实至名归!诺贝尔生理学或医学奖揭晓 mRNA疫苗开发者斩获殊荣
财联社 2023-10-03 09:33

据药明康德微信公号,北京时间今天下午,诺奖委员会宣布将2023年诺贝尔生理学或医学奖授予两位在mRNA疫苗上做出突破性贡献的先驱:Katalin Kariko博士和Drew Weissman博士。在新冠疫情中,基于mRNA技术的新冠疫苗以创纪录的速度登上历史舞台,为无数人带来了保护,也改变了全球对抗新冠疫情的格局。将今年的诺奖颁发给他们,可谓是众望所归!而诺奖背后的故事,更是一段志的逆袭传奇。

Katalin Kariko博士(左)和Drew Weissman博士(右) 图片来源:参考资料[1]

下面,药明康德内容团队将与大家一道回顾两位获奖者与其他科学家在mRNA疫苗领域的探索历程。

屠夫的女儿

Kariko出生于匈牙利的小新萨拉什,一座人口才一万出头的小镇。Kariko的父亲是一名屠夫,当地也没有诞生过什么科学大家,但这并不妨碍年幼的她立志在将来成为一名科学家。

在匈牙利著名学府塞格德大学获得博士学位后,年轻的Kariko在大学的生物研究中心谋得了一份博士后的工作。但好景不长,不久后,研究项目断了经费,这也迫使Kariko另寻出路。

Kariko随即做出一个影响她终身的决定。当时,美国费城的天普大学有一个博士后的研究职位,Kariko与她的丈夫,以及只有两岁大的女儿决定去大洋对岸赌上全家的未来。在她动身赴美的1985年,匈牙利政府只允许她们随身携带100美元离境。Kariko偷偷在女儿的毛绒熊玩具里藏了900英镑(约合现在的2.4万人民币),这才有了立身的资本。

这是他们一家三口在异国他乡的全部家当。

Kariko与她的家人在1985年的合影 图片来源:参考资料[2];Credit:Katalin Kariko

四年后,她被宾夕法尼亚大学的Elliot Barnathan教授相中,前去他的课题组工作。这并不是什么充满前景的职位——Kariko的头衔是“研究助理教授”,虽然挂着助理教授的名,却无缘传统的晋升通路。能在实验室留多久,完全要看科研经费是否充足。

而她的研究方向更不被人看好。当时,她的工作是要在体外合成mRNA,再将其引入细胞内,让它们产生新的蛋白质。“很多人都嘲笑我们的想法。”Barnathan教授回忆道。三十年前,mRNA领域可谓一片死气沉沉。谁也不会想到,它竟能在当下成为资本的宠儿。

至暗时刻

坦率讲,投身mRNA领域并不是一个很坏的选择。我们的DNA里蕴藏着我们的遗传信息,而mRNA则是携带这些信息,指导合成蛋白质的信使。

谁能驾驭自然的力量,谁就能打开通往新世界的大门。理论上说,如果能人工合成mRNA,注射进人体,并生成相应的蛋白质,我们把人体变成自产自销的药物工厂。哪里有疾病,哪里就会有治病的蛋白。

但没有人知道该怎么做。

Kariko与Barnathan教授的设想是先把mRNA注射到细胞里,让它们产生一种受体蛋白。如果实验成功,那么这些细胞就能结合一些原本结合不了的分子。如果再给这些分子加上一点放射性,那么我们就可以通过检查细胞是否结合了具有放射性的分子,来评估mRNA是否真正诱导了受体产生。

在一间逼仄的实验室,两名科学家守在仪器旁,焦急地等待结果。打印机吐出了数据,显示细胞里有本不会被合成的蛋白质。换句话说,他们注射进细胞的mRNA,真的能让细胞合成所想要的蛋白!

Kariko回忆说,那一刻,她感觉自己是能创造生命的神。

图片来源:123RF

但命运随即给她开了一个玩笑。不久,Barnathan教授离开了学校,前往生物技术公司任职,他没有带走Kariko。摆在她面前的只有两条路,要么找到一个实验室挂靠,要么自己申请到科研经费。Kariko不擅申请经费,mRNA技术在当时也未臻成熟。

与她在Barnathan教授课题组共事过一名同事曾短暂递出了救命稻草。他向神经外科系的主任推荐了Kariko,为她谋得了一席之地。这支新的团队尝试用mRNA技术指导血管合成能扩张血管的分子,但多轮实验均以失败告终。再后来,同事自己,乃至神经外科系的主任都离开了学校。Kariko再次陷入孤立无援的境地。

这是她人生中的至暗时刻。那段时间,她从研究助理教授被降职为高级研究人员。她得了癌症,而自己的丈夫却因为签证原因被困在了匈牙利。而她曾为之付出无数心血的mRNA技术,也走进了死胡同。

命运的邂逅

1997年,宾夕法尼亚大学来了一名叫做Drew Weissman的学者。他毕业于波士顿大学,后在美国国家过敏及传染性疾病研究所工作,师从著名传染病科学家Anthony Fauci博士。

