2023诺贝尔医学生理学奖：mRNA疫苗发明者

2022年度诺贝尔医学或生理学奖由Weissman和Karikó共享，以表彰其在mRNA疫苗领域的贡献。《新英格兰医学杂志》（NEJM）曾发表文章，详细介绍Drew Weissman和Dr. Katalin Karikó博士的伟大贡献。

感恩mRNA疫苗In Gratitude for mRNA VaccinesStuart LMN Engl J Med 2021; 385:1436-1438
制造疫苗的工作常被说成吃力不讨好。用世界上最伟大的公共卫生医师之一Bill Foege的话来说，就是：“没有人会因为你把他从不知道自己会得的疾病中救出而感谢你。”
但公共卫生医师认为疫苗投资回报极高，因为疫苗可预防死亡和残疾，尤其是为儿童接种疫苗。那么，为什么我们没有为更多可通过疫苗预防的疾病制造出疫苗呢？原因是疫苗必须效力高且安全性好，只有这样，用于健康人才是合理的，而这使得疫苗研发过程漫长而艰难。
2020年之前，疫苗从最初设想到获得许可的平均时间是10～15年，最短时间是4年（腮腺炎疫苗）。因此，在11个月内研发出COVID-19疫苗是一项非凡壮举，而使其成为可能的是对新疫苗平台（最突出的是mRNA）进行的多年基础研究。其中，2021年拉斯克临床医学研究奖获得者Drew Weissman和Dr. Katalin Karikó博士的贡献尤为重要。
核酸疫苗背后的原理根植于沃森和克里克的中心法则，即DNA转录成mRNA，mRNA再翻译成蛋白质。近30年前，研究表明将DNA或mRNA引入细胞或任何活体都将表达由核酸序列决定的蛋白质。此后不久，在外源性DNA表达的蛋白质被证明可诱导保护性免疫应答之后，核酸疫苗概念得到了验证。然而，DNA疫苗真实世界应用受到了限制，最初是因为与DNA整合入人基因组相关的安全问题，后来是因为难以扩大高效递送DNA到细胞核内的规模。
相比之下，mRNA虽然易发生水解，但似乎更易操作，因为mRNA在细胞质内发挥功能，因而无须将核酸递送到细胞核内。而Weissman和Karikó数十年的基础研究，包括最初在他们自己实验室的研究和后来授权给两家生物技术公司（Moderna和BioNTech）之后的研究，才让mRNA疫苗成真。二人取得成功的关键是什么？
他们克服了几个障碍。mRNA可被先天免疫系统模式识别受体（图1）识别，包括toll样受体家族成员（TLR3和TLR7/8，分别感知双链RNA和单链RNA）和维甲酸诱导基因I蛋白（RIG-I）通路，进而诱导炎症反应和细胞死亡（RIG-I是胞质模式识别受体，可识别短双链RNA并激活Ⅰ型干扰素，从而激活适应性免疫系统）。因此，向动物体内注射mRNA会导致休克，这提示为了避免不可接受的副作用，可用于人体的mRNA剂量可能有限。
为探索减轻炎症的方法，Weissman和Karikó开始了解模式识别受体区分病原体来源RNA和自身RNA的方式。他们观察到许多细胞内RNA（例如丰富的核糖体RNA）经过高度修饰，并推测这些修饰可使自身RNA逃逸免疫识别。
一个关键突破是Weissman和Karikó证明用假尿苷代替尿苷修饰mRNA可减弱免疫激活能力，但同时保留编码蛋白质能力。这一修饰使蛋白质生成增多，可达到未经修饰mRNA的1,000倍，原因是经过修饰的mRNA可逃逸蛋白激酶R识别（蛋白激酶R是识别RNA、然后将翻译起始因子eIF-2α磷酸化和激活、进而关闭蛋白质翻译的传感器）。经过假尿苷修饰的mRNA是Moderna和辉瑞-BioNTech所研发并已获得许可的mRNA疫苗主干。

