蹦蹦熊的探險(xiǎn)之旅
——走近mRNA疫苗

李森淼，陳建成

南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南京 210023

“嘿，蹦蹦熊。你知道嗎？我國的mRNA疫苗就要上市啦[1]！”山羊博士的脖子伸了老長，深怕蹦蹦熊錯過了這個(gè)消息?！鞍」袅?。不過，不過啥是mRNA疫苗？”山羊博士扶了扶眼鏡，顯然并沒有急著回答蹦蹦熊的問題，而是將眼睛瞇成了一條縫，靜靜思考了片刻，又漸漸露出笑容：“你想不想來一場探險(xiǎn)？”“好??！咱們快走吧，不過你還沒告訴我那個(gè)什么疫苗的事情……”“路上你就會明白的?！?/p>

“我本來還想帶些東西吃的……”蹦蹦熊小聲嘟囔著。對于蹦蹦熊來說，這一切似乎還沒來得及反應(yīng)，就已經(jīng)坐上了山羊博士的時(shí)空穿梭機(jī)，向著他不知名的地方出發(fā)了。

1 生物反應(yīng)器——與細(xì)菌相遇

這場探險(xiǎn)的第一站看起來光線微弱。“這是哪兒?。俊北谋男芏⒅矍耙煌麩o際的黑乎乎的東西，高聲叫起來?！皠e怕，我們在mRNA的生物反應(yīng)器里?！鄙窖虿┦柯曇羝届o，嘴角似乎在微微上揚(yáng)?？吹奖谋男芫镁脹]有回過神來，山羊博士打破了沉寂：“是的，我們在生物反應(yīng)器里，在我們面前游走的，正是細(xì)菌?！?/p>

“可是……”

“新型冠狀病毒SARS-CoV-2通過它表面的叫作刺突蛋白(spike protein)的蛋白質(zhì)和它入侵的細(xì)胞上的蛋白質(zhì)——血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2 (ACE 2)結(jié)合，結(jié)合后的刺突蛋白會促進(jìn)病毒與細(xì)胞膜的融合[2]，然后病毒里面的RNA就能進(jìn)入我們的體細(xì)胞。所以說那RNA可怕極了！會把我們的細(xì)胞變成它發(fā)動戰(zhàn)爭的兵工廠?。　?/p>

“那刺突蛋白就是打開細(xì)胞大門的鑰匙，血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2正是這把鑰匙的鎖嘍?！?/p>

“沒錯！”

“我們得阻止它進(jìn)入體細(xì)胞！”

“DNA是遺傳信息的載體，而DNA能夠轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA，mRNA又能翻譯合成生物體需要的蛋白質(zhì)。mRNA能夠作為疫苗使用，也正是因?yàn)檫@一點(diǎn)。mRNA被運(yùn)輸?shù)轿覀兊纳眢w后，能翻譯出病毒的全長刺突蛋白或者刺突蛋白上與ACE 2結(jié)合的區(qū)域[2]，這些翻譯產(chǎn)生的蛋白質(zhì)被身體免疫識別，也就為免疫細(xì)胞軍團(tuán)指明了進(jìn)攻目標(biāo)，摧毀那‘鑰匙’，抵抗病毒的入侵啦?！鄙窖虿┦空J(rèn)真解釋著。

“不過這反應(yīng)器里咋都是細(xì)菌??？”

“因?yàn)檫@mRNA正是由細(xì)菌中人工構(gòu)建的環(huán)狀DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生呀[3]，這樣便可以實(shí)現(xiàn)快速、低成本生產(chǎn)，一個(gè)5 L的反應(yīng)器能在一次反應(yīng)中產(chǎn)生約100萬劑mRNA疫苗[2]。同時(shí)，快速的生產(chǎn)方式也使得mRNA疫苗具有了更高的靈活性，如果病毒發(fā)生突變，只要確定其基因組序列，便可設(shè)計(jì)出相應(yīng)mRNA并快速生產(chǎn)[4]?！?/p>

