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2023年諾貝爾生理學或醫學獎得主：匈牙利生物化學家 Katalin Karikó和美國醫學家Drew Weissman剛剛，2023年諾貝爾生理學或醫學獎公布，授予匈牙利生物化學家 Katalin Karikó和美國醫學家Drew Weissman，以表彰他們在核苷堿基修飾方面的發現，這些發現使得開發針對 COVID-19 的有效 mRNA 疫苗成為可能。 2021年5月，新冠疫情還在全球肆虐時，《賽先生》曾撰文介紹這兩科學家對于開發COVID-19疫苗的貢獻，以及mRNA技術的巨大潛力。
在緊急應對新冠疫情中，首批面世的疫苗都基于mRNA技術[1]。而在新冠疫情之前，mRNA并不是有公眾吸引力的科學術語，也沒有任何一個國家批準過mRNA疫苗，可以說mRNA通過新冠疫情一戰成名。連傳奇人物埃隆·馬斯克繼太空探索、腦機接口等暢想后，也瞄準了mRNA技術，認為mRNA就好比人體的計算機程序，可以對其編程來執行任何操作，比如停止衰老返老還童，再瘋狂點，甚至可以將一個人變成一只蝴蝶[2]，直接將“周莊夢蝶”升級為大變活蝶。面對如此有意思的未來科技，作為實干家的馬斯克已經宣布，特斯拉將為總部位于德國的CureVac公司打造RNA微型工廠。無疑，mRNA新冠疫苗的推出是一場重要的醫學革命，引發全球各大媒體爭相報道。丁零（科普作家、生物化學博士）｜撰文 葉水送 ｜ 責編 和大多重要科學突破一樣，mRNA一夜成名歸功于數十年的厚積薄發。從上世紀70年代萌芽到2020年疫苗的緊急獲批，mRNA技術發展之路卻并非一帆風順。歷史見證了科學家們職業生涯的重大抉擇和起起落落，以及代表企業的幾近破產，比如美國抗疫專家福奇在《科學》雜志上實名點贊的賓大研究人員卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）[3]，就在mRNA這個“冷板凳”坐了30多年，不斷收到各方拒信及質疑，事業幾度進入死胡同。卡里科出身于匈牙利一戶屠夫家庭，從小立志成為一名科學家。在匈牙利讀完博士后因為大學研究資金出現問題，卡里科和同為博士的丈夫決定移民美國。1985年，卡里科夫婦以及兩歲的女兒，帶著藏在泰迪熊的900英鎊踏上飛往美國的航班，開始了“美國夢”之旅[4]。到美國后，為了生計和身份，丈夫不得已放棄學術，卡里科則在賓夕法尼亞大學找到了研究助理教授的職位，開始最早期的mRNA研究。在卡里科看來，mRNA可以引導細胞制造任何蛋白，簡直就是神一般的存在。mRNA疫苗原理示意圖，圖片來自orleanscommunityhealth.org事實上，mRNA早在上世紀60年代就被發現[5, 6]。如果將人體比作一臺機器，那么數百萬種微小的蛋白質便是維持機器運行的零部件，而mRNA則是制造零部件的總指揮。因此，人體細胞本身就是自然界最完美的制藥廠，可以根據mRNA指令生產出任何想要的蛋白，不像傳統方法需要大費周折通過體外基因工程進行耗時耗力的蛋白表達及純化。以新冠疫苗為例，新冠病毒基因組RNA序列注射到人體后，跳過體外合成蛋白質的過程，直接在人體細胞內生產病毒蛋白，對免疫系統進行了“戰前演習”，誘導識別病毒蛋白，從而產生對新冠的免疫記憶。當真正新冠病毒進入人體時，免疫細胞如同訓練有素的軍人，快速識別病毒對其發動精準攻擊。理論上mRNA無所不能，但幾十年來mRNA臨床應用并沒得到認可，很大一個原因是mRNA非常脆弱，容易被周邊環境里無處不在的RNA酶降解。不夸張地說，在實驗室中研究mRNA簡直就是一場噩夢，稍不留神它就從你眼皮底下消失得無影無蹤，更別指望還能跨越重重阻礙抵達人體細胞。因此，mRNA只是教科書被遵奉的學術名詞，在現實世界里并沒得到太多關注。一直到1990年，威斯康星大學Wolff等才首次報道肌內注射mRNA到小鼠骨骼肌里，確實能如愿以償產生蛋白[7]。