刚刚，2023年诺贝尔生理学或医学奖公布，授予匈牙利生物化学家 Katalin Karikó和美国医学家Drew Weissman，以表彰他们在核苷碱基修饰方面的发现，这些发现使得开发针对 COVID-19 的有效 mRNA 疫苗成为可能。
2021年5月，新冠疫情还在全球肆虐时，《赛先生》曾撰文介绍这两科学家对于开发COVID-19疫苗的贡献，以及mRNA技术的巨大潜力。
在紧急应对新冠疫情中，首批面世的疫苗都基于mRNA技术[1]。而在新冠疫情之前，mRNA并不是有公众吸引力的科学术语，也没有任何一个国家批准过mRNA疫苗，可以说mRNA通过新冠疫情一战成名。连传奇人物埃隆·马斯克继太空探索、脑机接口等畅想后，也瞄准了mRNA技术，认为mRNA就好比人体的计算机程序，可以对其编程来执行任何操作，比如停止衰老返老还童，再疯狂点，甚至可以将一个人变成一只蝴蝶[2]，直接将“周庄梦蝶”升级为大变活蝶。面对如此有意思的未来科技，作为实干家的马斯克已经宣布，特斯拉将为总部位于德国的CureVac公司打造RNA微型工厂。无疑，mRNA新冠疫苗的推出是一场重要的医学革命，引发全球各大媒体争相报道。丁零（科普作家、生物化学博士）｜撰文
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01 十年寒窗无人问，一朝成名天下知和大多重要科学突破一样，mRNA一夜成名归功于数十年的厚积薄发。从上世纪70年代萌芽到2020年疫苗的紧急获批，mRNA技术发展之路却并非一帆风顺。历史见证了科学家们职业生涯的重大抉择和起起落落，以及代表企业的几近破产，比如美国抗疫专家福奇在《科学》杂志上实名点赞的宾大研究人员卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）[3]，就在mRNA这个“冷板凳”坐了30多年，不断收到各方拒信及质疑，事业几度进入死胡同。卡塔琳·卡里科，图片来源：[4]卡里科出身于匈牙利一户屠夫家庭，从小立志成为一名科学家。在匈牙利读完博士后因为大学研究资金出现问题，卡里科和同为博士的丈夫决定移民美国。1985年，卡里科夫妇以及两岁的女儿，带着藏在泰迪熊的900英镑踏上飞往美国的航班，开始了“美国梦”之旅[4]。到美国后，为了生计和身份，丈夫不得已放弃学术，卡里科则在宾夕法尼亚大学找到了研究助理教授的职位，开始最早期的mRNA研究。在卡里科看来，mRNA可以引导细胞制造任何蛋白，简直就是神一般的存在。mRNA疫苗原理示意图，图片来自orleanscommunityhealth.org事实上，mRNA早在上世纪60年代就被发现[5, 6]。如果将人体比作一台机器，那么数百万种微小的蛋白质便是维持机器运行的零部件，而mRNA则是制造零部件的总指挥。因此，人体细胞本身就是自然界最完美的制药厂，可以根据mRNA指令生产出任何想要的蛋白，不像传统方法需要大费周折通过体外基因工程进行耗时耗力的蛋白表达及纯化。以新冠疫苗为例，新冠病毒基因组RNA序列注射到人体后，跳过体外合成蛋白质的过程，直接在人体细胞内生产病毒蛋白，对免疫系统进行了“战前演习”，诱导识别病毒蛋白，从而产生对新冠的免疫记忆。当真正新冠病毒进入人体时，免疫细胞如同训练有素的军人，快速识别病毒对其发动精准攻击。理论上mRNA无所不能，但几十年来mRNA临床应用并没得到认可，很大一个原因是mRNA非常脆弱，容易被周边环境里无处不在的RNA酶降解。不夸张地说，在实验室中研究mRNA简直就是一场噩梦，稍不留神它就从你眼皮底下消失得无影无踪，更别指望还能跨越重重阻碍抵达人体细胞。因此，mRNA只是教科书被遵奉的学术名词，在现实世界里并没得到太多关注。一直到1990年，威斯康星大学Wolff等才首次报道肌内注射mRNA到小鼠骨骼肌里，确实能如愿以偿产生蛋白[7]。同时期的卡里科经过不计其数地尝试后，也成功利用mRNA指导细胞产生尿激酶受体蛋白。但mRNA还是摆脱不了冷门领域的标签，一直得不到资本的垂青。一次次经费申请被拒后，卡里科收到学校降职通知，曾经一度还被诊断出癌症。幸运的是，几经挫折的卡里科遇到了人生最重要的伯乐，德鲁·魏斯曼（Drew Weissman）教授[4, 8]。德鲁·魏斯曼，图片来源：维基百科魏斯曼教授提议开启艾滋病mRNA疫苗的课题。