一個密碼：編碼苯丙氨酸的密碼子UUU。這個無細胞的系統包含有各種游離的氨基酸，當把一段由一連串尿嘧啶(U)組成的人工RNA模版添加到翻譯系統中之后，同位素標記的苯丙氨酸就能被整合到所編碼的蛋白中[2]。尼倫伯格因遺傳密碼的破譯獲得1968年的諾貝爾獎。

既然編碼蛋白的遺傳信息都由mRNA攜帶，是否可以將mRNA作為疫苗或者藥物的形式，直接注射到人體中，從而達到免疫或治療的目的呢？這是一個合理的想法，為實現這個想法，很多科學家做出了努力。但從理想到現實，其中有很多難關要過。

起初是mRNA合成問題。1984年，哈佛大學的道格拉斯?梅爾頓(Douglas Melton)團隊利用RNA合成酶在實驗室合成得到具有生物活性的mRNA，并將其注射到青蛙卵子中，證明它與自然產生的mRNA有著一樣的功能[3]。1987年，梅爾頓參與創立了一家名為Oligogen的公司，該公司后更名為吉利德科學公司(Gilead Sciences)。但是，在此后的30年里，該公司也沒有成功研制出mRNA藥物。

3 卡里科和魏斯曼解決的關鍵問題

1985年，卡里科從匈牙利到了美國，開始了艱辛的科研和生活之路。1989年，卡里科來到賓夕法尼亞大學醫學院埃利奧特?巴納森(Elliot Barnathan)實驗室，身份是助理研究員。次年，巴納森離開了賓夕法尼亞大學，卡里科要想在賓夕法尼亞大學留下，就必須成為獨立研究員，但過程非常不順利。

1990年，卡里科第一次為mRNA項目申請科研經費，很不幸，沒有成功。1995年，由于接連幾年申請不到科研基金，卡里科已經很難繼續留在賓夕法尼亞大學。更加不幸的是，卡里科還被診斷出患有癌癥。

到了1997年，卡里科遇到剛剛加入賓夕法尼亞大學的魏斯曼教授，二人開始合作，mRNA的科研得以繼續。

mRNA研究面對的一個大難題是mRNA不穩定。注射入人體之后，免疫系統會將mRNA分子視為“異物”，對其實施攻擊，使其降解，mRNA所攜帶的信息根本無法有效地傳遞，導致體內無法產生相應的蛋白。

魏斯曼教授原來的研究方向是樹突細胞，這是一種在免疫監視和免疫應答中有著重要功能的免疫細胞?？ɡ锟婆c魏斯曼的合作，重點研究的是免疫系統對不同類型RNA的識別?？ɡ锟婆c魏斯曼所做的工作，就是mRNA的“化妝師”，通過給mRNA進行修飾或者“易容”，尋找一種可以逃避免疫系統監視的方法。

經過數年的努力，他們最終找到了一種“易容術”。RNA的組成為腺嘌呤(A)、尿嘧啶(U)、鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)四種堿基，哺乳動物細胞中RNA的核苷酸堿基經常被化學修飾，而體外轉錄合成的mRNA則沒有。正是由于這個差別，才導致免疫系統能夠清晰地識別外源的mRNA。

2005年，他們發表的研究顯示(圖2)，將外源的mRNA進行一些特殊的修飾(如m5C、m6A、m5U、s2U或使用假尿苷替代尿苷)之后，免疫系統就失去了監視能力，即便面對這些外源的mRNA，也不會出現免疫反應[4]。

圖2 卡里科與魏斯曼在2005年發表的論文[4]

4 卡里科和魏斯曼沒有解決的問題：mRNA的遞送

“易容術”并不是mRNA藥物所面臨的唯一難題。除了免疫系統，環境中和人體內都有很多可以降解mRNA的酶。如果僅僅是將裸露的mRNA注射入人體，會被這些酶所降解。

mRNA因為由核苷酸構成，帶有很強的負電荷，自身很難穿透細胞膜?？ɡ锟婆c魏斯曼的“易容”，也沒有改變mRNA攜帶負電荷的特質。一個簡單的思路，是使用帶有正電荷的載體分子包裹住mRNA的負電荷，在遞送穿過細胞膜之后，再將mRNA釋放出來。

20世紀80年代，菲利普?費爾格納(Philip Felgner)教授(現任加州大學歐文分校疫苗研發中心主任)開發出了一種帶正電荷的脂質體。后來，Salk研究所一個叫作羅伯特?馬隆(Robert Malone)的研究生使用了費爾格納教授的脂質體，將體外合成的mRNA遞送到了細胞內。