蹦蹦熊呆住了，最初的恐懼漸漸變成了激動，他面前黑乎乎的家伙們，似乎正在忙著完成一項(xiàng)偉大的事業(yè)——為全世界的人生產(chǎn)疫苗！

“合成好的mRNA經(jīng)過處理純化就可以進(jìn)行封裝了?！鄙窖虿┦砍蛑谋男苌瞪档臉幼影l(fā)笑，話音未落，兩人便已到達(dá)探險(xiǎn)旅途的第二站。

2 T型連接裝置——被脂質(zhì)包圍

“這兒的味道，像酸梅湯！嗯……不對，應(yīng)該是醋，這可比酸梅湯酸多了。”蹦蹦熊想著想著，竟流出些口水來。山羊博士的胡子微微抖了抖，隨后他清了清嗓子，“喂，蹦蹦熊，你知道嗎？我們現(xiàn)在是在mRNA酸性溶液里，一會兒這些mRNA就要被封裝在脂質(zhì)納米顆粒里面了?！?/p>

“封裝？顆粒？”蹦蹦熊回過神兒來。

“是啊，mRNA分子量不算小，還帶著負(fù)電荷，不能輕輕松松穿過咱細(xì)胞膜的脂雙層。而且，mRNA直接暴露在外面，不僅自身會快速水解，還會被免疫系統(tǒng)的細(xì)胞給分解掉……[2]”山羊博士嘴里絮絮叨叨。

“那該怎么辦呀？我還以為造出來那mRNA，這疫苗就算成了呢！”

“所以就得用脂質(zhì)把它們封裝起來呀。那顆粒，叫做脂質(zhì)納米顆粒(liquid nanoparticles，LNPs)，它可給mRNA的遞送提供了諸多便利。”

“山羊博士！山羊博士！你說的那脂質(zhì)就要過來了！”蹦蹦熊又被眼前的景象震撼到了，手忙腳亂地躲到山羊博士身后。只見脂質(zhì)液體滔天巨浪一般鋪天蓋地涌來，它們快速地把mRNA包圍起來，形成一個(gè)個(gè)不大不小的顆粒。

山羊博士注視了許久，莊重地挺直腰板，雙手背在身后，仿佛是在欣賞一場盛大的表演。不過也是，那mRNA和脂質(zhì)旋轉(zhuǎn)著，融合著，倒還真像是一群難分難舍的舞者，舉行著期待已久的舞會。

一切都平靜下來后，山羊博士才回過頭來，“脂質(zhì)納米顆粒是通過有機(jī)溶液和水溶液混合得到的。脂質(zhì)溶解在乙醇中，mRNA溶解在pH為4的酸性緩沖液中。兩種溶液一混合，不但會使質(zhì)子化的脂質(zhì)和mRNA產(chǎn)生靜電吸引，還會導(dǎo)致脂質(zhì)由于在水里面難以溶解而自發(fā)通過疏水作用相互結(jié)合[5]。這就把那mRNA封裝在里面了?！?/p>

山羊博士好像驟然精神了許多，在他的雙眸中，蹦蹦熊似乎看到了熱愛、執(zhí)著和其他什么難以理解的東西，“這脂質(zhì)納米顆粒里面包含了四種脂質(zhì)，脂質(zhì)柔韌性好，可以被生物體降解，還可以借助生物過程發(fā)揮作用。用它作載體，優(yōu)勢可大了[6]?！?/p>

“四種脂質(zhì)？”

“沒錯，是磷脂、膽固醇、PEG (polyethylene glycol)-脂質(zhì)和可電離脂質(zhì)。前三種有助于穩(wěn)定脂質(zhì)納米顆粒的結(jié)構(gòu)。具體說來，磷脂如DSPC (1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)有助于形成穩(wěn)定的雙層結(jié)構(gòu)；膽固醇填充顆粒中的間隙，促進(jìn)膜融合[5]；聚乙二醇(PEG)脂質(zhì)能延長顆粒在體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)時(shí)間[7]，在疫苗的制造、運(yùn)輸、儲存過程中穩(wěn)定脂質(zhì)納米顆粒防止聚集，并且在疫苗注射后迅速解離離開LNP[8]?？呻婋x脂質(zhì)則最為關(guān)鍵，酸性條件下帶正電，生理?xiàng)l件下變中性，使之對身體的毒性下降[9]?？呻婋x脂質(zhì)與mRNA配制成納米顆粒，能與帶負(fù)電的mRNA產(chǎn)生靜電吸引，同時(shí)使納米顆粒帶正電；在細(xì)胞內(nèi)體的酸性環(huán)境中，它又帶上了正電荷，促進(jìn)了脂質(zhì)與內(nèi)體膜的融合，有助于mRNA的釋放[2]?！?/p>

