信使RNA疫苗的前世今生

南方周末特約撰稿 湯波

信使RNA疫苗的主要發(fā)明人德魯·魏斯曼（Drew?Weissman）和卡塔琳·卡里科（Katalin?Karikó）。

★在少數(shù)科學(xué)家的堅持下，信使RNA疫苗克服重重困難并最終獲得成功。

為抗擊新冠疫情，各國政府和企業(yè)正在以前所未有的速度推進(jìn)各種新冠疫苗的研發(fā)和臨床試驗。目前，全球已批準(zhǔn)十多種新冠疫苗的緊急使用申請，累計已注射超18億劑疫苗。新冠疫苗無疑已成為全球抗擊新冠疫情的有力武器，而信使RNA疫苗因其快捷方便的疫苗設(shè)計和強烈的免疫反應(yīng)機制而備受關(guān)注。

一種小分子

隨著兩款保護率超過90%的新冠信使RNA疫苗在全球范圍內(nèi)被批準(zhǔn)緊急使用，原本默默無聞的匈牙利裔生物學(xué)家卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）越來越受到媒體和公眾的關(guān)注。此前，作為兩屆奧運會金牌得主、美國著名賽艇運動員蘇珊·弗蘭西亞(Susan Francia)的母親，早年在降職、辭退邊緣徘徊的卡里科可能偶爾被公眾所知曉。但是一切都因為新冠疫情在全球肆虐而改變，卡里科因為與美國免疫學(xué)家德魯·魏斯曼（Drew Weiss-man）在信使RNA疫苗領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究被媒體廣泛報道。過去兩年，卡里科榮獲了十多個獎項，甚至有人預(yù)測，卡里科很快將獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

1982年從匈牙利塞格德大學(xué)獲得博士學(xué)位之后不久，卡里科前往美國尋找科研生涯的新起點。1985年，卡里科在費城天普大學(xué)參加了一項臨床試驗，首次了解到RNA作為藥物可以用于醫(yī)學(xué)治療，從此走上了一段曲折而堅定的RNA醫(yī)學(xué)研究之路。

相比于生命遺傳物質(zhì)脫氧核糖核酸（DNA），RNA是一種結(jié)構(gòu)簡單而短小的單鏈核糖核酸。這種RNA很容易被細(xì)胞中的核酸酶等物質(zhì)分解，在DNA被發(fā)現(xiàn)之后的80年里，科學(xué)家一直沒能找到這種稍瞬即逝的小分子。直到20世紀(jì)60年代初，三位分別來自英國、法國和美國的科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)了隱藏在DNA巨大陰影下的一種特殊的小分子RNA。

原來DNA是所有生命體的遺傳物質(zhì)，由DNA組成的基因能指導(dǎo)細(xì)胞合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)則行使各種生理功能，比如血紅蛋白運送氧氣、胃蛋白酶幫忙將食物中的蛋白質(zhì)分解成氨基酸等等。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，這個小分子就是信使RNA。顧名思義，信使RNA就是傳遞遺傳信息的核糖核酸分子。對生物體來說，DNA是遺傳信息的攜帶者，可以將遺傳信息傳遞給下一代，因為DNA的雙鏈結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定；對細(xì)胞來說，DNA主要功能是指導(dǎo)細(xì)胞合成蛋白質(zhì)，這一過程跟錄音機的原理差不多，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RNA的運送下，信使RNA被運送到細(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。

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)。但是信使RNA又跟疫苗有什么關(guān)系呢？

不受待見

其實疫苗的原理是模擬病原體攻擊模式，在人體或動物體內(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，用物理或化學(xué)方法將病毒殺死后制成的滅活疫苗，等等。以病毒疫苗為例，當(dāng)這些疫苗被注射到機體后，可能激起機體的免疫反應(yīng)，產(chǎn)生大量的特異性抗體，這些抗體會分散到機體各處進(jìn)行巡邏。一旦有病毒來襲，抗體就會撲上去“纏住”病毒，病毒就像被捆住了手腳無法動彈，在一些免疫細(xì)胞的協(xié)助下，病毒被清除出體內(nèi)，從而解除病毒的威脅。另外，機體的免疫系統(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，有免疫記憶的免疫系統(tǒng)也會很快針對病毒合成大量抗體。

