信使RNA疫苗的前世今生
南方周末特约撰稿 汤波
信使RNA疫苗的主要发明人德鲁·魏斯曼（Drew Weissman）和卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）。
★在少数科学家的坚持下，信使RNA疫苗克服重重困难并最终获得成功。
为抗击新冠疫情，各国政府和企业正在以前所未有的速度推进各种新冠疫苗的研发和临床试验。目前，全球已批准十多种新冠疫苗的紧急使用申请，累计已注射超18亿剂疫苗。新冠疫苗无疑已成为全球抗击新冠疫情的有力武器，而信使RNA疫苗因其快捷方便的疫苗设计和强烈的免疫反应机制而备受关注。
一种小分子
随着两款保护率超过90%的新冠信使RNA疫苗在全球范围内被批准紧急使用，原本默默无闻的匈牙利裔生物学家卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）越来越受到媒体和公众的关注。此前，作为两届奥运会金牌得主、美国著名赛艇运动员苏珊·弗兰西亚(Susan Francia)的母亲，早年在降职、辞退边缘徘徊的卡里科可能偶尔被公众所知晓。但是一切都因为新冠疫情在全球肆虐而改变，卡里科因为与美国免疫学家德鲁·魏斯曼（Drew Weiss-man）在信使RNA疫苗领域的开创性研究被媒体广泛报道。过去两年，卡里科荣获了十多个奖项，甚至有人预测，卡里科很快将获得诺贝尔生理学或医学奖。
1982年从匈牙利塞格德大学获得博士学位之后不久，卡里科前往美国寻找科研生涯的新起点。1985年，卡里科在费城天普大学参加了一项临床试验，首次了解到RNA作为药物可以用于医学治疗，从此走上了一段曲折而坚定的RNA医学研究之路。
相比于生命遗传物质脱氧核糖核酸（DNA），RNA是一种结构简单而短小的单链核糖核酸。这种RNA很容易被细胞中的核酸酶等物质分解，在DNA被发现之后的80年里，科学家一直没能找到这种稍瞬即逝的小分子。直到20世纪60年代初，三位分别来自英国、法国和美国的科学家才发现了隐藏在DNA巨大阴影下的一种特殊的小分子RNA。
原来DNA是所有生命体的遗传物质，由DNA组成的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、胃蛋白酶帮忙将食物中的蛋白质分解成氨基酸等等。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，这个小分子就是信使RNA。顾名思义，信使RNA就是传递遗传信息的核糖核酸分子。对生物体来说，DNA是遗传信息的携带者，可以将遗传信息传递给下一代，因为DNA的双链结构非常稳定；
对细胞来说，DNA主要功能是指导细胞合成蛋白质，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。
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。但是信使RNA又跟疫苗有什么关系呢？
不受待见
其实疫苗的原理是模拟病原体攻击模式，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，用物理或化学方法将病毒杀死后制成的灭活疫苗，等等。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“缠住”病毒，病毒就像被捆住了手脚无法动弹，在一些免疫细胞的协助下，病毒被清除出体内，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抗体。
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，但是只有一小部分抗原能诱导免疫系统产生能特异性中和病毒等病原体的抗体。随着基因工程技术兴起，有人又发明了成分比较简单的抗原，比如亚单位基因工程疫苗，通常只含有一种蛋白质或多肽片段，这样更有针对性，安全性和有效性都能显著提高。这时候，有科学家开始动脑筋了，既然蛋白质可以作为疫苗，那么如果将某种病毒蛋白质的信使RNA注射到机体内，是不是就能借助细胞的蛋白合成系统来合成病毒蛋白质，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就进行过这样的尝试。他们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，不久在小鼠体内检测到荧光素酶的表达，首次证明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对活体动物具有较强的不良反应，这是因为这些外来的信使RNA在小鼠体内引发了严重的免疫反应，导致一些实验小鼠死亡。此时，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。
