作者:王新宇 阮巧玲 张文宏 来源:华山感染微信公众号 发布时间:2023/10/5 10:53:08
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张文宏:mRNA疫苗技术落地是人类文明史上的又一次“盗火”

 

2023年10月2日下午5点45分,2023年诺贝尔生理学或医学奖花落卡塔林·卡里科(Katalin Karikó)和德鲁·维斯曼(Drew Weissman),他们因为研发的mRNA技术,推动COVID-19 的 mRNA 疫苗发展而获奖。

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如果没有新冠疫情大暴发,该技术在人类的应用可能还要等待更久时间。因为这个mRNA疫苗技术原本一直聚焦在肿瘤的治疗性疫苗研发,该技术在短期内就能研发各种不同于正常人体细胞的肿瘤细胞新抗原,进而诱发强烈的获得性免疫反应以期来治疗肿瘤。

让我们一起通过这篇文章了解新冠mRNA疫苗的研发始末,并了解卡塔林·卡里科和德鲁·维斯曼在此中的卓越贡献!

一、mRNA技术起源于科学家对人类基因的深入认知

1944年,洛克菲勒研究院的埃弗里等提出脱氧核糖核酸(DNA)是遗传的物质基础。1953年,沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构,开启了分子生物学时代,使遗传的研究深入到分子层次,“生命之谜”被打开,使人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。

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埃弗里提出DNA是遗传的物质基础

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。之后对其功能和生物学行为进行了充分的研究。科学界发现,在DNA和蛋白质之间有个“中间人”,负责传递信息,mRNA正是这个“中间人”。

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沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构

mRNA(Messenger RNA),又称为信使RNA,是由DNA的一条链作为模板转录而来的,携带遗传信息的能指导蛋白质合成的一类单链RNA。通俗来讲,mRNA复制了细胞核中双链DNA的一条链的遗传信息,随即离开细胞核在细胞质中生成蛋白质。在细胞质中,核糖体沿着mRNA移动,读取其碱基序列,并翻译成其相应的氨基酸,最终形成蛋白质。

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mRNA是由DNA的一条链作为模板转录而来,携带遗传信息的能指导蛋白质合成

1990年,威斯康星大学Wolff等才首次报道肌内注射mRNA到小鼠骨骼肌里,可以表达相应蛋白质并产生免疫反应。这揭示了mRNA技术用于疫苗研究的可能性。2年后,又有研究者将编码激素的mRNA,直接注射至小鼠大脑中,发现有缓解尿崩症的作用。这说明mRNA具备成为治疗性药物的潜力。

mRNA疫苗的原理是是将编码疾病特异性抗原的mRNA引入体内,利用宿主细胞的蛋白质合成机制产生抗原,从而触发免疫应答,从而达到预防疾病作用。如果将人体比作一台机器,那么数百万种微小的蛋白质便是维持机器运行的零部件,而mRNA则是制造零部件的总指挥

也就是说mRNA序列注射到人体后,跳过体外合成蛋白质的过程,直接在人体细胞内生产病原体免疫表位的蛋白,对免疫系统进行了“战前演习”,诱导识别病毒蛋白,从而产生对特定病原体的免疫记忆。当真正病原体进入人体时,免疫细胞如同训练有素的军人,快速识别病原体对其发动精准攻击。

二、mRNA技术用于疫苗研发的优势在哪里?

mRNA 疫苗技术路线相比更传统疫苗具有三个重要的优势:快速、安全和高效。

1)mRNA疫苗最为显而易见的优势就是快速。

和其他类别的疫苗相比,mRNA疫苗最大的优势在于一旦掌握病原体的基因序列,就可以很快研制出mRNA疫苗。mRNA疫苗技术因其在设计和构建上的快速性和对病毒变异的高度应变性,以及高效的通用性全合成生产工艺平台, 易于标准化生产等技术优势决定了其生产环节及研发周期短,工艺相对简单,疫苗能够迅速量产。

新冠病毒基因序列发布42天后,科学家就设计出了第一款mRNA疫苗。同时如果病毒变异导致疫苗失效,mRNA技术也可以在很短的时间内(1-2个月),改变mRNA序列,推出升级版的疫苗,以及时应对病毒变异。

可以说,单凭快速这个技术优势,就满足了传染病暴发时快速研发和大规模、低成本、灵活性生产应急性疫苗的技术要求,也是今后人类对抗新的传染病暴发的有利手段。

2)mRNA的第二个优势是安全。为什么这么说?

