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1 在新冠疫情暴發(fā)前，mRNA并不是有公眾吸引力的科學術語，也從沒有任何一個國家批準過mRNA疫苗，可以說mRNA就是通過新冠疫情一戰(zhàn)成名的。 從疫苗的發(fā)展過程來看，如果把減毒活疫苗和滅活疫苗歸類為第一代疫苗，把重組蛋白疫苗等組分疫苗歸為第二代疫苗的話，第三代疫苗主要是指核酸疫苗。讀過疫苗簡史之前內(nèi)容的讀者知道，第一和第二代疫苗是目前正在人群中大規(guī)模使用的疫苗的主力，而在新冠疫情前尚無一款正式獲批大規(guī)模用于臨床的核酸疫苗。 核酸疫苗主要分為DNA型疫苗和RNA型疫苗。mRNA疫苗屬于RNA型核酸疫苗。目前緊急授權獲批的新冠核酸疫苗都是mRNA疫苗。 2  埃弗里提出DNA是遺傳的物質(zhì)基礎 1944年，洛克菲勒研究院的埃弗里等提出脫氧核糖核酸（DNA）是遺傳的物質(zhì)基礎。1953年，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu)，開啟了分子生物學時代，使遺傳的研究深入到分子層次，“生命之謎”被打開，使人們清楚地了解遺傳信息的構(gòu)成和傳遞的途徑。  沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu) 1961年，在加州理工學院的一個實驗室，科學家首次成功提取到mRNA。之后對其功能和生物學行為進行了充分地研究。科學界發(fā)現(xiàn)，在DNA和蛋白質(zhì)之間有個“中間人”，負責傳遞信息，mRNA正是這個“中間人”。 mRNA（Messenger RNA），又稱為信使RNA，是由DNA的一條鏈作為模板轉(zhuǎn)錄而來的，攜帶遺傳信息的能指導蛋白質(zhì)合成的一類單鏈RNA。通俗來講，mRNA復制了細胞核中雙鏈DNA的一條鏈的遺傳信息，隨即離開細胞核在細胞質(zhì)中生成蛋白質(zhì)。在細胞質(zhì)中，核糖體沿著mRNA移動，讀取其堿基序列，并翻譯成其相應的氨基酸，最終形成蛋白質(zhì)。  mRNA是由DNA的一條鏈作為模板轉(zhuǎn)錄而來，攜帶遺傳信息的能指導蛋白質(zhì)合成 1990年，威斯康星大學Wolff等才首次報道肌內(nèi)注射mRNA到小鼠骨骼肌里，可以表達相應蛋白質(zhì)并產(chǎn)生免疫反應。這揭示了mRNA技術用于疫苗研究的可能性。2年后，又有研究者將編碼激素的mRNA，直接注射至小鼠大腦中，發(fā)現(xiàn)有緩解尿崩癥的作用。這說明mRNA具備成為治療性藥物的潛力。 mRNA疫苗的原理是是將編碼疾病特異性抗原的mRNA引入體內(nèi)，利用宿主細胞的蛋白質(zhì)合成機制產(chǎn)生抗原，從而觸發(fā)免疫應答，從而達到預防疾病作用。如果將人體比作一臺機器，那么數(shù)百萬種微小的蛋白質(zhì)便是維持機器運行的零部件，而mRNA則是制造零部件的總指揮。 也就是說mRNA序列注射到人體后，跳過體外合成蛋白質(zhì)的過程，直接在人體細胞內(nèi)生產(chǎn)病原體免疫表位的蛋白，對免疫系統(tǒng)進行了“戰(zhàn)前演習”，誘導識別病毒蛋白，從而產(chǎn)生對特定病原體的免疫記憶。當真正病原體進入人體時，免疫細胞如同訓練有素的軍人，快速識別病原體對其發(fā)動精準攻擊。 3 使用 mRNA 作為疫苗開發(fā)的技術路線比更傳統(tǒng)的疫苗具有三個重要的優(yōu)勢：快速、安全和高效。 