卡里科的坚持
自接触到RNA医学研究开始，卡里科就对RNA医学用途产生了浓厚兴趣，并希望开展这一方向的科学研究。从1990年开始，卡里科多次递交关于RNA医学用途的研究经费申请，以探索RNA单链分子如何治疗癌症、中风等各种疾病，以及预防流感等传染病。不过这一研究方向在政府基金部门、私人投资者那里都没有得到重视，卡里科的资金申请到处碰壁。
1995年，由于没有获得足够的科研经费，卡里科被宾夕法尼亚大学降职，只能担任低级别的研究职务，当然薪水也大幅缩减了，这对原本有希望升任正教授的科学家来说，简直是一次重大打击。屋漏偏遭连夜雨，这时卡里科被诊断出患有癌症，而且她的丈夫因为签证问题滞留匈牙利长达6个月。好在卡里科扛了过来，并且一直坚持将信使RNA的医用研究作为自己的主要研究方向。
转机出现在一场复印机的“争夺战”之后。1997年，卡里科遇到刚到宾夕法尼亚大学不久的著名免疫学教授德鲁·魏斯曼（Drew Weissman），两人因为争用复印机而相识。经过深入交流后，魏斯曼教授决定资助卡里科的研究。魏斯曼是免疫学家，之前也在开发HIV疫苗，因此他建议卡里科开发信使RNA在免疫方面的用途。这样，两人从此开始了在信使RNA疫苗方面的长期合作，其中最重要的一项研究是2005年发表出来的。
在这项发表在《免疫》杂志上的论文中，卡里科、魏斯曼和另外两位同事发现信使RNA中一些天然的核苷酸是造成机体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疫苗的开发奠定了关键基础。第二年，卡里科和魏斯曼共同创立了一家专注于RNA疗法的生物技术公司，但是这家小公司并不成功，只开展过一些动物实验，从没有将RNA疗法推进到临床试验阶段。
后来，卡里科、魏斯曼等人又对信使RNA疫苗进行了改进，并通过他们所在的宾夕法尼亚大学申请了专利。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、设计和研发周期短、生产成本低等等。不过在新冠疫情暴发之前，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的疫苗正在开发中，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等，但尚无一种被批准用于人类。
疫苗研发
尽管卡里科发表了六十多篇学术论文，引用次数超过1万次，但是她在宾夕法尼亚大学的职位没能更进一步，到目前为止也只是一名副教授。2013年，卡里科加入德国生物技术公司比昂泰克（BioNTech），担任该公司的副总裁和RNA疗法开发负责人。
比昂泰克公司2008年在德国美因茨大学校园里成立，一直致力于开发癌症等疾病的RNA疗法，受到很多风险投资的青睐。得益于卡里科的加盟，比昂泰克公司在RNA疗法方面突飞猛进，先后开发出一系列与RNA疫苗相关的关键技术，包括如何让RNA疫苗更稳定，更容易被递送到目标组织和细胞等等。2018年，在合作多年的基础上，比昂泰克公司又与美国医药巨头辉瑞公司联合开发一种针对流感病毒的RNA疫苗，并进入了人体临床试验。这成为了这两家医药公司合作开发新冠RNA疫苗的关键基础。
就在中国科学家首次公布新冠病毒RNA序列几天后，比昂泰克公司和辉瑞公司宣布联合研发出候选的新冠RNA疫苗BNT162b2，并迅速推进该疫苗的人体临床试验。BNT162b2是针对新冠病毒的刺突蛋白设计的信使RNA疫苗，刺突蛋白位于新冠病毒的表面，是新冠病毒入侵人体细胞的关键蛋白。BNT162b2疫苗通过静脉注射到体内后，会进入人体免疫细胞产生类似新冠病毒的刺突蛋白，免疫系统随即大量合成可结合刺突蛋白的抗体，这些抗体“大军”将用于抵抗真正的新冠病毒。
BNT162b2的人体临床试验是在2020年4月开始启动的，到11月临床III期试验即告结束。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，其对新冠病毒的有症状保护率可高达91%以上。从2020年12月开始，英国、美国、欧盟等超过80个国家和地区相继批准BNT162b2疫苗的紧急使用申请。辉瑞公司和德国比昂泰克公司计划将在2021年生产25亿剂疫苗。据2021年6月9日发表在《自然医学》杂志上的论文显示，通过从2020年12月1日至2021年5月8日收集到的近20万份接种者咽拭子PCR检测结果显示，接种两针BNT162b2疫苗之后，新冠病毒感染率实际降低了80%左右，显示出RNA疫苗强大的预防效果。