(1)和传统疫苗相比,从生产mRNA疫苗的过程来看,因为不需要大量培育活病毒,从而避免了疫苗生产过程中发生活病毒泄露的风险。当然,这个风险是可以通过严格的GMP制度来控制预防的。

(2)也是和传统疫苗相比,mRNA疫苗生产不会涉及感染性元素,因此不会发生由于类似脊髓灰质炎疫苗曾经发生过的种种感染风险(点击了解脊髓灰质炎疫苗的历史)。同样,严格的GMP制度也能保证,或者说最大程度上降低这种风险。

(3)对于各类核酸疫苗或者核酸药物而言,mRNA片段理论上不会进入细胞核,因此也不存在稳定整合到宿主细胞基因组的风险,也就是说mRNA疫苗不会改变人体细胞中的DNA遗传物质;相反,mRNA只是在人体细胞浆内短暂停留,一旦生产出蛋白质,疫苗的RNA链就会被降解。

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mRNA片段不进入细胞核,没有稳定整合到宿主细胞基因组的风险

(4)与传统灭活疫苗相比,mRNA疫苗通常不需要额外的免疫佐剂,因此也就避免了佐剂造成不良反应的风险。

当然,上述关于安全性的优势还有待于大规模的临床运用中得到验证,作为一种全新机制的疫苗,完善的上市后安全性监测必不可少。

3)mRNA疫苗的第三个优势是高效。

传统的灭活疫苗通过添加佐剂会影响体液免疫并增强抗体反应,但通常不能诱导细胞免疫。相比之下,基于基因的疫苗载体可以刺激体液免疫和细胞免疫,从而对传染原提供更大的选择压力。此外,mRNA疫苗只要设计核酸并加以合成就可以,无需在体外表达蛋白,因此有条件只做针对数个病毒的组合疫苗,只要把靶基因串联在一起就可能成功研制出组合疫苗,做到一苗多用,注射一种疫苗,可以同时预防多重疾病。比如将流感和新冠疫苗做在一起,多重病毒亚型做在一起,既方便又高效。

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mRNA疫苗能诱导有效的MHC I类限制性CD8+以及MHC II类限制性CD4+T细胞反应

三、mRNA 技术突破了人类免疫系统对外来核酸的识别和消除

虽然,mRNA疫苗从理论上来看,具有这么多的优势,但为何直到新冠疫情暴发前,却一直没有任何一款mRNA疫苗问世呢?我们接着往下说。

长期以来,mRNA 作为疫苗的研究,因为受到分子的不稳定性、免疫刺激不足和mRNA 递送时的低表达水平的阻碍而进展缓慢。幸好科学家们没有因此放弃,经过20多年的时间,将上述难题逐一攻克了。

对于mRNA分子的不稳定性,这个问题是最早被搞定的。科学家们认识到,RNA之所以不稳定,是因为我们的环境中存在大量可以分解RNA的酶RNase,只要防止接触RNase,或者通过试剂消除容器中的RNase,RNA 反而是一种相对稳定的物质。并且可以以冻干形式在环境温度下长期储存,极大地促进了分配和储存 。

第二个难题是不能产生足够的免疫反应,这个问题是最致命的,如果解决不好,mRNA疫苗的研发就会前功尽弃。

科学家们将最初在实验室设计合成得到的mRNA疫苗进行动物实验时,发现这些mRNA在小鼠身上不能产生任何设想中的免疫反应,也就是说疫苗没有发挥作用。这是什么原因呢?经过反复深入的研究,科学家们才发现原来小鼠免疫系统将mRNA当做了外来物,直接发起免疫反应将mRNA给清理掉。这对于之前信心满满的科学家是当头一棒。

