為抗擊新冠病毒而生的mRNA疫苗

柯普哲

不穩(wěn)定的小分子

從中學(xué)生物課本上可了解到，基因是所有生命體的遺傳物質(zhì)，基因能指導(dǎo)細(xì)胞合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)則行使各種生理功能，比如血紅蛋白運(yùn)送氧氣、消化酶幫忙將食物中的蛋白質(zhì)分解成肽段或氨基酸等等。但是基因并不能直接指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)，還需要一種不太穩(wěn)定的小分子來幫忙，這個(gè)小分子就是mRNA（信使RNA）。

基因的物質(zhì)基礎(chǔ)是脫氧核糖核酸，即DNA。生物學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，基因與蛋白質(zhì)存在一一對應(yīng)關(guān)系，即一種基因指導(dǎo)合成一種酶或蛋白質(zhì)。1953年，美國人詹姆斯·沃森和英國人弗朗西斯·克里克發(fā)現(xiàn)劃時(shí)代的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)之后，人們了解到基因攜帶了遺傳信息，并用這種遺傳信息指導(dǎo)細(xì)胞合成蛋白質(zhì)。不過，生物學(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)，基因并不能直接合成蛋白質(zhì)，他們推測可能存在一種不穩(wěn)定的小分子，就像信使一樣，將基因的遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)合成“工廠”——核糖體，由核糖體按照遺傳圖紙合成相應(yīng)的蛋白質(zhì)。

那么，這種信使是什么呢？很多生物學(xué)家試圖找到它。不過這種信使分子非常不穩(wěn)定，很難分離。1961年，來自英國劍橋大學(xué)的悉尼·布倫納與來自法國巴斯德研究所的弗朗索瓦·雅各布，以及來自美國加州理工學(xué)院的馬修·梅塞爾森合作，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，最終捕獲到了這種稍瞬即逝的信使分子——一條與DNA互補(bǔ)的單鏈RNA分子。它被稱為“信使RNA”，也即“mRNA”。顧名思義，信使RNA就是傳遞遺傳信息的核糖核酸分子。

生命遺傳信息流動(dòng)過程

對生物體來說，DNA是遺傳信息的攜帶者，因?yàn)镈NA的雙鏈結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定;對細(xì)胞來說，DNA的主要作用是合成蛋白質(zhì)，這一過程跟錄音機(jī)的原理差不多，信使RNA將DNA攜帶的遺傳信息轉(zhuǎn)錄下來，變身為生命遺傳信息的“郵差”，在轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）的運(yùn)送下，信使RNA被運(yùn)送到細(xì)胞中的核糖體，然后核糖體RNA開始“翻譯”信使RNA傳遞的遺傳信息，將細(xì)胞中四處閑逛的氨基酸組裝成各種各樣的蛋白質(zhì)，后者再去執(zhí)行各種生理功能。

不被看好的信使RNA疫苗

很顯然，缺少了信使RNA的幫助，“滿腹經(jīng)綸”的DNA也只能干瞪眼，根本無法指導(dǎo)細(xì)胞合成蛋白質(zhì)，生命也將無法延續(xù)。那么，信使RNA跟疫苗又有什么關(guān)系呢？

其實(shí)，疫苗的工作原理是模擬病原體的攻擊模式，在人體或動(dòng)物體內(nèi)開展對抗病原體的“軍事演習(xí)”，因此最早的疫苗就是病毒或細(xì)菌本身。比如，用毒性較弱的病毒制成的減毒疫苗，或用物理或化學(xué)方法將病毒殺死后制成的滅活疫苗等。以病毒疫苗為例，當(dāng)這些疫苗被注射到機(jī)體后，可能激起機(jī)體的免疫反應(yīng)，產(chǎn)生大量的特異性抗體，這些抗體會分散到機(jī)體各處進(jìn)行巡邏。一旦有病毒來襲，抗體就會撲上去與病毒結(jié)合，病毒就像被捆住了手腳一樣無法動(dòng)彈。隨后在一些免疫細(xì)胞的協(xié)助下，病毒從體內(nèi)被清除出去，從而解除病毒的威脅。另外，機(jī)體的免疫系統(tǒng)還會針對疫苗產(chǎn)生免疫記憶，即使抗體不足，當(dāng)病毒來襲時(shí)，有免疫記憶的免疫系統(tǒng)也會很快針對病毒合成大量的抗體。

