2023年诺贝尔生理学或医学奖：mRNA改变世界

研制mRNA疫苗的难点

今年的诺贝尔生理学或医学奖所奖励的“核苷碱基修饰方面的发现”与信使核糖核酸（mRNA）的临床应用有关。在新冠病毒感染疫情（简称新冠疫情）大流行时，研究人员利用mRNA快速研发出安全有效的mRNA新冠疫苗，即核酸疫苗，帮助人类抵御住了新冠疫情的猛烈攻势。

RNA主要包括mRNA、tRNA和rRNA三种，其中mRNA又名信使RNA，因为mRNA是细胞核中转录脱氧核糖核酸（DNA）的信使。DNA和mRNA都有核苷碱基，即遗传密码。DAN的4个碱基是A、T、G和C，而mRNA的4个碱基是A、U、G和C，对应DNA中的4个遗传密码。

1953年，沃森和克里克提出并证明了DNA双螺旋模型。1958年，克里克提出“中心法则”，阐明了生物通过遗传信息产生蛋白质的过程：首先，以DNA为模板，通过“转录”产生RNA；然后以mRNA为模板，通过“翻译”产生蛋白质，而蛋白质是生物学功能的直接执行者。所有高级生物都按照“中心法则”生产蛋白质并维持生命。病毒（如冠状病毒）也是通过将其RNA注入人体细胞，并在人体细胞中复制、生产蛋白质以维持自身的存在，但它们的存在会损害人体健康。

早在新冠疫情大规模流行之前，研究人员就已经开始探索“以病毒之道，还治病毒之身”，其主要目标之一是研制核酸疫苗。核酸疫苗的作用机理是将病原体（如病毒）编码某种抗原蛋白的外源基因（DNA或RNA）直接导入宿主（人体）的细胞内，通过宿主细胞的表达系统合成抗原蛋白；会诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答，以达到预防和治疗疾病的目的。用于预防新冠病毒感染的mRNA疫苗也是一种核酸疫苗，其原理是将通过体外转录合成的mRNA以注射的方式“送入”人体细胞；接下来，人体细胞便会利用mRNA携带的基因信息合成S蛋白；随后，S蛋白会激活人体免疫系统，产生抗体和细胞免疫反应，从而起到预防新冠病毒感染的作用。

疫苗在投入临床使用前，必须满足两个基本条件：一是安全，二是有效。在mRNA疫苗研发初期，研究者发现，将病毒的mRNA直接注射到实验动物体内或人体内后，会引发强烈的非特异性免疫反应（炎症反应），甚至可能导致宿主死亡。此外，mRNA稳定性差，需要在极低的温度下储存和运输，在人体内表达效率低，无法产生足量蛋白（抗原），因此，难以有效激发免疫系统产生抗病毒能力（细胞免疫和体液免疫）。科学界和制药界在新冠疫情流行之前一直不看好mRNA疫苗的应用前景，许多研究人员在经过尝试后纷纷放弃。但是，卡里科和魏斯曼坚持研究mRNA，最终取得了重大发现，为人类利用mRNA制造疫苗和药物奠定了基础，扫清了障碍。

什么是核苷碱基修饰

卡里科和魏斯曼在研究中注意到，生物体内的树突状细胞（一种免疫细胞）将体外转录合成的mRNA识别为外源物质，从而导致这种免疫细胞被激活并释放炎症信号分子。因此，他们想弄清，为什么体外转录合成的mRNA（外源性mRNA）会被识别为外来物质，而实验动物自身的mRNA（内源性mRNA）却不会产生同样的反应。卡里科和魏斯曼意识到，一些关键特性会让机体区分出外源性mRNA和内源性mRNA。

卡里科和魏斯曼知道，哺乳动物细胞中RNA的碱基经常被化学修饰，而体外转录合成的mRNA则不会被修饰。这提示他们，体外转录合成的mRNA中没有改变的碱基可能是导致人体发生炎症反应的根本原因。

在随后的研究中，卡里科和魏斯曼通过实验进一步证实了mRNA的结构特征会导致先天免疫系统中的Toll样受体发生反应，从而引发炎症反应。Toll样受体是一种单次跨膜蛋白，可识别侵入体内的病原体，进而激活免疫细胞，在先天免疫系统中起关键作用。