来自匈牙利生物化学家宾夕法尼亚大学的卡塔林·卡里科(Katalin Karikó)致力于开发利用mRNA进行治疗的方法。她与免疫学家德鲁·维斯曼(Drew Weissman)就这个难题开展了卓有成效的合作,找到mRNA的“致命弱点”。并通过mRNA修饰技术,成功解决了这一难题。

他们发现哺乳动物细胞RNA中的碱基经常被化学修饰,而在试管内转录的mRNA不是。他们想知道是否缺乏改变的碱基在试管内转录的RNA可以解释不必要的炎症反应。为了研究这一点,他们产生了不同的mRNA变体,每种变体的碱基都有独特的化学变化,然后将它们传递给树突细胞。结果是惊人的:当mRNA中包含碱基修饰时,炎症反应几乎消失。

他们证明,mRNA之所以能引起宿主的免疫反应,关键在于一种叫做尿嘧啶的核苷酸。如果能修改其核苷部分,创造一个假尿嘧啶代替原来成分,就能大大降低树突状细胞识别出该mRNA的可能性,从而躲避免疫应答。这是我们对细胞如何识别不同形式的mRNA并对其做出反应的理解的范式转变。卡里科和维斯曼立即意识到他们的发现对使用mRNA作为治疗手段具有深远的意义。

他们的研究发表于2005年,比新冠疫苗的研发足足早了15年。这一难题的解决也就是卡里科和维斯曼此次荣获诺贝尔生理学或医学奖的原因。

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卡里科和维斯曼通过mRNA修饰技术解决了mRNA被宿主固有免疫识别和清除的难题

此外,另一个难题也有待解决。理论上mRNA无所不能,但很难进入临床研究,很大一个原因是mRNA进入人体非常低效,也就是缺乏一种有效的载体帮助mRNA进入细胞。2015年科学家将mRNA制成微小脂肪粒,称为脂质纳米颗粒(Lipid Nanoparticles, LNPs),以提高稳定性并使其更容易进入细胞,显著改善了mRNA疫苗的信息传递效率。

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LNP显著改善了mRNA疫苗的传递效率

脂质纳米颗粒具有较好的生物相容性和生物降解性。纳米药物最显着的特性是高表面积体积比,这实现了高效的药物包装。封装的药物受到保护,免于降解和免疫清除,并且由于有效的药物包装,可以大大降低给药剂量。当然,LNP还是有一定的反应原性,可能会造成接种者大概100万分之几的比例出现严重的过敏症状,技术上有进一步改进的空间。

至此,mRNA疫苗卡脖子的难题被逐一突破,全新的mRNA疫苗呼之欲出。

四、为什么是新冠大暴发才促成mRNA技术的落地?

2020年新冠疫情暴发,mRNA疫苗得以一战成名。其实在新冠疫苗之前,大部分关于mRNA疫苗的早期工作都集中在癌症方面。癌症疫苗是治疗性的,而不是预防性的,旨在针对肿瘤细胞优先表达的肿瘤相关抗原,因此,刺激细胞介导的免疫反应,能够减少肿瘤负担。

目前针对癌症领域的mRNA疫苗涉及的临床试验适应症包括了乳腺癌、非小细胞肺癌、黑色素瘤、多发性骨髓瘤等,其中也有多项临床试验已经进入了Ⅱ期临床研究阶段。

同时,目前在针对感染病领域mRNA疫苗开展的临床研究有很多,其中适应症包括了狂犬病、人偏肺病毒、寨卡病毒、巨细胞病毒和HIV等,其中针对HIV的多项临床试验已经进入了Ⅱ期临床研究阶段。

除了在癌症和传染病方面,最近的动物研究结果表明,RNA疫苗还有可能用于预防或治疗过敏和自身免疫性疾病。

如果没有新冠疫情发生,上述关于mRNA疫苗的研究正在不急不慢地进行中,原本估计要出现获批的RNA疫苗大概至少还需要5到7年的时间。

不过在新冠疫情中,前所未有的合作环境和政府投资彻底改变了一切,几个月内就通过有效性数据和大规模应用为疫苗提供了概念性验证。政府支持帮助制造商在风险中扩大规模,同时获取了第一批有效性数据。