同時期的卡里科經過不計其數地嘗試后，也成功利用mRNA指導細胞產生尿激酶受體蛋白。但mRNA還是擺脫不了冷門領域的標簽，一直得不到資本的垂青。一次次經費申請被拒后，卡里科收到學校降職通知，曾經一度還被診斷出癌癥。幸運的是，幾經挫折的卡里科遇到了人生最重要的伯樂，德魯·魏斯曼（Drew Weissman）教授[4, 8]。魏斯曼教授提議開啟艾滋病mRNA疫苗的課題。只要能有機會繼續研究mRNA，卡里科就不想放棄，因此很快加入了魏斯曼工作組。恰逢當時陸續出現了脂質體，脂質納米顆粒等保護裝置[9]。這些裝置可將mRNA包裹起來，保駕護航送mRNA到指定目的地，因此mRNA研究第一個痛點有了初步的解決方案。然而，mRNA技術第二個老大難問題出現了，卡里科成功利用mRNA在培養皿細胞中產生想要的蛋白，但這些mRNA在小白鼠身上卻沒有任何效果。通過反復調查才發現原來小白鼠免疫系統將mRNA定義為外來物，直接發起免疫反應將mRNA給清理掉。這無疑基本宣判mRNA治療思路根本走不通。但卡里科還是選擇迎難而上。功夫不負有心人，卡里科驚喜發現mRNA的胞兄tRNA能成功躲過免疫系統的追蹤。反復比對mRNA和tRNA后，其中端倪慢慢浮出水面：原來tRNA攜帶一種反免疫偵查功能的分子，名為偽尿苷。于是，一個劃時代意義的想法在2005年誕生：將偽尿苷添加到mRNA中，修飾過的mRNA就可潛伏進入細胞，逃逸免疫系統攻擊[10]。卡里科和魏斯曼發表了論文的同時申請了專利。卡里科和魏斯曼mRNA修飾專利，圖片來源：谷歌專利這一發現為處于低谷的mRNA研究提供新的希望，也成為日后為沖刺新冠疫苗領域的奠基石。于是德國一家名為BioNtech的公司慧眼識珠，拿下mRNA修飾專利授權，繼續支持卡里科研究mRNA技術，2013年更是直接聘用卡里科為副總裁。2020年新冠疫情爆發，mRNA技術剛好準備就緒，成就了一次天時地利的歷史巧合。短短幾個小時內，BioNTech根據新冠基因序列迅速設計出mRNA疫苗。11月8日，BioNTech開發的mRNA疫苗第一批臨床結果證實對新冠病毒具有強大免疫力。卡里科得到消息后，她吃了一整盒巧克力包裹的果仁，作為獨特的慶祝方式。距離最早卡里科研究mRNA過去整整32年。32年中，卡里科個人年收入從來都沒有超過6萬美金，在冷門到幾乎無人問津的領域內堅持耕耘，無數次被拒絕、甚至被降職。接受《紐約時報》采訪時，面對無數的榮耀和掌聲，卡里科只是輕描淡寫地說，“我實現了我的人生夢想”[4]。mRNA技術在美國高校孕育，德國生物技術公司卻當仁不讓，在臨床上甚至沖在了前頭，比如上文提到的BioNTech以及另外一家CureVac。CureVac早在2009年就有產品進入臨床。那2010年才成立的Moderna為何更受追捧？這半路殺出的“程咬金”有什么來頭？又是憑借什么技能后來者居上？2005年，卡里科和魏斯曼發布重大研究時[10]，德里克·羅西（DerrickRossi）還是斯坦福大學的博士后。當他讀到這篇論文，敏銳地意識到這一技術即將帶來深遠影響，甚至預言這是諾貝爾獎級別的發現。2007年，羅西成為哈佛大學醫學院助理教授，他如法炮制了卡里科的巧思，計劃利用經過修飾的mRNA將體細胞重編程為胚胎樣干細胞，并在2010年在培養皿里成功培育出胚胎樣干細胞，比傳統方法效率提高了100倍[11, 12]。年輕的羅西興奮不已，但作為哈佛的一名資歷尚淺的助理教授，他沒有足夠的社會資源能將自己的發現進行商業化，于是便在前輩蒂莫西·斯普林格（Timothy Springer）引薦下結識了鼎鼎大名的MIT教授羅伯特·蘭格（Robert Langer）。蘭格不光是最年輕的美國三院院士，桃李滿天下的導師，也是杰出的企業家，曾經創辦了20余家公司。民間流行一句話：如果你想創立一家生物技術公司，必須得先見一見蘭格，其聲望可見一斑[8, 13]。