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揭秘马斯克点赞的mRNA技术:从新冠疫苗出发 或将引发一场药理革命

2021-01-13 04:34:35 每日经济新闻 

每经记者 文巧 每经编辑 高涵

1961年,在加州理工学院的一个实验室,科学家首次成功提取到mRNA;1990年,威斯康星大学的科研团队首次发现,将体外转录的mRNA注射至小鼠骨骼肌内,可以表达相应蛋白质并产生免疫反应,震惊学术界。

关于mRNA技术的理想蓝图就此展开,但在辉瑞/BioNTech的新冠疫苗获批紧急使用前,这项技术尚未诞生过一款疫苗或者疗法被广泛使用。

当地时间2020年12月31日晚,世界卫生组织将辉瑞/BioNTech的mRNA疫苗列为可紧急使用,这是首个获世卫紧急使用授权的新冠疫苗。此前,美国英国加拿大和欧盟等都已批准辉瑞/BioNTech疫苗的使用或者上市。此外,美国还授权紧急使用Moderna的mRNA疫苗。

在新冠疫苗研发全球竞赛中,基于mRNA技术的疫苗是首批进入临床试验的先锋之一。辉瑞/BioNTech和Moderna新冠疫苗强劲的初期研究结果也让他们在资本市场大放异彩,BioNTech和Moderna公司股价较去年年初分别飙升约160%和490%。

近日,特斯拉CEO埃隆·马斯克(Elon Musk)在接受Business Insider访谈时表示,mRNA疫苗尤其有趣,因为mRNA技术可能是癌症的潜在治愈方法。“医学的未来是mRNA,基本上,你可以使用mRNA治愈一切。它就像一个电脑程序,你可以对其进行编程以执行所需的任何操作。”

马斯克此前曾宣布,特斯拉将“为总部位于德国的CureVac公司打造RNA微型工厂”。据悉,特斯拉建立的RNA生物反应器(RNA Bioreactor)可以制造疫苗及生产药物。

BioNTech在接受《每日经济新闻(博客,微博)》记者采访时表示,mRNA疫苗的获批对于整个行业来说,可能成为引发药理革命的重要时刻。以mRNA技术为基础的治疗手段,将可能以更快的速度被应用于其他重要领域,特别是癌症治疗。

沉寂数十载,一朝声名大噪,mRNA技术背后有着怎样的故事?它对于疫苗行业甚至整个生物科技行业意味着什么?未来还有哪些更广阔的应用?

给病毒“画像”:极大缩短制备时间

2020年,为对抗新冠疫情,全球掀起一场新冠疫苗研发竞赛,包括mRNA疫苗、灭活疫苗、重组蛋白疫苗、亚单位疫苗、病毒载体疫苗和DNA疫苗在内的多条新冠疫苗技术路线并进。

所有疫苗无非都基于一个相同的思路:诱导免疫系统产生免疫反应以阻断病毒。

“当使用传统疫苗(减毒病原体、灭活病原体或蛋白质亚基)进行免疫时,疫苗中会包含会诱导免疫反应的实际抗原。”宾夕法尼亚大学医学教授、mRNA疗法专家诺伯特·帕迪(Norbert Pardi)向《每日经济新闻》记者说道,“而当使用mRNA疫苗进行免疫时,它相当于为免疫系统提供一个蓝图,也就是说mRNA编码了蛋白质抗原,由宿主细胞生产这种抗原,并诱导免疫反应。”相当于给病毒画了幅肖像画,让免疫细胞去识别,引起机体免疫反应。

简单来说,传统疫苗向人体直接注射蛋白质抗原,而mRNA疫苗则使用病毒的独特遗传片段转录合成为mRNA——信使核糖核酸,作为决定身体机能的遗传数据库DNA和构成生命有机体蛋白质的生成之间的中介,它能够接受DNA中的指示,并将其传递给细胞,从而在体内制造特定的蛋白质。