2020年7月,III期临床试验开始。当III期临床研究完成,疫苗准备提交监管部门批准时,企业就已经开始大规模生产储备。

2020年11月16日,Moderna公布了III期临床数据,30000名接种者中,疫苗有效率94.5%,重症保护力100%。11 月 9 日,BioNTech的III 期临床数据公布,mRNA 疫苗有效率超过 90%。

2020年12月,两家公司的新冠mRNA疫苗先后在多国获批上市。人类也随之拉开了大规模疫苗接种的序幕。

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美国国家过敏和传染病研究所的安东尼?福奇和约翰?马斯科拉曾经在《自然免疫学评论》杂志上写道:mRNA有可能成为一个快速灵活的疫苗平台。由基因序列开始,几周内就可以生产出mRNA疫苗。

2020年新冠疫情暴发,mRNA技术刚好准备就绪,成就了一次天时地利的历史巧合。经过约40年的上下求索后,mRNA技术终于迎来全新篇章。从新冠疫苗起步,到癌症治疗,未来mRNA技术或许能够逐步涉足更多疾病领域。

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张文宏教授点评

mRNA疫苗技术落地是人类文明史上的又一次“盗火”,预示可能会带来生物医药领域的巨变

人类识别外来病原体的核酸并诱导强烈的炎症反应,通过炎症反应消除病原体是人类进化中形成的保护机制,可以有效识别各种蛋白和核酸。天然免疫细胞可以识别DNA或者RNA病毒的核酸, 进而诱发强烈的炎症反应,同时对病毒抗原进行呈递,诱导获得性免疫,达到消除病原体的目的。这是人类在自然界生存数百万年的免疫力密码,但mRNA 疫苗注射后也会像病毒一样,被人类的免疫系统识别,诱发炎症反应,最终被迅速降解,就不能继续表达疫苗靶蛋白,起到疫苗的作用了。mRNA疫苗技术的落地正好是绕过了人类数百万年形成的核酸识别与炎症反应,让mRNA疫苗实现在体内靶向分子的表达,这一技术落地是人类科学的又一次底层技术突破,会带来我们难以预计的生物医药领域巨变。

从疫苗的发展史来看,就时间线上而言,减毒活疫苗和灭活疫苗最早来到科学舞台上,是科学家针模拟人类感染病原体后产生免疫力的过程,来完成了一次与自然感染接近的过程,进而获得了免疫力,比如天花病毒疫苗、水痘病毒疫苗、麻疹病毒疫苗都是属于这一类,这些疫苗在人类历史上消除传染病流行立下了不灭的功勋。随后是重组蛋白疫苗等组分疫苗问世,这一代的疫苗是通过模拟病毒一些重要蛋白而制作的靶向疫苗,人体针对这些病毒组分产生抗体和免疫反应,起到建立免疫力的作用,针对特定的组分产生的免疫力会更强,像乙肝疫苗就是这一类疫苗,目前我国2000年后出生的群体几乎人人接种了乙肝疫苗,因此2000年以后出生的人口中,几乎很少有人感染乙肝病毒了。mRNA属于核酸疫苗,新冠疫情中首次用于人类对抗疾病,系通过直接注射mRNA在体内表达特异性蛋白来保持持续的免疫应答,建立很强的免疫力。由于在疫苗的制造工艺上不需要再进行蛋白的表达和纯化,只要合成基因就可以了,对疫苗的制造工艺而言是一次极大的技术突破,用于应对新冠这样的突发传染病,优势非常明显。但更为重要的是这类技术的临床应用从此打开了一个新的天地。

人类文明从掌握用火的技术开始,自此人类的发展日新月异,从沃森发现DNA双螺旋结构,继而明白了基因复制和翻译功能蛋白的秘密,直至这次通过mRNA 技术用于疫苗的研发和应用,以及应对大流行的成功,标志着人类掌握了直接输注核酸在体内表达所需要的疫苗成分或者其他疾病治疗所需要的蛋白组分,对于肿瘤性疾病、遗传性疾病、免疫性疾病,将带来极大的前景。

 
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