作為縱橫生命科學領域的資深玩家，蘭格聽完羅西報告，立即意識到mRNA技術用來改造干細胞只不過是冰山一角，它有治療所有疾病拯救成千上萬生命的潛力，也能創造不可限量的商業機會。面談結束后，蘭格當機立斷決定利用自己人脈攢一個大局。兵馬未動，糧草先行，蘭格邀請入局的第一人就是金主爸爸，著名生物醫療風投機構Flagship Pioneering創始人兼CEO努巴·阿費揚（Noubar Afeyan）。老朋友果然英雄所見略同，阿費揚也非常認可mRNA技術，于是短短幾個月就毅然決然地和羅西、蘭格在2010年共同創立了Moderna。公司成立后，頭等要事自然就是廣納人才。誰才有本事駕馭這未來mRNA領域的獨角獸？阿費揚一直都很欣賞斯蒂芬·班塞爾（Stéphane Bancel）的管理才能，之前也曾多次發出邀請函，但班塞爾眼光頗高，那些小格局的公司都入不了他的法眼。阿費揚再次拋出橄欖枝時，班塞爾已是法國診斷公司BioMerieux的CEO。BioMerieux在診斷行業名聲在外，市值近30億美元，員工有6000多人，而Moderna才剛剛起步，全公司只有一名科學家，這次挖人確實不容易。出乎意料的是，在阿費揚各種表決心、畫大餅、聊情懷、推心置腹的攻勢下，班塞爾破釜沉舟放棄了光鮮亮麗的高薪職位，欣然加入了這家名不見經傳的初創企業。之后靠著自己的個人魅力和聲望，班塞爾又吸引了一批科學界知名人士的加入，其中就包括2009年諾貝爾生理學或醫學獎得主杰克·索斯塔克（Jack Szostak）。
背靠著Flagship Pioneering這座金山，班塞爾心無旁騖引領著Moderna往前飛奔，致力解決mRNA技術三大核心問題[13, 14]：1. 專利：生物技術公司長期發展的立身之本就是擁有穩定的專利。和BioNtech一樣，Moderna最初也是拿到卡里科專利授權進行研究。如果未來要一直依靠別人專利來支撐，難免會受制于人，不是長久之計。通過不懈努力，Moderna 終于成功找到替代偽尿苷/5-甲基胞苷修飾的化合物1-甲基假尿嘧啶，拿下專利解除隱憂，為建立mRNA王國打下了堅實根基。2. mRNA傳遞：mRNA藥物傳遞一直是阻礙發展的關鍵瓶頸。裸露的mRNA很容易被細胞外RNA酶降解，哪怕進入細胞也容易在溶酶體聚集，抵達不了發揮作用的地方。對于短小RNA分子（如siRNA，大約20個堿基大小）來說，脂質納米顆粒是有力的遞送工具，但mRNA身材過于修長，動輒長達幾百上千個堿基，可想而知難度系數大非常多。初創階段的Moderna開發自己的遞藥技術平臺實在困難，不僅是人力上的，還有資金層面的限制，所以只能外部引進。當時Moderna大概看了十幾個遞藥平臺，最后選擇了Arbutus/Acuitas。隨著內部研究人員持續發力，Moderna最終擁有了屬于自己的遞送技術，與傳統方法比，逃離溶酶體聚集的效率要高25倍[15]。相比之下，CureVac和BioNTech還是分別依賴Genevant和Arcturus/Acuitas。3. 調控蛋白產量：mRNA不管是作為疫苗還是藥物，直接發揮作用的歸根結底還是蛋白，因此蛋白量需要嚴格把控，多了有毒，少了沒用。但多少mRNA能產生合適水平的蛋白，是一個全新的議題。為了解決這個問題，Moderna正在利用機器學習，對mRNA序列如何控制蛋白產量進行建模，為之后的精準調控鋪路[16]。從2010年低調創辦，2012年對外曝光，2018年首次公開募股創下了生物科技史上最高紀錄，再到2020年新冠疫情高調出圈，Moderna僅用了10年時間就成為了市值千億人民幣的獨角獸企業，創造了繼基因泰克后的又一傳奇。毋庸置疑，Moderna幾位創始人的背景讓Moderna贏在起跑線上，但也離不開管理層對技術的無限執著以及堅持掌握主動權的理念，而新冠疫情爆發也給了一個Moderna向世界展示的機會，要知道Moderna多年來一直處在輿論的風口浪尖上。畢竟在還沒有任何一款臨床產品的情況下，就輕易收獲幾十億美元的估值，難免落人口實。