为抗击新冠病毒而生的mRNA疫苗

柯普哲

不稳定的小分子

从中学生物课本上可了解到，基因是所有生命体的遗传物质，基因能指导细胞合成蛋白质，蛋白质则行使各种生理功能，比如血红蛋白运送氧气、消化酶帮忙将食物中的蛋白质分解成肽段或氨基酸等等。但是基因并不能直接指导合成蛋白质，还需要一种不太稳定的小分子来帮忙，这个小分子就是mRNA（信使RNA）。

基因的物质基础是脱氧核糖核酸，即DNA。生物学家们发现，基因与蛋白质存在一一对应关系，即一种基因指导合成一种酶或蛋白质。1953年，美国人詹姆斯·沃森和英国人弗朗西斯·克里克发现划时代的DNA双螺旋结构之后，人们了解到基因携带了遗传信息，并用这种遗传信息指导细胞合成蛋白质。不过，生物学家们很快发现，基因并不能直接合成蛋白质，他们推测可能存在一种不稳定的小分子，就像信使一样，将基因的遗传信息传递给蛋白质合成“工厂”——核糖体，由核糖体按照遗传图纸合成相应的蛋白质。

那么，这种信使是什么呢？很多生物学家试图找到它。不过这种信使分子非常不稳定，很难分离。1961年，来自英国剑桥大学的悉尼·布伦纳與来自法国巴斯德研究所的弗朗索瓦·雅各布，以及来自美国加州理工学院的马修·梅塞尔森合作，经过反复的实验，最终捕获到了这种稍瞬即逝的信使分子——一条与DNA互补的单链RNA分子。它被称为“信使RNA”，也即“mRNA”。顾名思义，信使RNA就是传递遗传信息的核糖核酸分子。

生命遗传信息流动过程

对生物体来说，DNA是遗传信息的携带者，因为DNA的双链结构非常稳定;对细胞来说，DNA的主要作用是合成蛋白质，这一过程跟录音机的原理差不多，信使RNA将DNA携带的遗传信息转录下来，变身为生命遗传信息的“邮差”，在转运RNA（tRNA）的运送下，信使RNA被运送到细胞中的核糖体，然后核糖体RNA开始“翻译”信使RNA传递的遗传信息，将细胞中四处闲逛的氨基酸组装成各种各样的蛋白质，后者再去执行各种生理功能。

不被看好的信使RNA疫苗

很显然，缺少了信使RNA的帮助，“满腹经纶”的DNA也只能干瞪眼，根本无法指导细胞合成蛋白质，生命也将无法延续。那么，信使RNA跟疫苗又有什么关系呢？

其实，疫苗的工作原理是模拟病原体的攻击模式，在人体或动物体内开展对抗病原体的“军事演习”，因此最早的疫苗就是病毒或细菌本身。比如，用毒性较弱的病毒制成的减毒疫苗，或用物理或化学方法将病毒杀死后制成的灭活疫苗等。以病毒疫苗为例，当这些疫苗被注射到机体后，可能激起机体的免疫反应，产生大量的特异性抗体，这些抗体会分散到机体各处进行巡逻。一旦有病毒来袭，抗体就会扑上去与病毒结合，病毒就像被捆住了手脚一样无法动弹。随后在一些免疫细胞的协助下，病毒从体内被清除出去，从而解除病毒的威胁。另外，机体的免疫系统还会针对疫苗产生免疫记忆，即使抗体不足，当病毒来袭时，有免疫记忆的免疫系统也会很快针对病毒合成大量的抗体。

信使RNA疫苗的工作原理

经科学家进一步研究发现，这些疫苗之所以会刺激机体免疫系统产生抗体，其实主要是疫苗中的蛋白质在起作用。这些蛋白质被称为“抗原”，减毒疫苗或灭活疫苗中含有大量庞杂的蛋白质抗原，但是只有一部分抗原能诱导免疫系统产生能中和病毒等病原体的抗体，因此这些传统疫苗存在有效性差等缺陷。随着基因工程技术的兴起，研究人员又发明了成分比较简单的抗原，比如亚单位基因工程疫苗，通常它只含有一种蛋白质或多肽片段，这样更具针对性、安全性和有效性。这一时期，有科学家开始思考：既然蛋白质可以作为疫苗，那么将某种病毒蛋白质的信使RNA注射到机体内，是不是也能借助细胞合成病毒蛋白质，进而行使疫苗的功能？

1990年，来自美国威斯康星大学的一群科学家首次尝试将来自萤火虫的荧光素酶信使RNA注射到小鼠肌肉中，不久在小鼠体内便检测到荧光素酶的表达。通过实验，他们首次证明了体外转录获得的信使RNA经注射可在活体组织细胞中传递遗传信息，以指导蛋白质合成。两年后，美国斯克里普斯研究所的研究人员将从正常大鼠下丘脑纯化加压素信使RNA或人工合成的加压素信使RNA，注射到因基因突变缺乏加压素的大鼠的下丘脑内，结果几个小时之后，基因突变大鼠的尿崩症得到缓解，而且持续长达5天，这是首次证明体外的信使RNA注射到活体动物体内后可指导合成蛋白质，这些新的蛋白质也能发挥正常生理功能。这两项研究成果均发表在国际著名学术期刊《科学》上，让人们看到了信使RNA在疾病治疗方面的巨大潜力，因此很多研究人员希望利用信使RNA来治疗癌症、神经系统疾病等重大疾病。