那么，用什么物质修饰mRNA的结构才能避免机体产生炎症反应呢？为此，卡里科和魏斯曼设计并合成了不同的mRNA变体，每个变体的碱基都有独特的化学变化，然后将这些mRNA变体传递给树突状细胞。实验结果令人吃惊，当碱基修饰包含在mRNA中时，炎症反应几乎完全消失了。这表明，细胞有识别和响应不同形式的mRNA的范式和规则。

卡里科和魏斯曼在后来的研究中发现，令炎症反应消失的根本原因是假尿苷与尿苷的替换。他们发现，mRNA的一个碱基—尿嘧啶（U）与核糖有两种连接方式，在正常情况下会形成尿苷，但在特殊情况下可以形成假尿苷，这一微小的差别产生了截然不同的结果。卡里科和魏斯曼还发现，使用假尿苷代替尿苷后，能形成一种被修饰的mRNA，它能避开免疫系统的攻击，机体便不再出现炎症反应。这种“修饰”被称为核苷碱基修饰。

经过进一步研究后，两位科学家得出结论，经过核苷碱基修饰的mRNA既可以不受免疫系统的攻击，也能在进入目标细胞后更持久地保持活性，并相应地产生抗原或其他对抗外来病原体的蛋白质（抗体）。2005年，卡里科和魏斯曼正式发表了这项重要发现。

卡里科和魏斯曼在2008年和2010年发表的其他研究结果表明，与未经修饰的mRNA相比，向机体内递送经过核苷碱基修饰的mRNA显著增加了蛋白质产量。核苷碱基修饰不仅能减少炎症反应，还能增加蛋白质的产量，可以说，卡里科和魏斯曼已经消除了mRNA在临床应用上的关键障碍。

多领域合作研发新冠疫苗

从原理上讲，mRNA疫苗是将编码抗原的mRNA送入免疫细胞，免疫细胞以这些mRNA作为模板生产蛋白质；这些蛋白质会激活机体的免疫反应，指导机体识别并摧毁相应的病原体或癌细胞。

卡里科和魏斯曼的研究对研发mRNA疫苗厥功甚伟，但还有另一项研究也同样重要，即如何将mRNA完好无损地递送到免疫细胞中。为此，加拿大不列颠哥伦比亚大学的生物化学家皮特·库里斯发明了一项新“工具”—脂质纳米颗粒（LNP），这种微小脂滴能保护mRNA并将其送入免疫细胞中。在新冠疫情大流行时，率先上市的两款mRNA疫苗均使用脂质纳米颗粒作为递送载体。

2020年1月11日，中国疾病控制预防中心的张永振教授及其研究团队在病毒学网站（virological. org）上公布了新型冠状病毒全基因组序列。在该基因组序列确定两天之后，辉瑞公司、拜恩泰科公司和莫德纳公司便迅速跟进，全力投入研发mRNA疫苗的工作中，卡里科和魏斯曼也参与并指导了研发过程。

2020年12月，辉瑞公司和拜恩泰科公司共同研发的mRNA疫苗（代号为BNT162b2）以及莫德纳公司研发mRNA疫苗（代号为mRNA-1273）获得美国食品药品监督管理局的紧急使用授权（EUA），此后，有近200个国家和地区在抗御新冠疫情的过程中使用了这两款mRNA疫苗。

一般来说，研发一种全新的传统灭活疫苗需要5～10年，然而，在各领域科学家的共同努力下，mRNA新冠疫苗从研发到投入临床应用只用了11个月，可谓疫苗研发史上的一次壮举。

mRNA疫苗的“新角色”

由于mRNA新冠疫苗在遏制疫情上发挥了巨大作用，因而mRNA技术受到了前所未有的重视，很多研究人员投入研发其他mRNA疫苗的项目中，也取得了不少重要进展。

mRNA疫苗具有多种显著优势，例如，该疫苗能够模拟病毒的天然感染过程激活免疫系统，可激发潜在的、更强有力的免疫反应；多个mRNA可以被置入同一款疫苗中，以提高疫苗的适用性；mRNA疫苗的研发和生产更为迅速，可以对突发的流行性感染快速做出反应；不同的mRNA疫苗可以使用同一生产流程和设施，有利于节约成本。与传统灭活疫苗相比，mRNA疫苗的优点是易于设计、生产速度快、成本低、能诱导细胞免疫和体液免疫。此外，mRNA疫苗在短时间内会被降解和清除，不会在体内长期存在。当然，mRNA疫苗的反应原性（即疫苗产生不良反应的倾向）与传统的灭活疫苗相似，容易产生自身免疫反应的人也可能会对mRNA疫苗产生不良反应。

