mRNA技术荣获2023年诺贝尔生理学或医学奖

许瑶，李可心，赵连梅，张洪涛†

①杭州赛得康生物科技有限公司，杭州 310000；②河北医科大学第四医院 研究中心，石家庄 050011

1 获奖情况

北京时间2023年10月2日，诺贝尔生理学或医学奖揭晓。卡塔琳•卡里科(Katalin Karikó)博士和德鲁•魏斯曼(Drew Weissman)博士平分了这一奖项。诺贝尔奖委员会表示，他们对核苷碱基修饰的发现，使研发出有效的新冠病毒mRNA疫苗成为可能。

德鲁•魏斯曼博士是美国宾夕法尼亚大学Perelman医学院教授，卡塔琳•卡里科博士之前也在宾夕法尼亚大学工作，是魏斯曼博士的合作者(图1)。两人的研究成果在2005年发表，2023年就获得诺贝尔奖，前后历时18年，在诺贝尔奖历史上算是比较快的。相比之下，屠呦呦在1971年就用乙醚提取了能抗疟疾的青蒿素，在2020年才获奖，前后等待了49年。

图1 卡里科(左)和魏斯曼(右)(照片由魏斯曼教授提供)

如今mRNA技术获诺贝尔奖，既在预料之外，但也在预料之中。在2021年，卡里科和魏斯曼已因mRNA技术获得拉斯克(Lasker)临床医学研究奖，而拉斯克奖一直被誉为“诺贝尔奖风向标”，很大比例的拉斯克奖获得者后来获得了诺贝尔奖。

卡里科和魏斯曼获奖格外引人注目，不但因为两位科学家的发现所带来的mRNA疫苗是大多数国家主要接种的新冠疫苗，影响了数十亿人的生活，同时，作为获奖者之一的卡里科博士有着曲折的经历，在简历中有“移民”“癌症患者”“科研经费申请被拒”“被迫离开宾大”等关键词。

在这里，我们将对mRNA技术的前世、今生和未来进行解读。

2 mRNA研究的历史

信使核糖核酸(mRNA)并不是一个新概念。在细胞中，遗传信息存储于基因之中，但最后发挥功能的分子，通常是基因所编码的蛋白。从基因到蛋白，中间的关键成分就是mRNA。

20世纪60年代，多位科学家的研究导致了mRNA的发现。1961年，悉尼•布伦纳(Sydney Brenner)、弗朗索瓦•雅各布(François Jacob)和马修•梅塞尔森(Matthew Meselson)三位科学家，用感染了噬菌体的细菌来证明mRNA的存在[1]。实验表明，mRNA非常不稳定，而相对稳定存在的核糖体，只是一个承载mRNA的结构，自身并不携带特殊的遗传信息。从基因到mRNA，被称为“转录”；从mRNA到蛋白，被称为“翻译”。值得一提的是，布伦纳之后专注于秀丽隐杆线虫的研究，并因发现器官发育和细胞程式化凋亡的遗传调控机理于2002年获得诺贝尔奖。

1961年，通过一个源自细菌的体外翻译系统，马歇尔•尼伦伯格(Marshall Nirenberg)的实验室首先破译了第一个密码：编码苯丙氨酸的密码子UUU。这个无细胞的系统包含有各种游离的氨基酸，当把一段由一连串尿嘧啶(U)组成的人工RNA模版添加到翻译系统中之后，同位素标记的苯丙氨酸就能被整合到所编码的蛋白中[2]。尼伦伯格因遗传密码的破译获得1968年的诺贝尔奖。

既然编码蛋白的遗传信息都由mRNA携带，是否可以将mRNA作为疫苗或者药物的形式，直接注射到人体中，从而达到免疫或治疗的目的呢？这是一个合理的想法，为实现这个想法，很多科学家做出了努力。但从理想到现实，其中有很多难关要过。

起初是mRNA合成问题。1984年，哈佛大学的道格拉斯•梅尔顿(Douglas Melton)团队利用RNA合成酶在实验室合成得到具有生物活性的mRNA，并将其注射到青蛙卵子中，证明它与自然产生的mRNA有着一样的功能[3]。1987年，梅尔顿参与创立了一家名为Oligogen的公司，该公司后更名为吉利德科学公司(Gilead Sciences)。但是，在此后的30年里，该公司也没有成功研制出mRNA药物。