“細(xì)胞的內(nèi)體又是怎么一回事呢？”蹦蹦熊試圖理解那些關(guān)于脂質(zhì)的一切。四種神奇的脂質(zhì)像剛剛包裹mRNA一樣纏繞在他的腦海里，揮之不去。

“這個(gè)啊，是細(xì)胞吞噬脂質(zhì)納米顆粒時(shí)產(chǎn)生的一種囊泡結(jié)構(gòu)?！?/p>

蹦蹦熊聽得云里霧里，“所以只要這樣，疫苗就算合成了嗎？”

“哪里有這么輕松，還有細(xì)胞靶向這事兒呢！這納米顆粒經(jīng)過優(yōu)化和進(jìn)一步修飾，就能讓它們更快地前往目標(biāo)細(xì)胞啦。比如可以調(diào)整四種脂質(zhì)的比例，還可以在表面包一層抗體(圖1)……[7]”

圖1 mRNA疫苗的合成過程

“mRNA好像餃子餡兒，外面的脂質(zhì)好像餃子皮兒，那用來靶向的抗體嘛，是辛勤的快遞員，去送熱騰騰的餃子……”蹦蹦熊心里想著，早已出了神。

3 冷鏈運(yùn)輸——mRNA遞送的故事

“我感覺好困啊。”蹦蹦熊揉揉眼睛。

“因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在跟著疫苗一起被冷藏啦，你可不要睡著啊?！?/p>

“??？冷藏？”蹦蹦熊猛然清醒了大半。

“沒錯，mRNA不穩(wěn)定，很容易被快速水解，必須在低溫下存放?！鄙窖虿┦空f著遞給蹦蹦熊一件冬衣，“那我給你講故事聽，怎么樣？”

“好??！我絕對不會睡著的！”

蹦蹦熊和山羊博士找了一個(gè)納米顆粒背靠背坐下，山羊博士便將mRNA疫苗曾經(jīng)的故事輕輕道來：

“脂質(zhì)水溶性差，在水溶液中能夠自發(fā)地包裹形成球狀結(jié)構(gòu)——脂質(zhì)體。早在1978年，科學(xué)家們便使用了這樣的球狀結(jié)構(gòu)，把mRNA送到小鼠和人類細(xì)胞中，以誘導(dǎo)蛋白質(zhì)表達(dá)。脂質(zhì)體起到了與脂質(zhì)納米顆粒相似的作用——包裝和保護(hù)mRNA。而在1984年，Krieg等人成功使用取自病毒的一種RNA合成酶和其他工具產(chǎn)生具有生物活性的mRNA，他們當(dāng)時(shí)都沒有想到這項(xiàng)技術(shù)可以被用于疫苗生產(chǎn)。1987年，Robert Malone里程碑式地將脂質(zhì)與mRNA混合，發(fā)現(xiàn)mRNA被人細(xì)胞吸收并表達(dá)[9]?！?/p>

“mRNA疫苗就算是研究成功了嗎？”蹦蹦熊凝視著眼前懸浮著的一個(gè)又一個(gè)顆粒。在冷藏室的燈光映襯下，它們閃耀著光輝。近處的像茫茫宇宙中的一顆顆神秘星球，稍遠(yuǎn)處的像正月十五的芝麻餡兒元宵，遠(yuǎn)處的像一粒粒圓圓的甜甜的夾心硬糖。

“這只是開端！在那之后，大家都覺得mRNA不穩(wěn)定，又貴，不能當(dāng)疫苗用。直到多年后誕生了mRNA修飾和脂質(zhì)納米顆粒相關(guān)技術(shù)[9]?！?/p>

“mRNA還得修飾？”