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體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抗體，其實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，但是只有一小部分抗原能誘導(dǎo)免疫系統(tǒng)產(chǎn)生能特異性中和病毒等病原體的抗體。隨著基因工程技術(shù)興起，有人又發(fā)明了成分比較簡單的抗原，比如亞單位基因工程疫苗，通常只含有一種蛋白質(zhì)或多肽片段，這樣更有針對性，安全性和有效性都能顯著提高。這時候，有科學(xué)家開始動腦筋了，既然蛋白質(zhì)可以作為疫苗，那么如果將某種病毒蛋白質(zhì)的信使RNA注射到機體內(nèi)，是不是就能借助細(xì)胞的蛋白合成系統(tǒng)來合成病毒蛋白質(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)家就進(jìn)行過這樣的嘗試。他們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)檢測到熒光素酶的表達(dá)，首次證明體外轉(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)果幾個小時之后，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對活體動物具有較強的不良反應(yīng)，這是因為這些外來的信使RNA在小鼠體內(nèi)引發(fā)了嚴(yán)重的免疫反應(yīng)，導(dǎo)致一些實驗小鼠死亡。此時，信使RNA疫苗的前景并不被人看好，當(dāng)時疫苗研發(fā)的主流仍然是蛋白質(zhì)和DNA。

卡里科的堅持

自接觸到RNA醫(yī)學(xué)研究開始，卡里科就對RNA醫(yī)學(xué)用途產(chǎn)生了濃厚興趣，并希望開展這一方向的科學(xué)研究。從1990年開始，卡里科多次遞交關(guān)于RNA醫(yī)學(xué)用途的研究經(jīng)費申請，以探索RNA單鏈分子如何治療癌癥、中風(fēng)等各種疾病，以及預(yù)防流感等傳染病。不過這一研究方向在政府基金部門、私人投資者那里都沒有得到重視，卡里科的資金申請到處碰壁。

1995年，由于沒有獲得足夠的科研經(jīng)費，卡里科被賓夕法尼亞大學(xué)降職，只能擔(dān)任低級別的研究職務(wù)，當(dāng)然薪水也大幅縮減了，這對原本有希望升任正教授的科學(xué)家來說，簡直是一次重大打擊。屋漏偏遭連夜雨，這時卡里科被診斷出患有癌癥，而且她的丈夫因為簽證問題滯留匈牙利長達(dá)6個月。好在卡里科扛了過來，并且一直堅持將信使RNA的醫(yī)用研究作為自己的主要研究方向。

轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在一場復(fù)印機的“爭奪戰(zhàn)”之后。1997年，卡里科遇到剛到賓夕法尼亞大學(xué)不久的著名免疫學(xué)教授德魯·魏斯曼（Drew Weissman），兩人因為爭用復(fù)印機而相識。經(jīng)過深入交流后，魏斯曼教授決定資助卡里科的研究。魏斯曼是免疫學(xué)家，之前也在開發(fā)HIV疫苗，因此他建議卡里科開發(fā)信使RNA在免疫方面的用途。這樣，兩人從此開始了在信使RNA疫苗方面的長期合作，其中最重要的一項研究是2005年發(fā)表出來的。

在這項發(fā)表在《免疫》雜志上的論文中，卡里科、魏斯曼和另外兩位同事發(fā)現(xiàn)信使RNA中一些天然的核苷酸是造成機體不良免疫反應(yīng)的重要因素，他們將某個信使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，這項研究為后續(xù)信使RNA疫苗的開發(fā)奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。第二年，卡里科和魏斯曼共同創(chuàng)立了一家專注于RNA療法的生物技術(shù)公司，但是這家小公司并不成功，只開展過一些動物實驗，從沒有將RNA療法推進(jìn)到臨床試驗階段。

后來，卡里科、魏斯曼等人又對信使RNA疫苗進(jìn)行了改進(jìn)，并通過他們所在的賓夕法尼亞大學(xué)申請了專利。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、設(shè)計和研發(fā)周期短、生產(chǎn)成本低等等。不過在新冠疫情暴發(fā)之前，信使RNA疫苗并沒有取得實質(zhì)上的成功。盡管當(dāng)時已有數(shù)十種基于mRNA的疫苗正在開發(fā)中，其中少數(shù)幾種疫苗已進(jìn)入臨床試驗，如流感疫苗、寨卡病毒疫苗和狂犬病疫苗等等，但尚無一種被批準(zhǔn)用于人類。

疫苗研發(fā)