从疫苗设计、临床试验到获准上市不到一年时间，BNT162b2疫苗创造了疫苗研发历史上的奇迹。同样创造神话的还有美国摩德纳（Moderna）公司研发的新冠RNA疫苗mRNA-1273。2010年，摩德纳公司由加拿大干细胞生物学家、哈佛医学院副教授德里克·罗西(Derrick Rossi)与另外两人共同创立。正是因为阅读了卡里科和魏斯曼2005年发表在《免疫》杂志上那篇开创性论文之后，原本主要从事干细胞研究的罗西博士开始对RNA治疗产生浓厚兴趣，Moderna正是修饰的RNA之意。另外，摩德纳公司也曾经邀请卡里科加盟。
与BNT162b2疫苗一样，mRNA-1273疫苗也获得了卡里科和魏斯曼所发明的RNA疫苗专利的授权，两种均采取了修饰核苷酸技术，而且都采用纳米脂质体颗粒进行包装，以防止RNA过早被降解。mRNA-1273的临床试验也是2020年4月开启，临床III期试验招募了3万名志愿者，对有症状感染的保护率可高达94%。到2021年6月底为止，美国、加拿大、以色列等全球五十多个国家和地区先后批准了该疫苗的紧急使用。两种RNA疫苗对新冠病毒有症状感染的保护率均可达90%以上，高于传统疫苗的保护率。
并不是所有的RNA疫苗都会像BNT162b2疫苗和mRNA-1273这两款RNA疫苗表现出色。一家荷兰生物技术公司开发的另一款RNA疫苗由于没有对RNA进行核苷酸的人工修饰，导致其临床III期试验保护率不到50%，未达到世界卫生组织规定的疫苗最低上市标准，这也反映出卡里科和魏斯曼研究的重要性。
应对变异株
面对仍然在全球肆虐的新冠病毒，RNA疫苗等新冠疫苗研制成功并广泛在全球接种，而且RNA疫苗在面对变异的新冠病毒毒株时，仍然保持较强的保护率，无疑为全球抗击新冠肺炎疫情注入了强大信心。
新冠病毒最令人担忧的一个特点是变异，目前已有四种广泛传播的变异毒株，分别是最早在英国发现的阿尔法新冠变异毒株，最早在南非发现的贝塔变异毒株，最早在巴西发现的伽马变异毒株，以及最早发现于印度、最近在全球一百多个国家出现的德尔塔变异毒株。
据2021年5月5日发布在国际著名医学期刊《新英格兰医学杂志》上的一项临床研究结果显示，辉瑞和比昂泰克公司开发的BNT162b2疫苗对变异毒株表现良好。接种两针疫苗后，BNT162b2疫苗对阿尔法变异毒株的保护率比原始新冠病毒稍有降低，无症状感染、有症状感染和感染后住院风险的保护率均超过90%，而对贝塔变异毒株无症状感染的保护率下降较多，但仍然维持在75%左右，对感染住院风险保护率则高达100%。
据一项2021年5月20日发布在BioRxiv论文预印本网站上的研究报告显示，英国公共卫生部评估了BNT162b2等疫苗的预防效果，发现BNT162b2疫苗同样对德尔塔变异毒株表现良好。在第二次接种2周后，BNT162b2疫苗对阿尔法毒株有症状感染的保护率为93%，而对德尔塔变异毒株的保护效率仍然可达88%，相对而言英国阿斯利康开发的慢病毒载体新冠疫苗则只有约60%的保护率。另据苏格兰公共卫生机构发表在《柳叶刀》杂志上的数据显示，BNT162b2疫苗对德尔塔变异毒株的保护率下降至79%，但是仍维持较高水平。目前，摩德纳公司的mRNA-1273疫苗对变异病毒有效性研究数据还没有公布，预计与BNT162b2疫苗保护效果相当。
不过，RNA疫苗所面对的并非都是好消息。有报道称，RNA疫苗接种者身上出现了过敏、心肌炎等罕见不良反应率增高的现象。据以色列卫生部报道称，2020年12月至2021年5月期间，在接种BNT162b2疫苗的500万人次中，发现了275例心肌炎病例，显著高于心肌炎自然发生率，美国疾控中心也发现了类似情况，其中原因还有待进一步研究。另外，信使RNA疫苗存储和运输需要在零下15℃以下，甚至需零下60℃到80℃保存，这大大限制了该疫苗在低收入国家和地区的推广应用。
另据以色列卫生部发布的消息，自6月6日以来，辉瑞公司BNT162b2疫苗在预防感染和出现症状方面的有效性已从95%下降至64%。不过，该疫苗在预防感染住院或重症方面的有效性仍然有93%。
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