1989年，馬隆提前終止了學業，加入了一家初創公司Vical，繼續脂質體遞送的研究。這些脂質體早期的工作，雖然讓mRNA的遞送看到了曙光，但并沒有找到mRNA和脂質體的理想配方，因此并沒有實現商業化。在與魏斯曼合作之前，卡里科也在做一些陽離子脂質包裹RNA或DNA的工作[5]。

其他核酸藥物也需要遞送體系，比如基因沉默療法(siRNA)。加拿大不列顛哥倫比亞大學的生物化學家彼得?庫利斯(Pieter Cullis)的實驗室建立了一套可以遞送核酸藥物的脂質納米粒(lipid nanoparticle, LNP)系統，基于該遞送系統的藥物patisiran，已被FDA批準用于治療一種罕見的遺傳性多發神經性疾病——遺傳性甲狀腺素轉運蛋白介導的淀粉樣變性病(hATTR淀粉樣變性病)。

庫利斯創建了兩家LNP公司，其中一家公司Acuitas Therapeutics與魏斯曼教授及其他的mRNA公司合作，測試mRNA-LNP的不同配比。BioNTech的新冠疫苗正是基于其中的一個配方，Moderna公司的新冠疫苗所用的配方也很相似。

這種LNP的配方含有4種脂質分子：其中的1個正電荷的脂質比較關鍵，其他3個分子有助于遞送系統結構的穩定性。與早期的脂質體相比，LNP有一個特點：在人體體液中變成中性，因此能減少對人體的毒性。

5 新冠疫情：mRNA技術的風口

雖然卡里科和魏斯曼的mRNA “易容術”已經建立，且庫利斯的LNP技術已經成熟，但二者的結合，并沒有及時催生一款mRNA藥物。這其中一個關鍵的因素，是現代藥物的研發一般需要經歷比較長的時間，要完成臨床試驗的研究，通過臨床證據來申請藥物的上市許可。此前，mRNA技術公司的產品研發管線主要是與腫瘤相關的疫苗，因為畢竟腫瘤是人類的長期敵人。

新冠疫情的到來，改變了世界，也改變了mRNA技術的發展軌道，它像一場大風，把mRNA技術吹到了風口浪尖。BioNTech和Moderna兩個mRNA公司，都及時瞄準了新冠疫苗賽道。

采用mRNA技術制造疫苗(圖3)，有這樣4個優勢：

圖3 mRNA 疫苗原理(圖片使用Figdraw制作)：mRNA通過特定遞送系統(LNP)導入人體，表達相應的抗原蛋白，從而激發體液免疫和細胞免疫反應，進而能對入侵的病毒快速應對

(1)研發周期短。只要知道病毒的基因序列，就可以在數天內設計出新型候選mRNA疫苗，在幾周內就可以生產出樣品進行動物實驗。

(2)雙重作用機制。不需要佐劑，mRNA疫苗就能夠激發人體的體液免疫及T細胞免疫，免疫原性強。相比之下，傳統疫苗主要激活體液免疫，對于細胞免疫的激活較弱。

(3)沒有病毒成分。mRNA疫苗只是使用了合成的mRNA，靠這個片段來編碼病毒的一個蛋白，沒有直接來自病毒的成分，沒有病毒帶來的安全隱患。

(4)生產工藝相對簡單。雖然mRNA疫苗屬于高技術，有技術壁壘，但一旦投入生產，工藝相對簡單，易于大批量生產，特別適用于應對重大疫情所產生的疫苗緊缺狀況。

2020年12月2日，英國批準了BioNTech新冠疫苗BNT162b2的緊急使用。同年12月11日，美國也批準了該款疫苗的緊急使用授權(emergency-use-administration, EUA)。這是歐美第一款緊急使用的新冠疫苗，在三期臨床試驗中，這款疫苗顯示出了95%的保護率。從2020年3月立項到12月緊急使用批準，在不到8個月的時間里走完全流程，這是破紀錄的！

2020年12月18日，Moderna的mRNA疫苗也在美國獲得了緊急批準?？梢哉f，如果沒有新冠疫情，第一款采用mRNA技術的產品，還不會那么快到來。

需要指出的是，很多人覺得2023年的諾貝爾獎給了mRNA疫苗，這個理解是不對的。除了遞送mRNA的LNP技術，病毒的基因序列也是制造mRNA的關鍵?！扒蓩D難為無米之炊”，如果說mRNA “易容術”和LNP是“巧婦”，那么新冠病毒的基因序列就是“米”。中國科學家首先公布了新冠病毒的基因序列，疫苗公司才可以基于此序列進入疫苗研發的快車道。所以說，如果要給新冠mRNA疫苗一個獎，那么LNP和病毒基因的最先公布者都應該分享。