mRNA疫苗最為顯而易見的優(yōu)勢就是快速。 和其他類別的疫苗相比，mRNA疫苗最大的優(yōu)勢在于一旦掌握病原體的基因序列，就可以很快研制出mRNA疫苗。mRNA疫苗技術因其在設計和構(gòu)建上的快速性和對病毒變異的高度應變性，以及高效的通用性全合成生產(chǎn)工藝平臺， 易于標準化生產(chǎn)等技術優(yōu)勢決定了其生產(chǎn)環(huán)節(jié)及研發(fā)周期短，工藝相對簡單，疫苗能夠迅速量產(chǎn)。 新冠病毒基因序列發(fā)布42天后，科學家就設計出了第一款mRNA疫苗。同時如果病毒變異導致疫苗失效，mRNA技術也可以在很短的時間內(nèi)（1-2個月），改變mRNA序列，推出升級版的疫苗，以及時應對病毒變異。 可以說，單憑快速這個技術優(yōu)勢，就滿足了傳染病暴發(fā)時快速研發(fā)和大規(guī)模、低成本、靈活性生產(chǎn)應急性疫苗的技術要求，也是今后人類對抗新的傳染病暴發(fā)的有利手段。 mRNA的第二個優(yōu)勢是安全。為什么這么說？ （1）和傳統(tǒng)疫苗相比，從生產(chǎn)mRNA疫苗的過程來看，因為不需要大量培育活病毒，從而避免了疫苗生產(chǎn)過程中發(fā)生活病毒泄露的風險。當然，這個風險是可以通過嚴格的GMP制度來控制預防的。 （2）也是和傳統(tǒng)疫苗相比，mRNA疫苗生產(chǎn)不會涉及感染性元素，因此不會發(fā)生由于類似脊髓灰質(zhì)炎疫苗曾經(jīng)發(fā)生過的種種感染風險（點擊了解脊髓灰質(zhì)炎疫苗的歷史）。同樣，嚴格的GMP制度也能保證，或者說最大程度上降低這種風險。 （3）和DNA疫苗相比，mRNA片段理論上不會進入細胞核，因此也不存在穩(wěn)定整合到宿主細胞基因組的風險，也就是說mRNA疫苗不會改變?nèi)梭w細胞中的DNA遺傳物質(zhì)；相反，mRNA只是在人體細胞漿內(nèi)短暫停留，一旦生產(chǎn)出蛋白質(zhì)，疫苗的RNA鏈就會被降解。當然，這個DNA疫苗的這個風險也只是理論上存在，目前的研究中還沒有發(fā)現(xiàn)。  mRNA片段不進入細胞核，沒有穩(wěn)定整合到宿主細胞基因組的風險 （4）與傳統(tǒng)滅活疫苗相比，mRNA疫苗通常不需要額外的免疫佐劑，因此也就避免了佐劑造成不良反應的風險。 當然，上述關于安全性的優(yōu)勢還有待于大規(guī)模的臨床運用中得到驗證，作為一種全新機制的疫苗，完善的上市后安全性監(jiān)測必不可少。 mRNA疫苗的第三個優(yōu)勢是高效。 傳統(tǒng)的滅活疫苗通過添加佐劑會影響體液免疫并增強抗體反應，但通常不能誘導細胞免疫。相比之下，基于基因的疫苗載體可以刺激體液免疫和細胞免疫，從而對傳染原提供更大的選擇壓力。 值得注意的是，mRNA疫苗能誘導有效的MHC I類限制性CD8+以及MHC II類限制性CD4+T細胞反應。細胞質(zhì)中免疫原的產(chǎn)生和積累可以被有效地處理，并且表位與細胞表面的MHC I類分子聯(lián)合呈現(xiàn)。  mRNA疫苗能誘導有效的MHC I類限制性CD8+以及MHC II類限制性CD4+T細胞反應 4 雖然，mRNA疫苗從理論上來看，具有這么多的優(yōu)勢，但為何直到新冠疫情暴發(fā)前，卻一直沒有任何一款mRNA疫苗問世呢？我們接著往下說。 長期以來，mRNA 作為疫苗的研究，因為受到分子的不穩(wěn)定性、免疫刺激不足和mRNA 遞送時的低表達水平的阻礙而進展緩慢。