因而,传统的疫苗路线通常要在体外环境中培养病毒,依赖细胞扩增的过程,需要更长的制备时间;而mRNA疫苗只需要利用病毒的基因序列合成相关序列的mRNA,从而先期合成更快。

“在拿到病毒序列之后,仅用了42天就制备出mRNA候选疫苗。”Moderna创始人之一、前哈佛医学院副教授德里克·罗西(Derrick Rossi)在发给《每日经济新闻》记者的一封邮件中透露。

相比之下,传统的疫苗通常只诱导产生抗体,而mRNA疫苗还可以诱导产生细胞免疫反应。BioNTech公司此前在接受每经记者采访时说道:“mRNA具有高度免疫原性,可以诱导产生中和抗体以及T细胞免疫双重机制,而不需要额外的佐剂。”

既然mRNA疫苗是使用病毒的特殊遗传片段,那么随之而来的问题是,应当选择病毒的哪一部分在细胞内进行表达?

2020年2月19日,知名学术期刊《科学》发表了一篇论文,来自美国得克萨斯大学奥斯汀分校的McLellan实验室团队首次利用冷冻电镜展示了新冠病毒刺突蛋白的3D分子结构,确认刺突蛋白结构是疫苗应对的关键区域。

该实验团队的分子生物学博士Wang Nianshuang在此前接受《每日经济新闻》记者采访时表示:“了解病毒背后的机制就能更好地指导疫苗研发,我们使用一种‘基于结构的疫苗设计’的概念来获取疫苗。”

据Wang Nianshuang介绍,在此前他们已经开发出一种通用策略,开发出具有增强表达、稳定性和免疫原性的SARS和MERS刺突蛋白。新冠疫情暴发后,基于这一策略,他们迅速获得了新冠病毒刺突蛋白的3D分子结构,并能改造这种蛋白,为获得更优良性能的疫苗服务。

新冠病毒刺突蛋白随即成为mRNA疫苗突破的关键,科学家将其作为病毒的特殊遗传片段合成mRNA,使人体细胞在体内合成该刺突蛋白,并训练免疫系统产生免疫反应。

近日,新冠肺炎病毒变异毒株感染病例先后在英国、南非、加拿大等多个国家出现。研究发现,英国的变异毒株观察到17个刺突蛋白突变。而刺突蛋白作为mRNA疫苗在细胞内表达的重要部分,其发生突变对mRNA疫苗有效性是否产生影响引起了广泛关注。

帕迪告诉记者,目前并未发现任何变异毒株可以逃避mRNA疫苗诱导的中和抗体反应。“虽然也有可能产生疫苗逃逸突变体,但这种可能性较小。即使发生,我们也能很快地调整mRNA疫苗。”

打破范式:科学家的接力

以往,疫苗开发通常需要数年甚至数十年的时间,而在过去的十多个月中,mRNA疫苗取得的进展改变了已有的范式,为疫苗开发创建了新的模式,并可能在未来的数年内帮助人类抵御新兴的、未知的病毒。

然而,mRNA新冠疫苗并非一次突然的“尤里卡时刻”,实际上,这项技术已经默默无闻地发展了几十年的时间。

1961年5月,《自然》杂志上刊登了两篇科学论文,以法国生物学家弗朗索瓦·雅各布和南非分子生物学家和遗传学家Sydney Brenner为首的9名科学家宣布成功分离mRNA。同月,弗朗索瓦·雅各布和另一位法国生物学家Jacques Monod在《分子生物学杂志》上发表综述,在理论的背景之下讨论了mRNA在基因调控中可能发挥的巨大作用。

他们认为,结构基因决定了蛋白质的分子组成,调节基因和操纵基因通过细胞质成分或阻遏物的中介来控制蛋白质的合成速度,阻遏物可以被某些特定的代谢物诱导或抑制。一种信使基因在这种调节系统中起直接作用,该信使基因与发生蛋白质合成的核糖体有关,也就是现在所说的mRNA。彼时,科学界认为这篇文章“极具想象力”,因为它代表了一种全新的有关基因功能的思维模式。