只要能有机会继续研究mRNA，卡里科就不想放弃，因此很快加入了魏斯曼工作组。恰逢当时陆续出现了脂质体，脂质纳米颗粒等保护装置[9]。这些装置可将mRNA包裹起来，保驾护航送mRNA到指定目的地，因此mRNA研究第一个痛点有了初步的解决方案。然而，mRNA技术第二个老大难问题出现了，卡里科成功利用mRNA在培养皿细胞中产生想要的蛋白，但这些mRNA在小白鼠身上却没有任何效果。通过反复调查才发现原来小白鼠免疫系统将mRNA定义为外来物，直接发起免疫反应将mRNA给清理掉。这无疑基本宣判mRNA治疗思路根本走不通。但卡里科还是选择迎难而上。功夫不负有心人，卡里科惊喜发现mRNA的胞兄tRNA能成功躲过免疫系统的追踪。反复比对mRNA和tRNA后，其中端倪慢慢浮出水面：原来tRNA携带一种反免疫侦查功能的分子，名为伪尿苷。于是，一个划时代意义的想法在2005年诞生：将伪尿苷添加到mRNA中，修饰过的mRNA就可潜伏进入细胞，逃逸免疫系统攻击[10]。卡里科和魏斯曼发表了论文的同时申请了专利。卡里科和魏斯曼mRNA修饰专利，图片来源：谷歌专利这一发现为处于低谷的mRNA研究提供新的希望，也成为日后为冲刺新冠疫苗领域的奠基石。于是德国一家名为BioNtech的公司慧眼识珠，拿下mRNA修饰专利授权，继续支持卡里科研究mRNA技术，2013年更是直接聘用卡里科为副总裁。2020年新冠疫情爆发，mRNA技术刚好准备就绪，成就了一次天时地利的历史巧合。短短几个小时内，BioNTech根据新冠基因序列迅速设计出mRNA疫苗。11月8日，BioNTech开发的mRNA疫苗第一批临床结果证实对新冠病毒具有强大免疫力。卡里科得到消息后，她吃了一整盒巧克力包裹的果仁，作为独特的庆祝方式。距离最早卡里科研究mRNA过去整整32年。32年中，卡里科个人年收入从来都没有超过6万美金，在冷门到几乎无人问津的领域内坚持耕耘，无数次被拒绝、甚至被降职。接受《纽约时报》采访时，面对无数的荣耀和掌声，卡里科只是轻描淡写地说，“我实现了我的人生梦想”[4]。02 半路杀出个“程咬金”mRNA技术在美国高校孕育，德国生物技术公司却当仁不让，在临床上甚至冲在了前头，比如上文提到的BioNTech以及另外一家CureVac。CureVac早在2009年就有产品进入临床。那2010年才成立的Moderna为何更受追捧？这半路杀出的“程咬金”有什么来头？又是凭借什么技能后来者居上？故事的开始依旧和卡里科有关。2005年，卡里科和魏斯曼发布重大研究时[10]，德里克·罗西（DerrickRossi）还是斯坦福大学的博士后。当他读到这篇论文，敏锐地意识到这一技术即将带来深远影响，甚至预言这是诺贝尔奖级别的发现。德里克·罗西，图片来源：Stat News2007年，罗西成为哈佛大学医学院助理教授，他如法炮制了卡里科的巧思，计划利用经过修饰的mRNA将体细胞重编程为胚胎样干细胞，并在2010年在培养皿里成功培育出胚胎样干细胞，比传统方法效率提高了100倍[11, 12]。年轻的罗西兴奋不已，但作为哈佛的一名资历尚浅的助理教授，他没有足够的社会资源能将自己的发现进行商业化，于是便在前辈蒂莫西·斯普林格（Timothy Springer）引荐下结识了鼎鼎大名的MIT教授罗伯特·兰格（Robert Langer）。兰格不光是最年轻的美国三院院士，桃李满天下的导师，也是杰出的企业家，曾经创办了20余家公司。民间流行一句话：如果你想创立一家生物技术公司，必须得先见一见兰格，其声望可见一斑[8, 13]。罗伯特·兰格，图片来源：维基百科作为纵横生命科学领域的资深玩家，兰格听完罗西报告，立即意识到mRNA技术用来改造干细胞只不过是冰山一角，它有治疗所有疾病拯救成千上万生命的潜力，也能创造不可限量的商业机会。面谈结束后，兰格当机立断决定利用自己人脉攒一个大局。兵马未动，粮草先行，兰格邀请入局的第一人就是金主爸爸，著名生物医疗风投机构Flagship Pioneering创始人兼CEO努巴·阿费扬（Noubar Afeyan）。老朋友果然英雄所见略同，阿费扬也非常认可mRNA技术，于是短短几个月就毅然决然地和罗西、兰格在2010年共同创立了Moderna。公司成立后，头等要事自然就是广纳人才。