盡管卡里科發(fā)表了六十多篇學(xué)術(shù)論文，引用次數(shù)超過1萬次，但是她在賓夕法尼亞大學(xué)的職位沒能更進(jìn)一步，到目前為止也只是一名副教授。2013年，卡里科加入德國生物技術(shù)公司比昂泰克（BioNTech），擔(dān)任該公司的副總裁和RNA療法開發(fā)負(fù)責(zé)人。

比昂泰克公司2008年在德國美因茨大學(xué)校園里成立，一直致力于開發(fā)癌癥等疾病的RNA療法，受到很多風(fēng)險投資的青睞。得益于卡里科的加盟，比昂泰克公司在RNA療法方面突飛猛進(jìn)，先后開發(fā)出一系列與RNA疫苗相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，包括如何讓RNA疫苗更穩(wěn)定，更容易被遞送到目標(biāo)組織和細(xì)胞等等。2018年，在合作多年的基礎(chǔ)上，比昂泰克公司又與美國醫(yī)藥巨頭輝瑞公司聯(lián)合開發(fā)一種針對流感病毒的RNA疫苗，并進(jìn)入了人體臨床試驗。這成為了這兩家醫(yī)藥公司合作開發(fā)新冠RNA疫苗的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

就在中國科學(xué)家首次公布新冠病毒RNA序列幾天后，比昂泰克公司和輝瑞公司宣布聯(lián)合研發(fā)出候選的新冠RNA疫苗BNT162b2，并迅速推進(jìn)該疫苗的人體臨床試驗。BNT162b2是針對新冠病毒的刺突蛋白設(shè)計的信使RNA疫苗，刺突蛋白位于新冠病毒的表面，是新冠病毒入侵人體細(xì)胞的關(guān)鍵蛋白。BNT162b2疫苗通過靜脈注射到體內(nèi)后，會進(jìn)入人體免疫細(xì)胞產(chǎn)生類似新冠病毒的刺突蛋白，免疫系統(tǒng)隨即大量合成可結(jié)合刺突蛋白的抗體，這些抗體“大軍”將用于抵抗真正的新冠病毒。

BNT162b2的人體臨床試驗是在2020年4月開始啟動的，到11月臨床III期試驗即告結(jié)束。經(jīng)過4萬名志愿者的臨床驗證，證明BNT162b2不僅具有良好的安全性，其對新冠病毒的有癥狀保護率可高達(dá)91%以上。從2020年12月開始，英國、美國、歐盟等超過80個國家和地區(qū)相繼批準(zhǔn)BNT162b2疫苗的緊急使用申請。輝瑞公司和德國比昂泰克公司計劃將在2021年生產(chǎn)25億劑疫苗。據(jù)2021年6月9日發(fā)表在《自然醫(yī)學(xué)》雜志上的論文顯示，通過從2020年12月1日至2021年5月8日收集到的近20萬份接種者咽拭子PCR檢測結(jié)果顯示，接種兩針BNT162b2疫苗之后，新冠病毒感染率實際降低了80%左右，顯示出RNA疫苗強大的預(yù)防效果。

從疫苗設(shè)計、臨床試驗到獲準(zhǔn)上市不到一年時間，BNT162b2疫苗創(chuàng)造了疫苗研發(fā)歷史上的奇跡。同樣創(chuàng)造神話的還有美國摩德納（Moderna）公司研發(fā)的新冠RNA疫苗mRNA-1273。2010年，摩德納公司由加拿大干細(xì)胞生物學(xué)家、哈佛醫(yī)學(xué)院副教授德里克·羅西(Derrick Rossi)與另外兩人共同創(chuàng)立。正是因為閱讀了卡里科和魏斯曼2005年發(fā)表在《免疫》雜志上那篇開創(chuàng)性論文之后，原本主要從事干細(xì)胞研究的羅西博士開始對RNA治療產(chǎn)生濃厚興趣，Moderna正是修飾的RNA之意。另外，摩德納公司也曾經(jīng)邀請卡里科加盟。

與BNT162b2疫苗一樣，mRNA-1273疫苗也獲得了卡里科和魏斯曼所發(fā)明的RNA疫苗專利的授權(quán)，兩種均采取了修飾核苷酸技術(shù)，而且都采用納米脂質(zhì)體顆粒進(jìn)行包裝，以防止RNA過早被降解。mRNA-1273的臨床試驗也是2020年4月開啟，臨床III期試驗招募了3萬名志愿者，對有癥狀感染的保護率可高達(dá)94%。到2021年6月底為止，美國、加拿大、以色列等全球五十多個國家和地區(qū)先后批準(zhǔn)了該疫苗的緊急使用。兩種RNA疫苗對新冠病毒有癥狀感染的保護率均可達(dá)90%以上，高于傳統(tǒng)疫苗的保護率。