從技術的角度來看，新冠疫情確實是對卡里科和魏斯曼的mRNA “易容術”的大檢驗。如果沒有“易容術”，mRNA疫苗是否會成功？

為了避免使用“易容術”，CureVac公司通過改變mRNA序列所使用的密碼子，將尿嘧啶(U)減至最少。但新冠疫苗的臨床試驗數據顯示，CureVac的候選新冠疫苗在保護效力方面不如Moderna或BioNTech的疫苗。2021年10月，CureVac宣布放棄mRNA管線。

中國的一家mRNA公司，同樣沒有使用“易容術”，但早期的臨床試驗結果顯示，受試者中出現了更高的發熱比例，意味著副作用會更高。這應該與未“易容”的核苷酸所誘發的免疫反應有關。雖然該疫苗在境外也開展了三期臨床試驗，但是疫苗最終還是沒有獲批上市。

卡里科和魏斯曼剛開始合作時，還沒有使用“易容術”，結果在測試HIV/AIDS 疫苗時，發現mRNA在注射到小鼠體內后產生很強的炎癥反應。這也是促使二位科學家著重研究“易容術”的原因?？ɡ锟坪臀核孤吹搅薽RNA疫苗的“坑”，使用“易容術”避開了；其他人不認為這是一個“坑”，然后用臨床試驗證明了這確實是一個“坑”。

6 疫情后mRNA技術發展前景

世界迎來了mRNA技術，中國也沒有缺席。

在疫情的早期，BioNTech與復星就建立商業合作，復星負責大中華區的商業化。

中國的企業也獲得大量投資，開展mRNA疫苗的研發。2023年3月，石藥的新冠疫苗獲批，是中國內地獲批的首款mRNA疫苗，只是疫情時代已經結束。中國所接種的新冠疫苗，主要是滅活疫苗。根據公開的信息，中國內地公司目前研發中的mRNA疫苗產品管線有流感疫苗、猴痘疫苗、狂犬病疫苗等。

在國外，繼新冠病毒疫苗之后，Moderna還有呼吸道合胞病毒 (respiratory syncytial virus,RSV)的mRNA疫苗在等待FDA批準，有流感和巨細胞病毒(cytomegalovirus, CMV)的mRNA疫苗在進行臨床試驗。

雖然新冠病毒并沒有消失，但疫情已經過去，即便趕上了新冠mRNA疫苗風口的企業，也在調整戰略，以應對疫情后的新局面。

在大中華區以外地區，BioNTech與輝瑞合作，輝瑞負責新冠疫苗的商業化。根據輝瑞的報道，2022年新冠疫苗的銷售額為378億美元。但是，輝瑞預測2023年新冠疫苗的銷售額將比2022年下降64%。面對消失的新冠疫苗市場，BioNTech 除了積極開發針對其他傳染病的疫苗，也更加側重與腫瘤相關的管線[6-7]。

在疫苗領域，因為研發周期短、生產工藝相對簡單的特性，mRNA技術也在獸用疫苗領域獲得了關注。在畜牧業中，因為養殖密度較高，病毒容易在動物中傳播，也更容易發生突變，能夠及時升級疫苗就變得更為重要，這是傳統滅活疫苗的痛點，卻是mRNA疫苗的亮點。

更重要的是，mRNA技術的運用，已經不僅限于疫苗。比如說，將編碼Cas9的mRNA和引導RNA一起遞送到細胞甚至活體中，就可以實現基因編輯[8]?？梢灶A見，未來mRNA技術將助力基因編輯，尤其是其在活體中的運用。利用mRNA技術，魏斯曼等科學家將動物體內的常規T細胞轉化為治療性CAR-T細胞，并在心力衰竭的動物模型中顯示出了治療效果[9]。

當然，這些技術都還沒有完全成熟，還需要臨床試驗的驗證。同時，針對活體特定器官的靶向遞送，也是未來治療的關鍵，所以是目前mRNA研發的重點[10-11]。

縱觀mRNA技術的諾貝爾獎歷史，其實就是無數科研工作者的奮斗史。他們前仆后繼地站在巨人的肩膀上奮斗，絕大多數人跟諾貝爾獎無緣，很多人也許還會失去工作，為了生活尋找新的出路。

諾貝爾獎給卡里科博士的曲折故事一個完美的結局，卻沒有給mRNA技術畫上句號。疫情讓mRNA技術走到了歷史舞臺的聚光燈下，而這僅僅是個開始。