2023年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)簡介

2023年10月2日，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)公布本年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予科學(xué)家Katalin Karikó(卡塔琳·考里科)和Drew Weissman(德魯·韋斯曼)，以表彰他們?cè)诤塑諌A基修飾方面的發(fā)現(xiàn)，使得針對(duì)新型冠狀病毒感染(COVID-19)開發(fā)有效的mRNA 疫苗成為可能。兩位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的研究對(duì)抗擊在2020年初始發(fā)的COVID-19大流行(pandemic)至關(guān)重要。他們的突破性發(fā)現(xiàn)從根本上改變了人們對(duì)mRNA與免疫系統(tǒng)相互作用的理解，為以空前的速度完成疫苗的研發(fā)做出了卓越貢獻(xiàn)。

1 COVID-19疫情前的疫苗策略

接種疫苗可以刺激機(jī)體對(duì)特定病原體形成免疫應(yīng)答。這為再次接觸病原時(shí)身體與疾病的斗爭做好了準(zhǔn)備。長期以來，疫苗的制備都是基于滅活或者減毒病毒的，例如脊髓灰質(zhì)炎疫苗、麻疹疫苗和黃熱病疫苗等。1951年 Max Theiler 因黃熱病疫苗研發(fā)而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

近幾十年來隨著分子生物學(xué)的進(jìn)展，疫苗研發(fā)可以基于單個(gè)病毒組分而不再是整個(gè)病毒。利用病毒的部分遺傳密碼，通常是編碼病毒表面蛋白的密碼，就可以產(chǎn)生靶向病毒的阻斷性抗體，這就是蛋白類疫苗，例如針對(duì)乙型肝炎病毒的疫苗和人乳頭瘤病毒的疫苗。此外，可以將部分病毒遺傳密碼轉(zhuǎn)移到無害的運(yùn)載病毒(即“載體”)中。針對(duì)埃博拉病毒的疫苗就是采用這種方法，當(dāng)注射載體疫苗后，人體的細(xì)胞中會(huì)產(chǎn)生目的病毒蛋白，從而激發(fā)抗病毒的免疫反應(yīng)。

生產(chǎn)基于全病毒、蛋白質(zhì)和載體的疫苗需要大規(guī)模的細(xì)胞培養(yǎng)。這是一個(gè)資源密集型的過程，制約了疫苗快速大規(guī)模制備，限制了其在突發(fā)疫情和流行病中應(yīng)用的可能性。因此，長期以來研究人員一直試圖開發(fā)不依賴細(xì)胞培養(yǎng)的疫苗技術(shù)，事實(shí)證明這條道路并非一帆風(fēng)順。圖1顯示COVID-19大流行前疫苗制備的主要方法。

傳統(tǒng)疫苗制備方法主要包括減毒或滅活的全病毒、重組病毒蛋白或用病毒載體遞送感興趣的抗原(載體疫苗)。疫苗接種后刺激抗原特異性免疫反應(yīng)，當(dāng)機(jī)體再次暴露于活病原體時(shí)疫苗可提供保護(hù)。

2 mRNA疫苗：一個(gè)有前景的想法

在人體細(xì)胞中，遺傳信息儲(chǔ)存于DNA中，隨后轉(zhuǎn)移到信使RNA(mRNA)中，mRNA是產(chǎn)生蛋白底物的模板。20世紀(jì)80年代已經(jīng)具備了無細(xì)胞制備mRNA的有效方法，叫做體外轉(zhuǎn)錄(invitrotranscription)。這一關(guān)鍵步驟加速了分子生物學(xué)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。雖然利用mRNA進(jìn)行疫苗生產(chǎn)和疾病治療的想法初現(xiàn)曙光，但是仍面臨重重挑戰(zhàn)。體外轉(zhuǎn)錄的mRNA常是不穩(wěn)定的，且難以遞送，必須開發(fā)復(fù)雜、精密的脂質(zhì)系統(tǒng)來包裹mRNA。此外，體外制備的mRNA還會(huì)引起免疫細(xì)胞的炎性反應(yīng)。因此，起初研究人員對(duì)mRNA技術(shù)臨床應(yīng)用的研發(fā)望而卻步，熱情不高。

但這些障礙并沒有使匈牙利生物化學(xué)家Karikó感到沮喪，她堅(jiān)信可以開發(fā)出mRNA治療性應(yīng)用的方法。在20世紀(jì)90年代，當(dāng)她還是賓夕法尼亞大學(xué)助理教授時(shí)，盡管遭遇研究經(jīng)費(fèi)申請(qǐng)方面的連番失敗，她仍堅(jiān)持mRNA作為治療性分子的理念。免疫學(xué)家Drew Weissman是她在賓夕法尼亞大學(xué)同事，對(duì)樹突狀細(xì)胞(dendritic cells)很感興趣。樹突狀細(xì)胞在免疫監(jiān)測(cè)和激活疫苗誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)中具有重要作用。這些新的想法令二人之間很快開始富有成果的合作，主要聚焦在不同類型的RNA如何與免疫細(xì)胞互相作用上。

3 突破

Karikó和Weissman注意到，樹突狀細(xì)胞會(huì)將體外轉(zhuǎn)錄的mRNA識(shí)別為外來異物，導(dǎo)致它們的激活和炎性信號(hào)分子的釋放。他們想知道為什么體外轉(zhuǎn)錄的mRNA被識(shí)別為外來異物，而從哺乳動(dòng)物細(xì)胞提取的mRNA卻沒有引起同樣的反應(yīng)。