“是的，在Karikó和Weissman的實(shí)驗(yàn)中，由于對mRNA的免疫識別，實(shí)驗(yàn)中的小鼠產(chǎn)生了嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)[9]。這告訴我們，制造疫苗，必須幫助mRNA逃過免疫識別。這一方面需要脂質(zhì)納米顆粒作為保護(hù)mRNA的屏障，另一方面也更需要對mRNA的序列做文章?！?/p>

“要躲過識別，就得給mRNA再穿上一層‘隱身衣’嘍？”蹦蹦熊幻想著。

“在2005年，Karikó和Weissman的研究成果表明，尿苷酸類似物能夠阻止免疫識別[9]，成為mRNA疫苗研究歷史上的重要進(jìn)步?！鄙窖虿┦康氖种冈诳罩新葎澲?，像是正把遠(yuǎn)方閃爍的顆粒連成一道道線，形成mRNA的形狀，“合成的mRNA模擬了生物體內(nèi)mRNA的結(jié)構(gòu)，有5個(gè)部分：5’帽、5’非編碼區(qū)、編碼抗原的區(qū)段、3’非編碼區(qū)、多聚腺苷酸尾(圖2)。”

圖2 mRNA鏈的結(jié)構(gòu)

“原來mRNA長得像蟲子啊，還有頭有尾的?！?/p>

“可別小瞧這條‘蟲’，一方面，5’帽上的修飾能夠阻止細(xì)胞的免疫識別，同時(shí)在空間上，5’帽的存在保護(hù)了mRNA不容易被水解；另一方面，mRNA由核苷酸組成，因?yàn)樯矬w中的mRNA包含著修飾的核苷，所以要騙過細(xì)胞，mRNA也得包含著修飾過的核苷，比如假尿苷、N1-甲基假尿苷等核苷類似物[2]。正是這樣的層層保護(hù)，才能防止mRNA的翻譯被阻斷啊……”

“在21世紀(jì)初，T型連接裝置的發(fā)明使得脂質(zhì)納米顆粒的制造更加方便，為疫苗生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)[9]。正是科學(xué)工作者十幾年來的研究積淀，使得2020年輝瑞-BioNTech疫苗能夠快速問世?！?/p>

蹦蹦熊靠著山羊博士漸漸睡著了，口水也不聽話地流了出來。他呀，準(zhǔn)是夢到什么好吃的啦！

4 歸程——mRNA疫苗的應(yīng)用與未來

不知過了多久，蹦蹦熊被山羊博士晃醒了，“快醒醒，蹦蹦熊，我們該回去啦?！?/p>

“這是哪里??？”蹦蹦熊吃驚地發(fā)現(xiàn)他們周圍早已不再是冷藏的顆粒，而是一座巨大的場館，里面燈火通明，還有許許多多身穿防護(hù)服的人員。

“這里不久會進(jìn)行疫苗的接種工作，這里便是我們旅程的終點(diǎn)了?！鄙窖虿┦扛锌赜^望著場館中的一切，“走吧，蹦蹦熊，是時(shí)候離開了?！?/p>

穿梭機(jī)中，時(shí)間仿佛變得慢下來，疫苗研發(fā)、生產(chǎn)再到送往全世界接種的整個(gè)過程在兩人身旁閃現(xiàn)而過。“蹦蹦熊，你知道嗎？正是由于mRNA疫苗的種種優(yōu)勢，使其能夠同時(shí)在應(yīng)對病毒傳染病和腫瘤治療中受到重視。在病毒傳染病方面，現(xiàn)已在新冠病毒mRNA疫苗、寨卡病毒mRNA疫苗、流感病毒mRNA疫苗和其他病毒mRNA疫苗，如巨細(xì)胞病毒、呼吸道合胞病毒、狂犬病毒、基孔肯雅病毒、埃博拉病毒和HIV等mRNA疫苗等取得重要進(jìn)展[10]。在腫瘤疫苗方面，雖然由于腫瘤抗原的高度多樣性和較低的免疫反應(yīng)，將mRNA腫瘤疫苗應(yīng)用于臨床還存在困難，但其仍然具有良好的研究前景[11]。mRNA疫苗的研究工作正在持續(xù)推進(jìn)……”

這一次蹦蹦熊沒有再睡著，而是認(rèn)真聽著，生怕漏掉一個(gè)字。