谁才有本事驾驭这未来mRNA领域的独角兽？阿费扬一直都很欣赏斯蒂芬·班塞尔（Stéphane Bancel）的管理才能，之前也曾多次发出邀请函，但班塞尔眼光颇高，那些小格局的公司都入不了他的法眼。阿费扬再次抛出橄榄枝时，班塞尔已是法国诊断公司BioMerieux的CEO。BioMerieux在诊断行业名声在外，市值近30亿美元，员工有6000多人，而Moderna才刚刚起步，全公司只有一名科学家，这次挖人确实不容易。出乎意料的是，在阿费扬各种表决心、画大饼、聊情怀、推心置腹的攻势下，班塞尔破釜沉舟放弃了光鲜亮丽的高薪职位，欣然加入了这家名不见经传的初创企业。之后靠着自己的个人魅力和声望，班塞尔又吸引了一批科学界知名人士的加入，其中就包括2009年诺贝尔生理学或医学奖得主杰克·索斯塔克（Jack Szostak）。背靠着Flagship Pioneering这座金山，班塞尔心无旁骛引领着Moderna往前飞奔，致力解决mRNA技术三大核心问题[13, 14]：1. 专利：生物技术公司长期发展的立身之本就是拥有稳定的专利。和BioNtech一样，Moderna最初也是拿到卡里科专利授权进行研究。如果未来要一直依靠别人专利来支撑，难免会受制于人，不是长久之计。通过不懈努力，Moderna 终于成功找到替代伪尿苷/5-甲基胞苷修饰的化合物1-甲基假尿嘧啶，拿下专利解除隐忧，为建立mRNA王国打下了坚实根基。2. mRNA传递：mRNA药物传递一直是阻碍发展的关键瓶颈。裸露的mRNA很容易被细胞外RNA酶降解，哪怕进入细胞也容易在溶酶体聚集，抵达不了发挥作用的地方。对于短小RNA分子（如siRNA，大约20个碱基大小）来说，脂质纳米颗粒是有力的递送工具，但mRNA身材过于修长，动辄长达几百上千个碱基，可想而知难度系数大非常多。初创阶段的Moderna开发自己的递药技术平台实在困难，不仅是人力上的，还有资金层面的限制，所以只能外部引进。当时Moderna大概看了十几个递药平台，最后选择了Arbutus/Acuitas。随着内部研究人员持续发力，Moderna最终拥有了属于自己的递送技术，与传统方法比，逃离溶酶体聚集的效率要高25倍[15]。相比之下，CureVac和BioNTech还是分别依赖Genevant和Arcturus/Acuitas。3. 调控蛋白产量：mRNA不管是作为疫苗还是药物，直接发挥作用的归根结底还是蛋白，因此蛋白量需要严格把控，多了有毒，少了没用。但多少mRNA能产生合适水平的蛋白，是一个全新的议题。为了解决这个问题，Moderna正在利用机器学习，对mRNA序列如何控制蛋白产量进行建模，为之后的精准调控铺路[16]。从2010年低调创办，2012年对外曝光，2018年首次公开募股创下了生物科技史上最高纪录，再到2020年新冠疫情高调出圈，Moderna仅用了10年时间就成为了市值千亿人民币的独角兽企业，创造了继基因泰克后的又一传奇。毋庸置疑，Moderna几位创始人的背景让Moderna赢在起跑线上，但也离不开管理层对技术的无限执着以及坚持掌握主动权的理念，而新冠疫情爆发也给了一个Moderna向世界展示的机会，要知道Moderna多年来一直处在舆论的风口浪尖上。毕竟在还没有任何一款临床产品的情况下，就轻易收获几十亿美元的估值，难免落人口实。03 mRNA技术能否扛起攻克癌症的大旗？mRNA新冠疫苗让 Moderna和BioNTech等顺利出圈，但mRNA疫苗远远不只限于新冠或其他病毒，癌症疫苗其实在新冠爆发前也是各大公司全力火拼的赛道。mRNA癌症疫苗和大家熟知的宫颈癌疫苗不同，宫颈癌疫苗是预防性疫苗，顾名思义就是起到防范于未然的目的，目前正在开发的mRNA癌症疫苗则为治疗性疫苗。何为治疗性疫苗？先来了解一下抗原这个概念：癌细胞携带很多基因突变的特异性蛋白（抗原）。按理说，这些特异性蛋白应该被人体自带的抗癌神器免疫细胞及时识别一键清除。然而，肿瘤细胞有非常高深的伪装术，装作良民逃过免疫细胞的火眼金睛。治疗性mRNA疫苗则是通过注入mRNA生产大量癌细胞抗原，将这些抗原暴露在免疫细胞眼前，诱导免疫细胞擦亮眼睛看清楚，携带这些抗原的都是入侵者，需要一网打尽。接受过集训的免疫细胞这下自然就学聪明了，癌细胞再如何有心机地藏着狐狸尾巴（抗原），也能敏锐发现。