由于具备独特的优势，mRNA疫苗的研发正以惊人的速度扩展到各个领域。目前，针对狂犬病、寨卡病毒病、埃博拉出血热等传染病的mRNA疫苗以及针对癌症、自身免疫疾病、罕见遗传病的mRNA疫苗都在研发之中。

此外，mRNA不仅可以用来研发疫苗，还可以制成药物，即mRNA药物。其实，我们也可以将利用mRNA技术设计和生产的疫苗理解为一种mRNA药物。科学家目前已经研发出的mRNA药物主要分为三类：预防性疫苗、治疗性疫苗和治疗性药物。

其中，研究人员正在研发的mRNA癌症药物主要是治疗性疫苗和治疗性药物。mRNA癌症药物的基本原理是，通过个性化设计，利用mRNA序列编码肿瘤抗原，激活患者的免疫系统，使其对抗癌症。首先，从患者的肿瘤组织中获取样本，确定肿瘤抗原；然后，制备相应的mRNA，并递送到患者体内；一旦mRNA进入免疫细胞，细胞会合成肿瘤抗原，激活T细胞；被激活的T细胞会扩增并激活其他免疫细胞，攻击肿瘤细胞并抑制其生长和扩散。

不同的肿瘤有不同的抗原，目前发现的肿瘤抗原可以分为两大类：一是肿瘤相关抗原（TAA），它在肿瘤细胞表面高度表达，在健康细胞表面低度表达：二是肿瘤特异性抗原（TSA），它是肿瘤细胞突变产生的新生抗原，仅在肿瘤中表达，具有高度免疫原性。利用TSA会让疫苗具有特异性，即高效针对某一种癌症，但是现阶段研发的mRNA癌症疫苗主要还是利用TAA治疗癌症，效果也比较好。当然，未来的研发目标是利用TSA研制癌症疫苗。

卡里科供职的拜恩泰科公司正在研发各类癌症疫苗，如针对黑色素瘤、肠癌、皮肤癌、肺癌、头颈癌、前列腺癌和卵巢癌的mRNA疫苗，其中一些已经开展了2期临床试验。以黑色素瘤mRNA疫苗为例，研究人员以脂质纳米颗粒为载体，将包裹了编码4种黑色素瘤相关抗原的mRNA制成黑色素瘤疫苗—BNT111。

美国塔夫茨工程学院的研究人员针对患有黑色素瘤的小鼠设计了新的治疗方式。研究人员用微小的脂质气泡来包裹和传递编码黑色素瘤抗原的mRNA，当它与小鼠淋巴系统的细胞融合后，细胞可读取mRNA并产生黑色素瘤抗原，从而激活体内的免疫系统，产生抗体。与拜恩泰科公司以脂质纳米颗粒作为载体不同，塔夫茨工程学院的研究人员利用脂质气泡瞄准淋巴系统递送mRNA，结果产生了更好的免疫效果。

科学背后的人生故事

2023年诺贝尔生理学或医学奖揭晓后，卡里科和魏斯曼获得了无数祝福和赞誉，然而，在他们的研究获得学界认可之前，卡里科只是科学界的边缘人物。她生活窘迫，职位低、工资低，几乎没有人愿意资助她和魏斯曼的研究。

卡里科出生于匈牙利东部小镇小新萨拉什。小时候，卡里科家里没有自来水，也没有电视机和冰箱。她的父亲是屠夫，母亲是会计，家里开了一家肉店，小卡里科常去店里帮忙做香肠。1973年，卡里科考入匈牙利名校塞格德大学。在大学学习期间，她通过一场学术报告第一次听说了“信使RNA（mRNA）”，卡里科对这种神奇的分子产生了浓厚的兴趣。1978年，她决定攻读博士学位，重点研究mRNA的应用。

20世纪70年代，基因工程诞生，之后基因治疗应运而生，相关技术的研发均以DNA为目标，但卡里科认为mRNA更有前途。因此，毕业后，她选择进入匈牙利科学院塞格德生物研究中心生物物理研究所继续研究mRNA。1985年，塞格德生物研究中心因缺少经费开始裁员，卡里科被裁员后申请到了美国天普大学的博士后职位。当时卡里科的女儿只有两岁，夫妇俩在没有手机和信用卡的情况下便踏上了前往异国他乡的旅程。由于当时政府不允许普通人兑换超过100美元的现金，他们在黑市卖掉了车，把900英镑缝在女儿的泰迪熊里偷偷带出境。