3 卡里科和魏斯曼解决的关键问题

1985年，卡里科从匈牙利到了美国，开始了艰辛的科研和生活之路。1989年，卡里科来到宾夕法尼亚大学医学院埃利奥特•巴纳森(Elliot Barnathan)实验室，身份是助理研究员。次年，巴纳森离开了宾夕法尼亚大学，卡里科要想在宾夕法尼亚大学留下，就必须成为独立研究员，但过程非常不顺利。

1990年，卡里科第一次为mRNA项目申请科研经费，很不幸，没有成功。1995年，由于接连几年申请不到科研基金，卡里科已经很难继续留在宾夕法尼亚大学。更加不幸的是，卡里科还被诊断出患有癌症。

到了1997年，卡里科遇到刚刚加入宾夕法尼亚大学的魏斯曼教授，二人开始合作，mRNA的科研得以继续。

mRNA研究面对的一个大难题是mRNA不稳定。注射入人体之后，免疫系统会将mRNA分子视为“异物”，对其实施攻击，使其降解，mRNA所携带的信息根本无法有效地传递，导致体内无法产生相应的蛋白。

魏斯曼教授原来的研究方向是树突细胞，这是一种在免疫监视和免疫应答中有着重要功能的免疫细胞。卡里科与魏斯曼的合作，重点研究的是免疫系统对不同类型RNA的识别。卡里科与魏斯曼所做的工作，就是mRNA的“化妆师”，通过给mRNA进行修饰或者“易容”，寻找一种可以逃避免疫系统监视的方法。

经过数年的努力，他们最终找到了一种“易容术”。RNA的组成为腺嘌呤(A)、尿嘧啶(U)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)四种碱基，哺乳动物细胞中RNA的核苷酸碱基经常被化学修饰，而体外转录合成的mRNA则没有。正是由于这个差别，才导致免疫系统能够清晰地识别外源的mRNA。

2005年，他们发表的研究显示(图2)，将外源的mRNA进行一些特殊的修饰(如m5C、m6A、m5U、s2U或使用假尿苷替代尿苷)之后，免疫系统就失去了监视能力，即便面对这些外源的mRNA，也不会出现免疫反应[4]。

图2 卡里科与魏斯曼在2005年发表的论文[4]

4 卡里科和魏斯曼没有解决的问题：mRNA的递送

“易容术”并不是mRNA药物所面临的唯一难题。除了免疫系统，环境中和人体内都有很多可以降解mRNA的酶。如果仅仅是将裸露的mRNA注射入人体，会被这些酶所降解。

mRNA因为由核苷酸构成，带有很强的负电荷，自身很难穿透细胞膜。卡里科与魏斯曼的“易容”，也没有改变mRNA携带负电荷的特质。一个简单的思路，是使用带有正电荷的载体分子包裹住mRNA的负电荷，在递送穿过细胞膜之后，再将mRNA释放出来。

20世纪80年代，菲利普•费尔格纳(Philip Felgner)教授(现任加州大学欧文分校疫苗研发中心主任)开发出了一种带正电荷的脂质体。后来，Salk研究所一个叫作罗伯特•马隆(Robert Malone)的研究生使用了费尔格纳教授的脂质体，将体外合成的mRNA递送到了细胞内。

1989年，马隆提前终止了学业，加入了一家初创公司Vical，继续脂质体递送的研究。这些脂质体早期的工作，虽然让mRNA的递送看到了曙光，但并没有找到mRNA和脂质体的理想配方，因此并没有实现商业化。在与魏斯曼合作之前，卡里科也在做一些阳离子脂质包裹RNA或DNA的工作[5]。

其他核酸药物也需要递送体系，比如基因沉默疗法(siRNA)。加拿大不列颠哥伦比亚大学的生物化学家彼得•库利斯(Pieter Cullis)的实验室建立了一套可以递送核酸药物的脂质纳米粒(lipid nanoparticle, LNP)系统，基于该递送系统的药物patisiran，已被FDA批准用于治疗一种罕见的遗传性多发神经性疾病——遗传性甲状腺素转运蛋白介导的淀粉样变性病(hATTR淀粉样变性病)。