不过，信使RNA作为疫苗方面的用途则没有得到足够重视。1993年，一个法国研究小组将脂质体包裹的流感病毒核蛋白信使RNA注射到小鼠肌肉内，在体内诱导产生抗流感细胞毒性T淋巴细胞，初步证明信使RNA可作为疫苗的潜力。1994年，瑞典卡罗林斯卡研究所的几位科学家首次直接证明，信使RNA可作为核酸疫苗诱导小鼠产生抗体。不过，信使RNA存在不稳定以及体内传递效率低下等问题。更致命的是，体内注射信使RNA使活体动物产生了较强的不良反应，导致一些实验动物死亡，因此信使RNA疫苗的前景并不被人看好，当时疫苗研发的主流仍然是蛋白质和DNA。

被催生的新冠信使RNA疫苗

来自匈牙利的卡塔琳·卡里科是个例外。她一直坚持开展信使RNA医用研究，虽然她经常不受美国大学的待见（既没有获得想要的大学职位，也没有申请到充足的科研经费），但是天无绝人之路。1997年，卡塔琳·卡里科遇到刚到美国宾夕法尼亚大学不久的著名免疫学教授德鲁·魏斯曼，两人因为争抢复印机而相识。经过深入交流后，德鲁·魏斯曼教授决定资助卡塔琳·卡里科的研究。最初，卡塔琳·卡里科是希望利用信使RNA治疗脑部疾病和中风，由于德鲁·魏斯曼是免疫学家，因此两人决定开发信使RNA在免疫方面的用途。于是，两人便开始了在信使RNA疫苗研究方面的长期合作，其中最重要的一项研究成果是在2005年公布的。

德魯·魏斯曼（左）和卡塔琳·卡里科（右）

在这项发表在《免疫》杂志上的论文中，卡塔琳·卡里科、德鲁·魏斯曼和另外两位同事发现在信使RNA中一些经过修饰的核苷酸是造成不良免疫反应的重要因素，他们将某个信使RNA中引发不良免疫反应的核苷酸一一找到，然后用人工合成的核苷酸替换，不良免疫反应明显减弱。这项研究为后续信使RNA疫苗的开发奠定了重要基础。后来，卡塔琳·卡里科、德鲁·魏斯曼等人又对信使RNA疫苗进行了改进，并申请了专利。与此同时，其他研究人员则在信使RNA疫苗的稳定性等方面进行了持续改进。比如，利用脂质体“外套”将信使RNA疫苗包裹起来，使其进入细胞内部前不被核酸酶所分解。

随着技术的不断改进，信使RNA疫苗实现产业化的希望越来越大了。与传统疫苗相比，信使RNA疫苗具有一些明显优势，如安全性好、生产成本低，以及设计和研发周期短等。不过在新冠肺炎疫情爆发之前，信使RNA疫苗并没有取得实质上的成功。尽管当时已有数十种基于mRNA的疫苗正在研发中，其中少数几种疫苗已进入临床试验，如流感疫苗、寨卡病毒疫苗和狂犬病疫苗等，但尚无一种被批准用于人类。

就在我国科学家公布新冠病毒RNA序列两天后，美国的摩德纳公司随即宣布开展新冠病毒信使RNA疫苗mRNA-1273的研发。同时，辉瑞公司和德国比昂泰克公司联合研发的BNT162b2也紧随其后。以上这两种疫苗都是针对新冠病毒刺突蛋白的。

BNT162b2的临床试验是在2020年4月开始启动的，到当年11月临床III期试验后即告结束。经过4万名志愿者的临床验证，证明BNT162b2不仅具有良好的安全性，而且对新冠病毒的保护率可高达91%以上。从2020年12月开始，英国、美国、欧盟等国家和地区相继批准BNT162b2的上市申请。辉瑞公司和德国比昂泰克公司宣布将在2021年生产25亿剂疫苗。mRNA-1273的临床试验也是在2020年4月开启的，临床III期试验招募了3万名志愿者，有效率可达94%。2020年底，美国、加拿大、以色列等国家先后批准了该疫苗的上市申请。

在短短不到一年的时间内，以上两种信使RNA疫苗都完成了从疫苗设计、临床试验到审批上市的全过程，堪称“疫苗研发史上的奇迹”。不过，这也是应对全球新冠肺炎疫情的权宜之计，后续还需要就安全性进行下一步的观察，并开展更多的临床试验以拓展适应人群，在更大范围内发挥信使RNA疫苗抗击新冠肺炎疫情的作用。