将近30年后,1990年,美国科学家Jon Wolff等人发表的论文证实,将体外转录的mRNA注射至小鼠骨骼肌内,可以在其肌肉细胞内产生相应表达的蛋白质,并产生免疫反应。整个科学界为这一发现震惊、欢呼,一个有关mRNA的构想从此生根发芽,在此后的数十年中不断成长壮大。

匈牙利生物学家卡塔琳·卡里科是这条探索路上的先驱者之一,她与宾夕法尼亚大学医学教授德鲁·韦斯曼的突破性发现为辉瑞/BioNTech和Moderna疫苗的问世铺平了道路,并可能为新的医学疗法打开一扇新的大门。

实际上,自1990年以来,科学家们一直尝试向实验动物注射合成mRNA。尽管mRNA疗法研究深耕多年,但进展十分缓慢。在辉瑞/BioNTech、Moderna新冠疫苗之前,还未有一款mRNA药物或疫苗正式获批上市。

“mRNA疗法的研发进展非常缓慢,因为有两个主要的障碍需要克服。”帕迪解释道。

一个问题在于mRNA的不稳定性和易降解性,合成mRNA可能在达到靶细胞之前被破坏,由此可能对某些患者构成炎症或其他健康风险;另一个问题则在于早期缺乏可以保护mRNA免于快速降解的安全有效的载体分子。

第一个问题也是最主要的障碍,由于免疫系统将注入的分子视为“外来侵入者”,触发了激进的免疫反应导致致命的炎症,诸多研究或以失败告终,或停滞不前,许多科学家也因此放弃了这一构思。

但卡里科坚持了下来,十余年后,这一困扰医学界多年的谜题终于迎来了解码的钥匙。

诺奖级发现:修饰mRNA

在宾夕法尼亚大学工作期间,卡里科遇到了韦斯曼。

彼时,韦斯曼在美国国立卫生研究院(NIH)的福西(Fauci)实验室进行了一项涉及免疫细胞和疫苗反应的研究,他请求卡里科为其设想的HIV疫苗合成一些mRNA。正是这场合作,为解决mRNA引发的严重炎症问题埋下了重要伏笔。

2005年,卡里科和韦斯曼发现了一种针对mRNA致命弱点的补救方法——修饰核苷mRNA。

mRNA的每条链均由四个称为核苷的分子构建单元组成,他们将其中一个替换为修饰后的核苷,创建了一种杂交mRNA,该mRNA可以潜入细胞中而不会导致细胞防御引起的炎症问题。

“在人体内有17种不同的‘传感器’或者说蛋白质,可以识别RNA,我们修饰了RNA,因此它们无法再识别,也不会触发激进的免疫反应。”韦斯曼表示。

这一发现在一系列科学论文中进行了论述,虽然在当时并未引起很多人的注意,但成功地吸引了罗西的关注。他认为这一发现是开创性的,直至今日,他仍坚持卡里科和韦斯曼是诺贝尔化学奖的第一人选。

与此同时,自20世纪60年代开始,科学家就一直在研究封装、递送大型分子的方法,这项技术发展了数十年,但是mRNA提出了比其他分子更大的挑战。

“这是一个更难的任务,因为mRNA分子更大,且更加不稳定。”Moderna创始人之一、麻省理工学院生物工程师罗伯特·兰格(Robert Langer)在接受媒体采访时表示。

2015年,帕迪和韦斯曼首次描述了将脂质纳米颗粒(LNP)作为mRNA的载体。“LNP的作用就是保护mRNA,防止其降解,同时帮助mRNA顺利进入细胞。”罗西解释。

至此,mRNA疗法发展史上面临的最艰巨的两大难题迎刃而解,这也为后来的mRNA疫苗研究开辟了道路。

“如今,辉瑞/BioNTech和Moderna疫苗都使用核苷修饰的mRNA,且两种疫苗都使用LNP作为载体。”帕迪告诉记者。

他进一步表示:“核苷修饰的mRNA-LNP疫苗是一项新兴技术,2017年才第一次发表这种疫苗的动物研究结果。一般来讲,开发新疫苗需要8~10年的时间,主要是因为测试和评估疫苗需要很长时间。但由于新冠疫情,我们不得不将疫苗的开发缩减到不到一年的时间内。技术的进步,科学家的辛勤工作,政府和公司的支持,对于这一成功至关重要。”