库利斯创建了两家LNP公司，其中一家公司Acuitas Therapeutics与魏斯曼教授及其他的mRNA公司合作，测试mRNA-LNP的不同配比。BioNTech的新冠疫苗正是基于其中的一个配方，Moderna公司的新冠疫苗所用的配方也很相似。

这种LNP的配方含有4种脂质分子：其中的1个正电荷的脂质比较关键，其他3个分子有助于递送系统结构的稳定性。与早期的脂质体相比，LNP有一个特点：在人体体液中变成中性，因此能减少对人体的毒性。

5 新冠疫情：mRNA技术的风口

虽然卡里科和魏斯曼的mRNA “易容术”已经建立，且库利斯的LNP技术已经成熟，但二者的结合，并没有及时催生一款mRNA药物。这其中一个关键的因素，是现代药物的研发一般需要经历比较长的时间，要完成临床试验的研究，通过临床证据来申请药物的上市许可。此前，mRNA技术公司的产品研发管线主要是与肿瘤相关的疫苗，因为毕竟肿瘤是人类的长期敌人。

新冠疫情的到来，改变了世界，也改变了mRNA技术的发展轨道，它像一场大风，把mRNA技术吹到了风口浪尖。BioNTech和Moderna两个mRNA公司，都及时瞄准了新冠疫苗赛道。

采用mRNA技术制造疫苗(图3)，有这样4个优势：

图3 mRNA 疫苗原理(图片使用Figdraw制作)：mRNA通过特定递送系统(LNP)导入人体，表达相应的抗原蛋白，从而激发体液免疫和细胞免疫反应，进而能对入侵的病毒快速应对

(1)研发周期短。只要知道病毒的基因序列，就可以在数天内设计出新型候选mRNA疫苗，在几周内就可以生产出样品进行动物实验。

(2)双重作用机制。不需要佐剂，mRNA疫苗就能够激发人体的体液免疫及T细胞免疫，免疫原性强。相比之下，传统疫苗主要激活体液免疫，对于细胞免疫的激活较弱。

(3)没有病毒成分。mRNA疫苗只是使用了合成的mRNA，靠这个片段来编码病毒的一个蛋白，没有直接来自病毒的成分，没有病毒带来的安全隐患。

(4)生产工艺相对简单。虽然mRNA疫苗属于高技术，有技术壁垒，但一旦投入生产，工艺相对简单，易于大批量生产，特别适用于应对重大疫情所产生的疫苗紧缺状况。

2020年12月2日，英国批准了BioNTech新冠疫苗BNT162b2的紧急使用。同年12月11日，美国也批准了该款疫苗的紧急使用授权(emergency-use-administration, EUA)。这是欧美第一款紧急使用的新冠疫苗，在三期临床试验中，这款疫苗显示出了95%的保护率。从2020年3月立项到12月紧急使用批准，在不到8个月的时间里走完全流程，这是破纪录的！

2020年12月18日，Moderna的mRNA疫苗也在美国获得了紧急批准。可以说，如果没有新冠疫情，第一款采用mRNA技术的产品，还不会那么快到来。

需要指出的是，很多人觉得2023年的诺贝尔奖给了mRNA疫苗，这个理解是不对的。除了递送mRNA的LNP技术，病毒的基因序列也是制造mRNA的关键。“巧妇难为无米之炊”，如果说mRNA “易容术”和LNP是“巧妇”，那么新冠病毒的基因序列就是“米”。中国科学家首先公布了新冠病毒的基因序列，疫苗公司才可以基于此序列进入疫苗研发的快车道。所以说，如果要给新冠mRNA疫苗一个奖，那么LNP和病毒基因的最先公布者都应该分享。