RNA分子包含4種堿基，分別簡寫為A、U、G和C，與DNA分子中A、T、G和C相對(duì)應(yīng)。RNA中的核苷酸堿基經(jīng)常是被化學(xué)修飾過的，而體外轉(zhuǎn)錄的mRNA不含修飾。Karikó和 Weissman意識(shí)到這其中一定存在一些關(guān)鍵的特征將兩者區(qū)分，從而導(dǎo)致了免疫細(xì)胞不同的反應(yīng)。為了驗(yàn)證這種猜測(cè)，他們用帶有不同修飾的堿基制備mRNA，分別導(dǎo)入樹突狀細(xì)胞，結(jié)果令人震驚：mRNA中加入修飾堿基后，炎性反應(yīng)幾乎完全消失了(圖2)。這一發(fā)現(xiàn)為我們理解細(xì)胞是如何識(shí)別和響應(yīng)不同形式的mRNA帶來根本性的改變，對(duì)于mRNA治療應(yīng)用具有深遠(yuǎn)影響。這些開創(chuàng)性的結(jié)果發(fā)表于2005年，比COVID-19大流行早了15年。

mRNA包含四種不同的堿基，分別縮寫為A、U、G、C。體外轉(zhuǎn)錄時(shí)用假尿嘧啶核苷(Ψ)代替尿嘧啶核苷(U)，產(chǎn)生堿基修飾的mRNA。當(dāng)將堿基修飾的mRNA遞送入細(xì)胞時(shí)，與未修飾的mRNA相比，不引起炎性反應(yīng)(信號(hào)分子的分泌)，且蛋白質(zhì)表達(dá)量增加。

在2008年和2010年發(fā)表的進(jìn)一步研究中，Karikó和Weissman證明，與未修飾的mRNA相比，遞送堿基修飾的mRNA顯著增加了蛋白質(zhì)產(chǎn)量。堿基修飾既能減少炎性反應(yīng)，又能增加蛋白質(zhì)產(chǎn)量，從而消除了mRNA臨床應(yīng)用的關(guān)鍵障礙。

4 mRNA疫苗大顯身手

2010年，人們對(duì)mRNA疫苗的興趣開始升溫。幾家公司著手進(jìn)行mRNA疫苗的開發(fā)，主要針對(duì)寨卡(Zika)病毒和中東呼吸綜合征冠狀病毒(MERS-CoV)，后者與COVID-19 的致病病原體SARS-CoV-2關(guān)系密切。COVID-19暴發(fā)后，兩種編碼SARS-CoV-2表面蛋白的mRNA疫苗以創(chuàng)紀(jì)錄的速度問世，它們都是帶有修飾堿基的mRNA疫苗。毫無疑問，COVID-19大流行是一個(gè)決定性事件，它推動(dòng)了對(duì)mRNA疫苗技術(shù)的大規(guī)模投資、并行而非順序進(jìn)行的臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)，大大縮短了臨床試驗(yàn)所需的時(shí)間，同時(shí)仍然完成了所有必要的步驟。據(jù)報(bào)道，這兩種疫苗的保護(hù)作用約為95%，為該技術(shù)未來的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

mRNA疫苗的靈活性和開發(fā)速度令人贊嘆，這為應(yīng)用該平臺(tái)研發(fā)其他傳染性疾病的疫苗鋪平了道路。未來，這項(xiàng)技術(shù)還可能用于遞送治療性蛋白質(zhì)以及治療某些腫瘤。

基于不同方法，其他幾種針對(duì)SARS-CoV-2的疫苗也快速地推出了。全球共接種了130多億劑COVID-19疫苗。這些疫苗挽救了數(shù)百萬人的生命，預(yù)防了重癥的發(fā)生，使社會(huì)得以開放并恢復(fù)正常。正是在應(yīng)對(duì)當(dāng)代最嚴(yán)重的健康危機(jī)之一的病毒感染過程中，Karikó和Weissman通過對(duì)mRNA核酸堿基修飾的根本性發(fā)現(xiàn)，為這一變革性發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)。

Katalin Karikó(卡塔琳·考里科)

1955年生于匈牙利索爾諾克市(Szolnok，Hungary)。1982年，在匈牙利塞格德大學(xué)(Szeged′s University)獲得博士學(xué)位，隨后在匈牙利科學(xué)院進(jìn)行博士后研究。1985年起，她先后在美國費(fèi)城天普大學(xué)(Temple University)和貝塞斯達(dá)健康科學(xué)大學(xué)(University of Health Science，Bethesda)進(jìn)行了博士后研究。1989年，她任職于賓夕法尼亞大學(xué)受聘為助理教授。2013年后，任職BioNTech公司副總裁、高級(jí)副總裁。2021年起擔(dān)任塞格德大學(xué)教授和賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院(Perelman School of Medicine at the University of Pennsylvania)兼職教授。

Drew Weissman(德魯·韋斯曼)

1959年生于美國馬薩諸塞州萊克星頓市(Lexington，Massachusetts，USA)。1987年，他在波士頓大學(xué)獲得MD、PhD學(xué)位，隨后在哈佛醫(yī)學(xué)院貝斯以色列女執(zhí)事醫(yī)學(xué)中心(Beth Israel Deaconess Medical Center at Harvard Medical School )接受臨床培訓(xùn)，并在美國國立衛(wèi)生研究院進(jìn)行博士后研究。1997年，他在賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院成立了自己的研究小組。目前，他擔(dān)任羅伯茨家族疫苗研究教授和賓夕法尼亞大學(xué)RNA創(chuàng)新研究所所長。