mRNA新冠疫苗讓 Moderna和BioNTech等順利出圈，但mRNA疫苗遠遠不只限于新冠或其他病毒，癌癥疫苗其實在新冠爆發前也是各大公司全力火拼的賽道。mRNA癌癥疫苗和大家熟知的宮頸癌疫苗不同，宮頸癌疫苗是預防性疫苗，顧名思義就是起到防范于未然的目的，目前正在開發的mRNA癌癥疫苗則為治療性疫苗。何為治療性疫苗？先來了解一下抗原這個概念：癌細胞攜帶很多基因突變的特異性蛋白（抗原）。按理說，這些特異性蛋白應該被人體自帶的抗癌神器免疫細胞及時識別一鍵清除。然而，腫瘤細胞有非常高深的偽裝術，裝作良民逃過免疫細胞的火眼金睛。治療性mRNA疫苗則是通過注入mRNA生產大量癌細胞抗原，將這些抗原暴露在免疫細胞眼前，誘導免疫細胞擦亮眼睛看清楚，攜帶這些抗原的都是入侵者，需要一網打盡。接受過集訓的免疫細胞這下自然就學聰明了，癌細胞再如何有心機地藏著狐貍尾巴（抗原），也能敏銳發現。一針疫苗下去腫瘤就被打得灰飛煙滅，想想就激動，因此癌癥疫苗一直是抗癌領域的夢想。然而幾十年嘗試下來，只有一款名為Provenge的疫苗獲批，后來還因為高昂成本等因素銷售慘淡，原研企業Dendreon破產后也是像皮球一樣被踢來踢去，最后兜兜轉轉被中國三胞集團收購。難道癌癥疫苗終究只是黃粱一夢？不盡然。起初癌癥疫苗的開發基本都集中在“共享”腫瘤抗原，也就是說從不同病人癌細胞抗原里頭挑選幾個出現頻率高的，寄希望某種特定的廣譜（通用）疫苗能發揮神力以不變應萬變。然而癌細胞最煩人的德性就是善變，不同病人癌細胞抗原大相徑庭，同一病人不同階段也是變化無常，哪有那么容易對付。因此近幾年又有了“個性化疫苗”這個新的概念，也就是說先比對患者癌細胞和健康細胞DNA，鑒定出特異性抗原，然后定制化生產針對特異性抗原的疫苗，注射到患者體內，訓練免疫系統去干掉攜帶抗原的癌細胞。此等頂尖技術理論上沒毛病，實際操作起來沒那么容易，最大的關卡就是“時不患者待”。如果疫苗制備時間太長，一來晚期患者可能等不了，二來癌細胞指不定又突變出新幺蛾子（抗原），之前的疫苗不一定有效。和時間賽跑這檔子事，mRNA已經在新冠疫情中充分證明了自己的實力，完全有信心在和其他癌癥疫苗選手競爭中脫穎而出。畢竟基于細胞、病毒、細菌、蛋白/多肽的癌癥疫苗不比mRNA機智，能利用人體細胞這蛋白生產的全天然工廠，大大降低合成復雜性，縮短耗時。BioNTech可謂是一鳴驚人。2017年發布結果顯示，首批接受個性化mRNA癌癥疫苗的13名晚期黑色素瘤患者中，所有患者都出現了針對疫苗的免疫反應，8人腫瘤已經消失且23個月內無復發，其余5名患者由于接種疫苗時腫瘤已經擴散，有2人腫瘤縮小，其中1人接受輔助治療后腫瘤完全消退[18]。Moderna自然也不甘落后，正在和默克強強聯合共同開發個性化的癌癥疫苗，2020年公布的中期數據也可圈可點：10例HPV的頭頸部鱗狀細胞癌患者中，一半病人病情得到了緩解。經過約40年的上下求索后，mRNA技術終于迎來全新篇章。從新冠疫苗起步，到癌癥治療，未來mRNA技術可能如蘭格和卡里科等所期待的那樣，逐步涉足更多疾病領域。現階段mRNA技術還有很長的路要走，疫苗獲批完全得益于新冠疫情大背景下的緊急使用授權，個性化癌癥疫苗在更大規模臨床中交出的答卷也差強人意：108例可評估的實體瘤患者中只有9例有反應[19]。再說了，疫苗其實是mRNA療法的low-hanging fruit，畢竟只需要生產少量蛋白就可誘導免疫，如何利用細胞工廠生產更大量的蛋白依舊懸而未決。好在mRNA新冠疫苗獲得成功之后，政府和投資者可能會更熱衷支持mRNA技術，加速釋放其更大潛力，成為真正的規則改變者占據主導地位。 作者簡介： 丁零，生物化學博士，青年寫作者。曾就職霍華德·休斯醫學研究所及MD安德森癌癥中心，現從事咨詢行業。 1. 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