一针疫苗下去肿瘤就被打得灰飞烟灭，想想就激动，因此癌症疫苗一直是抗癌领域的梦想。然而几十年尝试下来，只有一款名为Provenge的疫苗获批，后来还因为高昂成本等因素销售惨淡，原研企业Dendreon破产后也是像皮球一样被踢来踢去，最后兜兜转转被中国三胞集团收购。难道癌症疫苗终究只是黄粱一梦？不尽然。起初癌症疫苗的开发基本都集中在“共享”肿瘤抗原，也就是说从不同病人癌细胞抗原里头挑选几个出现频率高的，寄希望某种特定的广谱（通用）疫苗能发挥神力以不变应万变。然而癌细胞最烦人的德性就是善变，不同病人癌细胞抗原大相径庭，同一病人不同阶段也是变化无常，哪有那么容易对付。因此近几年又有了“个性化疫苗”这个新的概念，也就是说先比对患者癌细胞和健康细胞DNA，鉴定出特异性抗原，然后定制化生产针对特异性抗原的疫苗，注射到患者体内，训练免疫系统去干掉携带抗原的癌细胞。个性化癌症疫苗治疗流程，图片来源：[17]此等顶尖技术理论上没毛病，实际操作起来没那么容易，最大的关卡就是“时不患者待”。如果疫苗制备时间太长，一来晚期患者可能等不了，二来癌细胞指不定又突变出新幺蛾子（抗原），之前的疫苗不一定有效。和时间赛跑这档子事，mRNA已经在新冠疫情中充分证明了自己的实力，完全有信心在和其他癌症疫苗选手竞争中脱颖而出。毕竟基于细胞、病毒、细菌、蛋白/多肽的癌症疫苗不比mRNA机智，能利用人体细胞这蛋白生产的全天然工厂，大大降低合成复杂性，缩短耗时。那mRNA癌症疫苗的战绩如何？BioNTech可谓是一鸣惊人。2017年发布结果显示，首批接受个性化mRNA癌症疫苗的13名晚期黑色素瘤患者中，所有患者都出现了针对疫苗的免疫反应，8人肿瘤已经消失且23个月内无复发，其余5名患者由于接种疫苗时肿瘤已经扩散，有2人肿瘤缩小，其中1人接受辅助治疗后肿瘤完全消退[18]。Moderna自然也不甘落后，正在和默克强强联合共同开发个性化的癌症疫苗，2020年公布的中期数据也可圈可点：10例HPV的头颈部鳞状细胞癌患者中，一半病人病情得到了缓解。04 结语经过约40年的上下求索后，mRNA技术终于迎来全新篇章。从新冠疫苗起步，到癌症治疗，未来mRNA技术可能如兰格和卡里科等所期待的那样，逐步涉足更多疾病领域。现阶段mRNA技术还有很长的路要走，疫苗获批完全得益于新冠疫情大背景下的紧急使用授权，个性化癌症疫苗在更大规模临床中交出的答卷也差强人意：108例可评估的实体瘤患者中只有9例有反应[19]。再说了，疫苗其实是mRNA疗法的low-hanging fruit，毕竟只需要生产少量蛋白就可诱导免疫，如何利用细胞工厂生产更大量的蛋白依旧悬而未决。
好在mRNA新冠疫苗获得成功之后，政府和投资者可能会更热衷支持mRNA技术，加速释放其更大潜力，成为真正的规则改变者占据主导地位。
作者简介：
丁零，生物化学博士，青年写作者。曾就职霍华德·休斯医学研究所及MD安德森癌症中心，现从事咨询行业。
参考文献1. Jr., B.L., BioNTech CEO confident Covid vaccine works against ‘double mutant’ strain identified in India. CNBC, 2021.2. D?pfner, M., Elon Musk reveals Tesla's plan to be at the forefront of a self-driving-car revolution — and why he wants to be buried on Mars. 2020.3. Fauci, A.S., The story behind COVID-19 vaccines.Science, 2021. 372（6538）: p. 109.4. Kolata, G., Kati Kariko Helped Shield the World From the Coronavirus. New York TImes, 2021.5. Brenner, S., F. Jacob, and M. Meselson, An unstable intermediate carrying information from genes to ribosomes for protein synthesis. Nature, 1961. 