不过,LNP也有在少数人体内引发过敏反应的可能性。FDA的报告显示,注射辉瑞/BioNTech和Moderna疫苗都可能出现恶心、疲劳、头痛和肌肉疼痛等副作用,引起公众对mRNA疫苗安全性的担忧。

罗西认为,包括发烧、头痛和肌肉痛等副作用是常见的,可能是由于LNP载体引发的过敏性反应。“但迄今为止的临床试验数据表明,mRNA疫苗非常有效且安全。”他告诉记者。同时他也坦言,mRNA疫苗对病毒的防护将持续多长时间尚不清楚,还有待进一步观察。

帕迪则向记者表示,受试者可能对疫苗的某些成分过敏,但幸运的是,这是非常罕见的事件,绝大多数人没有这种反应。他认为,接下来需要克服的是温度问题,希望能够早日生产出可以在更高温度下(4℃)储存的mRNA疫苗。

“体内工厂”:重新定义疫苗

卡里科和韦斯曼里程碑式的发现为BioNTech和Moderna的诞生埋下了伏笔。

人体依靠数百万种微小的蛋白质来维持自身的生命和健康,并利用mRNA来告诉细胞制造哪些蛋白质。在卡里科当年的设想中,从理论上讲,如果能够设计mRNA,人体内就拥有了一个蛋白质制造工厂,可以制造任何想要的蛋白质——抗感染的疫苗或抗体,治疗罕见疾病的酶,或是修复受损组织的生长剂。

2008年,在德国莱茵河畔左岸的美因茨,一对土耳其裔科学家夫妇看到了这项技术的巨大潜力,建立了一家基于mRNA技术的癌症免疫疗法公司——BioNTech。2013年,卡里科加入了BioNTech担任高级副总裁,负责领导基于mRNA技术的蛋白质替代疗法项目。

2010年,同样从修饰核苷mRNA中看到了拯救数以万计生命的希望,罗西与兰格、风险投资公司企业家Noubar Afeyan等人共同创立了Moderna,Moderna即Modified RNA的缩写。

对于mRNA技术未来的应用场景,BioNTech此前在接受《每日经济新闻》记者采访时说过,mRNA疫苗的获批对于整个行业来说,可能成为引发药理革命的重要时刻。以mRNA技术为基础的治疗手段,将可能以更快的速度被应用于其他重要领域,特别是癌症治疗。

帕迪向记者说道:“合成mRNA技术的真正妙处在于,你可以在mRNA上编码任何蛋白质,并将其用于多种目的,例如疫苗、蛋白质替代甚至基因编辑。”除此之外,他告诉记者,mRNA的生产极为简便,将来的成本应该会更低。

在麻省理工学院官网发表的一篇文章中,因发现断裂基因和RNA剪接而获得1993年诺贝尔生理学或医学奖(Nobel Prize in Physiology or Medicine)的Phillip Sharp认为:“与其他传统类型的疫苗相比,mRNA疫苗具有多重优势,包括使用非感染性元素、大大缩短生产周期、更容易扩大生产规模等。虽然无法准确预测mRNA疗法的未来,但有迹象表明,新进展将会很快发生,它将是现代医疗最前沿的疗法之一。”

“几年前,第一种基于RNA干扰的疗法被批准用于治疗致命性遗传疾病,mRNA疗法也可能将用于治疗遗传性疾病,制备针对癌症的疫苗,甚至是生产可移植器官。未来,mRNA技术可能允许一种疫苗针对多种疾病,甚至可以根据个人基因组来创建个性化疫苗。”他如此说道。

从新冠疫苗起步,mRNA或将重新定义疫苗的研发技术。

(责任编辑:李佳佳 HN153)
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