图1. 在疫苗中应用未经修饰mRNA和经过修饰mRNA时细胞识别和临床结局

如图A所示，引入细胞内的未经修饰mRNA与内体和胞质模式识别受体结合，诱导细胞死亡或炎症反应。此外，蛋白激酶R识别未经修饰mRNA后会关闭蛋白质合成并降低抗原表达水平。含未经修饰mRNA的疫苗反应原性较高，治疗窗窄，免疫原性较低。如图B所示，通过添加假尿苷方式修饰mRNA不与细胞内和胞质模式识别受体结合，表现为炎症和细胞死亡均减少。经过修饰的mRNA不会激活蛋白激酶R，因此蛋白质持续表达，免疫原性强。在临床应用中，与含有未经修饰mRNA疫苗相比，含有经过修饰mRNA疫苗反应原性低，治疗窗宽，免疫原性高。IRF表示干扰素调节因子，NF表示核因子，RIG-I表示维甲酸诱导基因I蛋白，TLR 表示toll样受体。

最后的突破是确定使mRNA免于发生水解的最佳包装方式，以及使其进入细胞质的最佳递送方式。多种mRNA制剂已在针对其他病毒的多种疫苗中进行过试验。2017年，来自此类试验的临床证据证明，采用脂质纳米颗粒包裹和递送mRNA疫苗可增强免疫原性，同时维持可控的安全性。
在动物中开展的支持性研究表明，脂质纳米颗粒靶向引流淋巴结中抗原呈递细胞，并通过诱导特定类型滤泡CD4辅助性T细胞激活的方式辅助应答。此类T细胞可增加抗体生成量、长寿浆细胞数量和成熟B细胞应答程度。目前获得许可的两种COVID-19 mRNA疫苗均采用脂质纳米颗粒制剂。
非常幸运，基础研究领域的这些进展在疫情大流行之前完成，因而制药公司可以蓄势待发，一举成功。mRNA疫苗安全、有效且可量产；目前已接种超过10亿剂mRNA疫苗，而2021年和2022年可否将疫苗产量进一步扩大至20亿～40亿剂对于全球抗击COVID-19疫情至关重要。遗憾的是，这些救命手段可及性存在严重不平等，目前mRNA疫苗大多在高收入国家接种；而在疫苗达到最大产量之前，不平等将持续存在。
更广义地说，mRNA预示着疫苗学领域的新曙光，为我们提供了预防其他传染病的机会，例如改进流感疫苗，以及为疟疾、HIV和结核等导致大量患者死亡且常规方法相对无效的疾病研发疫苗。癌症等疾病因为疫苗研发成功概率低且需要个体化疫苗，以前认为难以对付，现在我们也可以考虑为其研发疫苗。mRNA意义不仅在于疫苗。我们迄今为患者注射的mRNA已达到数十亿剂，证明了其安全性，这为其他RNA疗法铺平了道路，例如蛋白质替代、RNA干扰和CRISPR-Cas（规律成簇的间隔短回文重复序列和相关Cas核酸内切酶）基因编辑。RNA革命刚刚开启。
Weissman和Karikó的科学成就已挽救数百万人生命，而Karikó职业历程也令人动容，这不是因为其独特，而是因为其普遍。她来自一个东欧国家，出身于平民，后来移民到美国追求科学梦想，结果却挣扎于美国的终身教职制度、多年岌岌可危的科研经费，直至降职。她甚至为维持实验室运转和继续开展研究而同意减薪。Karikó的科学之旅十分艰难，而在学术界工作的许多女性、移民和少数族群都对此并不陌生。如果你曾有幸见过Karikó博士，你会发现她体现了谦逊二字的本意；可能正是过去经历的艰辛让她脚踏实地。
Weissman和Karikó的艰辛工作和伟大成就体现了科学进程的方方面面。不积跬步，无以至千里。他们的工作漫长而艰辛，需要坚韧、智慧和远见。我们当然不能忘记世界上仍有许多人没有机会接种疫苗，与此同时我们这些有幸接种COVID-19疫苗的人也感激疫苗的保护作用。祝贺两位基础科学家，正是他们的杰出工作使mRNA疫苗成真。我要和许多人一起，向他们表达无尽的感激之情。