信使RNA疫苗的工作原理

經(jīng)科學(xué)家進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這些疫苗之所以會刺激機(jī)體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抗體，其實(shí)主要是疫苗中的蛋白質(zhì)在起作用。這些蛋白質(zhì)被稱為“抗原”，減毒疫苗或滅活疫苗中含有大量龐雜的蛋白質(zhì)抗原，但是只有一部分抗原能誘導(dǎo)免疫系統(tǒng)產(chǎn)生能中和病毒等病原體的抗體，因此這些傳統(tǒng)疫苗存在有效性差等缺陷。隨著基因工程技術(shù)的興起，研究人員又發(fā)明了成分比較簡單的抗原，比如亞單位基因工程疫苗，通常它只含有一種蛋白質(zhì)或多肽片段，這樣更具針對性、安全性和有效性。這一時(shí)期，有科學(xué)家開始思考：既然蛋白質(zhì)可以作為疫苗，那么將某種病毒蛋白質(zhì)的信使RNA注射到機(jī)體內(nèi)，是不是也能借助細(xì)胞合成病毒蛋白質(zhì)，進(jìn)而行使疫苗的功能？

1990年，來自美國威斯康星大學(xué)的一群科學(xué)家首次嘗試將來自螢火蟲的熒光素酶信使RNA注射到小鼠肌肉中，不久在小鼠體內(nèi)便檢測到熒光素酶的表達(dá)。通過實(shí)驗(yàn)，他們首次證明了體外轉(zhuǎn)錄獲得的信使RNA經(jīng)注射可在活體組織細(xì)胞中傳遞遺傳信息，以指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。兩年后，美國斯克里普斯研究所的研究人員將從正常大鼠下丘腦純化加壓素信使RNA或人工合成的加壓素信使RNA，注射到因基因突變?nèi)狈訅核氐拇笫蟮南虑鹉X內(nèi)，結(jié)果幾個(gè)小時(shí)之后，基因突變大鼠的尿崩癥得到緩解，而且持續(xù)長達(dá)5天，這是首次證明體外的信使RNA注射到活體動(dòng)物體內(nèi)后可指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)，這些新的蛋白質(zhì)也能發(fā)揮正常生理功能。這兩項(xiàng)研究成果均發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上，讓人們看到了信使RNA在疾病治療方面的巨大潛力，因此很多研究人員希望利用信使RNA來治療癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等重大疾病。

不過，信使RNA作為疫苗方面的用途則沒有得到足夠重視。1993年，一個(gè)法國研究小組將脂質(zhì)體包裹的流感病毒核蛋白信使RNA注射到小鼠肌肉內(nèi)，在體內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生抗流感細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞，初步證明信使RNA可作為疫苗的潛力。1994年，瑞典卡羅林斯卡研究所的幾位科學(xué)家首次直接證明，信使RNA可作為核酸疫苗誘導(dǎo)小鼠產(chǎn)生抗體。不過，信使RNA存在不穩(wěn)定以及體內(nèi)傳遞效率低下等問題。更致命的是，體內(nèi)注射信使RNA使活體動(dòng)物產(chǎn)生了較強(qiáng)的不良反應(yīng)，導(dǎo)致一些實(shí)驗(yàn)動(dòng)物死亡，因此信使RNA疫苗的前景并不被人看好，當(dāng)時(shí)疫苗研發(fā)的主流仍然是蛋白質(zhì)和DNA。

被催生的新冠信使RNA疫苗

來自匈牙利的卡塔琳·卡里科是個(gè)例外。她一直堅(jiān)持開展信使RNA醫(yī)用研究，雖然她經(jīng)常不受美國大學(xué)的待見（既沒有獲得想要的大學(xué)職位，也沒有申請到充足的科研經(jīng)費(fèi)），但是天無絕人之路。1997年，卡塔琳·卡里科遇到剛到美國賓夕法尼亞大學(xué)不久的著名免疫學(xué)教授德魯·魏斯曼，兩人因?yàn)闋帗審?fù)印機(jī)而相識。經(jīng)過深入交流后，德魯·魏斯曼教授決定資助卡塔琳·卡里科的研究。最初，卡塔琳·卡里科是希望利用信使RNA治療腦部疾病和中風(fēng)，由于德魯·魏斯曼是免疫學(xué)家，因此兩人決定開發(fā)信使RNA在免疫方面的用途。于是，兩人便開始了在信使RNA疫苗研究方面的長期合作，其中最重要的一項(xiàng)研究成果是在2005年公布的。