并不是所有的RNA疫苗都會像BNT162b2疫苗和mRNA-1273這兩款RNA疫苗表現(xiàn)出色。一家荷蘭生物技術(shù)公司開發(fā)的另一款RNA疫苗由于沒有對RNA進(jìn)行核苷酸的人工修飾，導(dǎo)致其臨床III期試驗保護率不到50%，未達(dá)到世界衛(wèi)生組織規(guī)定的疫苗最低上市標(biāo)準(zhǔn)，這也反映出卡里科和魏斯曼研究的重要性。

應(yīng)對變異株

面對仍然在全球肆虐的新冠病毒，RNA疫苗等新冠疫苗研制成功并廣泛在全球接種，而且RNA疫苗在面對變異的新冠病毒毒株時，仍然保持較強的保護率，無疑為全球抗擊新冠肺炎疫情注入了強大信心。

新冠病毒最令人擔(dān)憂的一個特點是變異，目前已有四種廣泛傳播的變異毒株，分別是最早在英國發(fā)現(xiàn)的阿爾法新冠變異毒株，最早在南非發(fā)現(xiàn)的貝塔變異毒株，最早在巴西發(fā)現(xiàn)的伽馬變異毒株，以及最早發(fā)現(xiàn)于印度、最近在全球一百多個國家出現(xiàn)的德爾塔變異毒株。

據(jù)2021年5月5日發(fā)布在國際著名醫(yī)學(xué)期刊《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》上的一項臨床研究結(jié)果顯示，輝瑞和比昂泰克公司開發(fā)的BNT162b2疫苗對變異毒株表現(xiàn)良好。接種兩針疫苗后，BNT162b2疫苗對阿爾法變異毒株的保護率比原始新冠病毒稍有降低，無癥狀感染、有癥狀感染和感染后住院風(fēng)險的保護率均超過90%，而對貝塔變異毒株無癥狀感染的保護率下降較多，但仍然維持在75%左右，對感染住院風(fēng)險保護率則高達(dá)100%。

據(jù)一項2021年5月20日發(fā)布在BioRxiv論文預(yù)印本網(wǎng)站上的研究報告顯示，英國公共衛(wèi)生部評估了BNT162b2等疫苗的預(yù)防效果，發(fā)現(xiàn)BNT162b2疫苗同樣對德爾塔變異毒株表現(xiàn)良好。在第二次接種2周后，BNT162b2疫苗對阿爾法毒株有癥狀感染的保護率為93%，而對德爾塔變異毒株的保護效率仍然可達(dá)88%，相對而言英國阿斯利康開發(fā)的慢病毒載體新冠疫苗則只有約60%的保護率。另據(jù)蘇格蘭公共衛(wèi)生機構(gòu)發(fā)表在《柳葉刀》雜志上的數(shù)據(jù)顯示，BNT162b2疫苗對德爾塔變異毒株的保護率下降至79%，但是仍維持較高水平。目前，摩德納公司的mRNA-1273疫苗對變異病毒有效性研究數(shù)據(jù)還沒有公布，預(yù)計與BNT162b2疫苗保護效果相當(dāng)。

不過，RNA疫苗所面對的并非都是好消息。有報道稱，RNA疫苗接種者身上出現(xiàn)了過敏、心肌炎等罕見不良反應(yīng)率增高的現(xiàn)象。據(jù)以色列衛(wèi)生部報道稱，2020年12月至2021年5月期間，在接種BNT162b2疫苗的500萬人次中，發(fā)現(xiàn)了275例心肌炎病例，顯著高于心肌炎自然發(fā)生率，美國疾控中心也發(fā)現(xiàn)了類似情況，其中原因還有待進(jìn)一步研究。另外，信使RNA疫苗存儲和運輸需要在零下15℃以下，甚至需零下60℃到80℃保存，這大大限制了該疫苗在低收入國家和地區(qū)的推廣應(yīng)用。

另據(jù)以色列衛(wèi)生部發(fā)布的消息，自6月6日以來，輝瑞公司BNT162b2疫苗在預(yù)防感染和出現(xiàn)癥狀方面的有效性已從95%下降至64%。不過，該疫苗在預(yù)防感染住院或重癥方面的有效性仍然有93%。