从技术的角度来看，新冠疫情确实是对卡里科和魏斯曼的mRNA “易容术”的大检验。如果没有“易容术”，mRNA疫苗是否会成功？

为了避免使用“易容术”，CureVac公司通过改变mRNA序列所使用的密码子，将尿嘧啶(U)减至最少。但新冠疫苗的临床试验数据显示，CureVac的候选新冠疫苗在保护效力方面不如Moderna或BioNTech的疫苗。2021年10月，CureVac宣布放弃mRNA管线。

中国的一家mRNA公司，同样没有使用“易容术”，但早期的临床试验结果显示，受试者中出现了更高的发热比例，意味着副作用会更高。这应该与未“易容”的核苷酸所诱发的免疫反应有关。虽然该疫苗在境外也开展了三期临床试验，但是疫苗最终还是没有获批上市。

卡里科和魏斯曼刚开始合作时，还没有使用“易容术”，结果在测试HIV/AIDS 疫苗时，发现mRNA在注射到小鼠体内后产生很强的炎症反应。这也是促使二位科学家着重研究“易容术”的原因。卡里科和魏斯曼看到了mRNA疫苗的“坑”，使用“易容术”避开了；其他人不认为这是一个“坑”，然后用临床试验证明了这确实是一个“坑”。

6 疫情后mRNA技术发展前景

世界迎来了mRNA技术，中国也没有缺席。

在疫情的早期，BioNTech与复星就建立商业合作，复星负责大中华区的商业化。

中国的企业也获得大量投资，开展mRNA疫苗的研发。2023年3月，石药的新冠疫苗获批，是中国内地获批的首款mRNA疫苗，只是疫情时代已经结束。中国所接种的新冠疫苗，主要是灭活疫苗。根据公开的信息，中国内地公司目前研发中的mRNA疫苗产品管线有流感疫苗、猴痘疫苗、狂犬病疫苗等。

在国外，继新冠病毒疫苗之后，Moderna还有呼吸道合胞病毒 (respiratory syncytial virus,RSV)的mRNA疫苗在等待FDA批准，有流感和巨细胞病毒(cytomegalovirus, CMV)的mRNA疫苗在进行临床试验。

虽然新冠病毒并没有消失，但疫情已经过去，即便赶上了新冠mRNA疫苗风口的企业，也在调整战略，以应对疫情后的新局面。

在大中华区以外地区，BioNTech与辉瑞合作，辉瑞负责新冠疫苗的商业化。根据辉瑞的报道，2022年新冠疫苗的销售额为378亿美元。但是，辉瑞预测2023年新冠疫苗的销售额将比2022年下降64%。面对消失的新冠疫苗市场，BioNTech 除了积极开发针对其他传染病的疫苗，也更加侧重与肿瘤相关的管线[6-7]。

在疫苗领域，因为研发周期短、生产工艺相对简单的特性，mRNA技术也在兽用疫苗领域获得了关注。在畜牧业中，因为养殖密度较高，病毒容易在动物中传播，也更容易发生突变，能够及时升级疫苗就变得更为重要，这是传统灭活疫苗的痛点，却是mRNA疫苗的亮点。

更重要的是，mRNA技术的运用，已经不仅限于疫苗。比如说，将编码Cas9的mRNA和引导RNA一起递送到细胞甚至活体中，就可以实现基因编辑[8]。可以预见，未来mRNA技术将助力基因编辑，尤其是其在活体中的运用。利用mRNA技术，魏斯曼等科学家将动物体内的常规T细胞转化为治疗性CAR-T细胞，并在心力衰竭的动物模型中显示出了治疗效果[9]。

当然，这些技术都还没有完全成熟，还需要临床试验的验证。同时，针对活体特定器官的靶向递送，也是未来治疗的关键，所以是目前mRNA研发的重点[10-11]。

纵观mRNA技术的诺贝尔奖历史，其实就是无数科研工作者的奋斗史。他们前仆后继地站在巨人的肩膀上奋斗，绝大多数人跟诺贝尔奖无缘，很多人也许还会失去工作，为了生活寻找新的出路。

诺贝尔奖给卡里科博士的曲折故事一个完美的结局，却没有给mRNA技术画上句号。疫情让mRNA技术走到了历史舞台的聚光灯下，而这仅仅是个开始。