190: p. 576-581.6. Gros, F., et al., Unstable ribonucleic acid revealed by pulse labelling of Escherichia coli. Nature, 1961. 190: p. 581-5.7. Wolff, J.A., et al.,Direct gene transfer into mouse muscle in vivo. Science, 1990. 247（4949 Pt 1）: p. 1465-8.8. Garde, D., The story of mRNA: How a once-dismissed idea became a leading technology in the Covid vaccine race. STATNEWS, 2020.9. Hajj, K., Whitehead, K, Tools for translation: non-viral materials for therapeutic mRNA delivery. Nat Rev Mate, 2017. 2, 17056.10. Kariko, K., et al., Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors: the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA. Immunity, 2005. 23（2）: p. 165-75.11. Park, A., A Stem Cell Breakthrough May Ease the Way to Human Treatments. TIME, 2010.12. Mandal, P.K. and D.J. Rossi, Reprogramming human fibroblasts to pluripotency using modified mRNA. Nat Protoc, 2013. 8（3）: p. 568-82.13. Garde, D. Ego, ambition, and turmoil: Inside one of biotech’s most secretive startups. 2016.14. Cross, R., Can mRNA disrupt the drug industry?C&EN, 2018.15. Sabnis, S., et al., A Novel Amino Lipid Series for mRNA Delivery: Improved Endosomal Escape and Sustained Pharmacology and Safety in Non-human Primates. Mol Ther, 2018. 26（6）: p. 1509-1519.16. Sample, P.J., et al.,Human 5' UTR design and variant effect prediction from a massively parallel translation assay. Nat Biotechnol, 2019. 37（7）: p. 803-809.17. Sahin, U. and O. Tureci, Personalized vaccines for cancer immunotherapy. Science, 2018. 359（6382）: p. 1355-1360.18. Sahin, U., et al., Personalized RNA mutanome vaccines mobilize poly-specific therapeutic immunity against cancer. Nature, 2017. 547（7662）: p. 222-226.19. Taylor, N.P., Roche, BioNTech post 'low' response rate in cancer vaccine trial. Fierce Biotech, 2020.