德魯·魏斯曼（左）和卡塔琳·卡里科（右）

在這項(xiàng)發(fā)表在《免疫》雜志上的論文中，卡塔琳·卡里科、德魯·魏斯曼和另外兩位同事發(fā)現(xiàn)在信使RNA中一些經(jīng)過修飾的核苷酸是造成不良免疫反應(yīng)的重要因素，他們將某個(gè)信使RNA中引發(fā)不良免疫反應(yīng)的核苷酸一一找到，然后用人工合成的核苷酸替換，不良免疫反應(yīng)明顯減弱。這項(xiàng)研究為后續(xù)信使RNA疫苗的開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。后來，卡塔琳·卡里科、德魯·魏斯曼等人又對信使RNA疫苗進(jìn)行了改進(jìn)，并申請了專利。與此同時(shí)，其他研究人員則在信使RNA疫苗的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)。比如，利用脂質(zhì)體“外套”將信使RNA疫苗包裹起來，使其進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部前不被核酸酶所分解。

隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，信使RNA疫苗實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的希望越來越大了。與傳統(tǒng)疫苗相比，信使RNA疫苗具有一些明顯優(yōu)勢，如安全性好、生產(chǎn)成本低，以及設(shè)計(jì)和研發(fā)周期短等。不過在新冠肺炎疫情爆發(fā)之前，信使RNA疫苗并沒有取得實(shí)質(zhì)上的成功。盡管當(dāng)時(shí)已有數(shù)十種基于mRNA的疫苗正在研發(fā)中，其中少數(shù)幾種疫苗已進(jìn)入臨床試驗(yàn)，如流感疫苗、寨卡病毒疫苗和狂犬病疫苗等，但尚無一種被批準(zhǔn)用于人類。

就在我國科學(xué)家公布新冠病毒RNA序列兩天后，美國的摩德納公司隨即宣布開展新冠病毒信使RNA疫苗mRNA-1273的研發(fā)。同時(shí)，輝瑞公司和德國比昂泰克公司聯(lián)合研發(fā)的BNT162b2也緊隨其后。以上這兩種疫苗都是針對新冠病毒刺突蛋白的。

BNT162b2的臨床試驗(yàn)是在2020年4月開始啟動(dòng)的，到當(dāng)年11月臨床III期試驗(yàn)后即告結(jié)束。經(jīng)過4萬名志愿者的臨床驗(yàn)證，證明BNT162b2不僅具有良好的安全性，而且對新冠病毒的保護(hù)率可高達(dá)91%以上。從2020年12月開始，英國、美國、歐盟等國家和地區(qū)相繼批準(zhǔn)BNT162b2的上市申請。輝瑞公司和德國比昂泰克公司宣布將在2021年生產(chǎn)25億劑疫苗。mRNA-1273的臨床試驗(yàn)也是在2020年4月開啟的，臨床III期試驗(yàn)招募了3萬名志愿者，有效率可達(dá)94%。2020年底，美國、加拿大、以色列等國家先后批準(zhǔn)了該疫苗的上市申請。

在短短不到一年的時(shí)間內(nèi)，以上兩種信使RNA疫苗都完成了從疫苗設(shè)計(jì)、臨床試驗(yàn)到審批上市的全過程，堪稱“疫苗研發(fā)史上的奇跡”。不過，這也是應(yīng)對全球新冠肺炎疫情的權(quán)宜之計(jì)，后續(xù)還需要就安全性進(jìn)行下一步的觀察，并開展更多的臨床試驗(yàn)以拓展適應(yīng)人群，在更大范圍內(nèi)發(fā)揮信使RNA疫苗抗擊新冠肺炎疫情的作用。