幸好科學家們沒有因此放棄，經(jīng)過20多年的時間，一個個將上述難題克服了。 對于mRNA分子的不穩(wěn)定性，這個問題是最早被搞定的?？茖W家們認識到，RNA之所以不穩(wěn)定，是因為我們的環(huán)境中存在大量可以分解RNA的酶RNase，只要防止接觸RNase，或者通過試劑消除容器中的RNase，RNA 反而是一種相對穩(wěn)定的物質(zhì)。并且可以以凍干形式在環(huán)境溫度下長期儲存，極大地促進了分配和儲存 。 第二個難題是不能產(chǎn)生足夠的免疫反應，這個問題是最致命的，如果解決不好，mRNA疫苗的研發(fā)就會前功盡棄。 科學家們將最初在實驗室設計合成得到的mRNA疫苗進行動物實驗時，發(fā)現(xiàn)這些mRNA在小鼠身上不能產(chǎn)生任何設想中的免疫反應，也就是說疫苗沒有發(fā)揮作用。這是什么原因呢？經(jīng)過反復深入的研究，科學家們才發(fā)現(xiàn)原來小鼠免疫系統(tǒng)將mRNA當做了外來物，直接發(fā)起免疫反應將mRNA給清理掉。這對于之前信心滿滿的科學家是當頭一棒。 通過進一步的研究，科學家們發(fā)現(xiàn)雖然mRNA會被小鼠的免疫系統(tǒng)清除，但是和mRNA同屬于RNA家族成員的tRNA（轉(zhuǎn)運RNA）卻能成功躲過免疫系統(tǒng)的追蹤。反復比對mRNA和tRNA的組成后，科學家終于發(fā)現(xiàn)了兩者的差別。 2005年美國國立衛(wèi)生研究院（NIH） 賓夕法尼亞大學的研究人員卡里科（Katalin Kariko）和德魯·維斯曼（Drew Weissman）通過mRNA修飾技術，成功解決了這一難題。兩人聯(lián)名發(fā)表論文，稱找到mRNA的“致命弱點”。  卡里科和維斯曼通過mRNA修飾技術解決了mRNA被宿主固有免疫識別和清除的難題 論文證明，mRNA之所以能引起宿主的免疫反應，關鍵在于一種叫做尿嘧啶的核苷酸。如果能修改其核苷部分，創(chuàng)造一個假尿嘧啶、代替原來成分，就能大大降低樹突狀細胞識別出該mRNA的可能性，從而躲避免疫應答。 此外，另一個難題也有待解決。理論上mRNA無所不能，但很難進入臨床研究，很大一個原因是mRNA進入人體非常低效，也就是缺乏一種有效的載體幫助mRNA進入細胞。 2015年科學家將mRNA制成微小脂肪粒，稱為脂質(zhì)納米顆粒（Lipid Nanoparticles, LNPs），以提高穩(wěn)定性并使其更容易進入細胞，顯著改善了mRNA疫苗的信息傳遞效率。  LNP顯著改善了mRNA疫苗的傳遞效率 脂質(zhì)納米顆粒具有較好的生物相容性和生物降解性。納米藥物最顯著的特性是高表面積體積比，這實現(xiàn)了高效的藥物包裝。封裝的藥物受到保護，免于降解和免疫清除，并且由于有效的藥物包裝，可以大大降低給藥劑量。當然，LNP還是有一定的反應原性，可能會造成接種者大概100萬分之幾的比例出現(xiàn)嚴重的過敏癥狀，技術上有進一步改進的空間。 至此，mRNA疫苗卡脖子的難題被逐一突破，全新的mRNA疫苗呼之欲出。 5 2020年新冠疫情暴發(fā)，mRNA疫苗得以一戰(zhàn)成名。其實在新冠疫苗之前，大部分關于mRNA疫苗的早期工作都集中在癌癥方面。癌癥疫苗是治療性的，而不是預防性的，旨在針對腫瘤細胞優(yōu)先表達的腫瘤相關抗原，因此，刺激細胞介導的免疫反應，能夠減少腫瘤負擔。 目前針對癌癥領域的mRNA疫苗涉及的臨床試驗適應癥包括了乳腺癌、非小細胞肺癌、黑色素瘤、多發(fā)性骨髓瘤等，其中也有多項臨床試驗已經(jīng)進入了Ⅱ期臨床研究階段。 同時，目前在針對感染病領域mRNA疫苗開展的臨床研究有很多，其中適應癥包括了狂犬病、人偏肺病毒、寨卡病毒、巨細胞病毒和HIV等，其中針對HIV的多項臨床試驗已經(jīng)進入了Ⅱ期臨床研究階段。 除了在癌癥和傳染病方面，最近的動物研究結(jié)果表明，RNA疫苗還有可能用于預防或治療過敏和自身免疫性疾病。 如果沒有新冠疫情發(fā)生，上述關于mRNA疫苗的研究正在不急不慢地進行中，原本估計要出現(xiàn)獲批的RNA疫苗大概至少還需要5到7年的時間。 不過在新冠疫情中，前所未有的合作環(huán)境和政府投資徹底改變了一切，幾個月內(nèi)就通過有效性數(shù)據(jù)和大規(guī)模應用為疫苗提供了概念性驗證。政府支持幫助制造商在風險中擴大規(guī)模，同時獲取了第一批有效性數(shù)據(jù)。 2020年7月，III期臨床試驗開始。當III期臨床研究完成，疫苗準備提交監(jiān)管部門批準時，企業(yè)就已經(jīng)開始大規(guī)模生產(chǎn)儲備。 11月16日，Moderna公布了III期臨床數(shù)據(jù)，30000名接種者中，疫苗有效率94.5%，重癥保護力100%。2020 年 11 月 9 日，BioNTech的III 期臨床數(shù)據(jù)公布，mRNA 疫苗有效率超過 90%。  2020年12月，兩家公司的新冠mRNA疫苗先后在多國獲批上市。人類也隨之拉開了大規(guī)模疫苗接種的序幕。 6 新冠疫情暴發(fā)后，除了目前已經(jīng)獲批附條件上市或授權緊急使用的幾款滅活疫苗，腺病毒載體疫苗和重組蛋白疫苗外，我國對于mRNA疫苗也早有部署，相關正在穩(wěn)定推進中，并且獲得了新的突破。 2020年7月23日，在國際頂級期刊《細胞》上，我國科學家報道了自主研發(fā)的首個針對新冠病毒的耐高溫mRNA疫苗，該疫苗被稱為ARCoV。  我國自主研發(fā)的mRNA疫苗ARCoV 相較于國外兩款mRNA疫苗，ARCoV疫苗的差異在于可在2-8℃環(huán)境下保存，遠低于國外mRNA疫苗-70℃（BioNTech）或-20℃（Moderna）儲存的苛刻要求。  BioNTech的mRNA疫苗需要在-70℃儲存 在《細胞》上公布的動物試驗中，我國科學家發(fā)現(xiàn)ARCoV具有出色的熱穩(wěn)定性，將疫苗最長在常溫中儲存7天，然后將它注射到小鼠體內(nèi)仍然有效。這使得原本mRNA疫苗對于超低溫冷鏈配送的要求大大降低。 目前這款由中國自主研發(fā)的mRNA疫苗已進入III期臨床。5月11日，墨西哥外長埃布拉德證實，中國公司研發(fā)的mRNA新冠疫苗ARCoV將于5月30日起在墨西哥開始III期試驗，預計有6000名志愿者參加。這是中國首個進入III期臨床試驗的mRNA疫苗，臨床試驗的初步研究預計將于10月底完成。 7 2019年11月，美國國家過敏和傳染病研究所的安東尼?福奇和約翰?馬斯科拉曾經(jīng)在《自然免疫學評論》雜志上寫道：mRNA有可能成為一個快速靈活的疫苗平臺。由基因序列開始，幾周內(nèi)就可以生產(chǎn)出mRNA疫苗。 2020年新冠疫情暴發(fā)，mRNA技術剛好準備就緒，成就了一次天時地利的歷史巧合。經(jīng)過約40年的上下求索后，mRNA技術終于迎來全新篇章。從新冠疫苗起步，到癌癥治療，未來mRNA技術或許能夠逐步涉足更多疾病領域。 參考文獻
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