在一台复印机旁,两人偶然地相遇了。闲聊中,Kariko透露自己是一名RNA科学家,“我能用mRNA做任何东西。” Weissman对免疫很感兴趣,就问能不能用mRNA做出对抗HIV病毒的疫苗,Kariko的回答是“当然可以”。

这两名科学家也斩获了2021年的拉斯克临床医学研究奖,该奖项素有“诺奖风向标”之称 图片来源:拉斯克奖官网截图

对mRNA技术的共同兴趣,让两人一拍即合,成为了科研上的长期搭档。起初,他们在细胞中的尝试偶尔能取得成功,却始终无法在动物体内得到复现。“没有人知道为什么,” Weissman回忆说,“我们只知道小鼠会生病。它们的毛发会发皱,一直弓着身子,不吃也不跑。”

后来科学家们才发现在mRNA技术的应用上,存在一个难以逾越的障碍——动物的免疫系统会把合成的mRNA视为外物进行攻击,让它们无法生效。进一步分析表明,这主要因为mRNA会形成局部的双链结构。

都说机会总是留给有准备的人,Kariko与Weissman意识到在过去的实验中,他们曾在对照组里使用了一种叫做转运RNA(tRNA)的分子。这种RNA也会形成复杂的结构,却在实验中不会引起免疫系统的误伤。它的奇妙特性立刻吸引了研究人员们的注意。

人们很早就知道,tRNA上有很多化学修饰。从结构上看,这些化学修饰就像是伪装一样,能躲开免疫系统的攻击。而当两名科学家将这些化学修饰照搬到mRNA上后,奇迹出现了!修饰后的mRNA不再会引起额外的免疫反应,这也一举粉碎了mRNA技术应用道路上的最大障碍。

2005年,两名科学家在Immunity期刊上发表了他们划时代的研究。论文中,他们富有前瞻性地写道,这一突破将是设计治疗用RNA的关键。再后来,他们发现一种特殊的修饰不仅能减少免疫反应,还能大大增加mRNA的翻译效率,产生更多蛋白。

即便是如此具有突破性的一项发现,在当时得到的关注也非常有限。但哈佛医学院的一名年轻学者Derrick Rossi读到这篇论文后却大受震撼。使用论文里提到的mRNA技术,他成功在细胞里表达出了四个关键因子,将人类细胞重编程为多能干细胞。

Rossi兴奋地将他的发现分享给了同事,而同事看到了背后蕴藏的巨大商机。随后他们拜访了多名创业大咖与风投,并在2010年创立了一家名为Moderna的公司,它的名字代表修饰的RNA(modified RNA)。2013年起,Moderna开始使用mRNA技术开发一系列疫苗。

差不多在同样的时间,一家位于德国的生物技术公司BioNTech也看中了mRNA技术的潜力,从Kariko与Weissman处获得了专利授权,开发个体化的癌症疫苗。2015年,Kariko本人也亲自加入BioNTech,出任高级副总裁。

脂肪小球

然而想要真正将mRNA技术应用于人体,还差最后一块拼图。mRNA是一种极为脆弱的分子,人体环境中的酶会很快将它切碎。而且从其性质上看,mRNA分子带有大量负电荷,很难直接进入细胞。就算这些mRNA再怎么能减少免疫反应,再怎么能产生更多蛋白,如果不能进入细胞,那也是白搭。

而让这一切成为可能的,是一种叫做脂质纳米颗粒(LNP)的技术。有意思的是,这种技术的雏形,甚至要早于mRNA技术的成型。

Pieter Cullis教授是脂质纳米颗粒领域的先驱之一 图片来源:加拿大不列颠哥伦比亚大学官网截图

目前使用的脂质纳米颗粒,其开发历史还要追溯到上世纪80年代早期。当时,加拿大不列颠哥伦比亚大学的Pieter Cullis教授团队发现癌症药物能进入一种叫做脂质体(liposome)的简单结构中。在癌症动物体内,这种脂质体能沿着肿瘤附近的破碎血管进入细胞,释放出药物。基于这一发现,Cullis教授也合作成立了多家公司,希望有朝一日能使用脂质体,将有毒的药物递送到人类肿瘤附近,进行杀伤。

但Cullis教授在癌症治疗之外,还有着一个更为远大的梦想。当时,科学家们对基因疗法有着浓重的兴趣——通过将大段DNA或者RNA送入患者体内,我们有望治愈他们的遗传病,或是把导致疾病的基因给“关闭”掉。然而结构简单的脂质体无法完成如此复杂的工作,开发一种全新的递送工具迫在眉睫。

一个潜在的解决思路是往脂质体中添加带有正电荷的脂类,这正好可以与带有负电荷的核酸形成稳定平衡。但这个思路的短板也很明显——自然界中没有带有阳离子的脂质。如果使用永久带有正电荷的人造脂质,则会带来巨大的毒性,因为这些脂质会破坏细胞膜结构。

科学家们曾设想使用脂质体来递送核酸分子 图片来源:Kosi Gramatikoff w:user:kosigrim, Public domain, via Wikimedia Commons

折中的方案随即诞生:既然无法让脂类永久带有正电荷,那能否让它们在特定的条件下,短暂携带正电荷呢?在世纪之交,一家专注开拓这一方向的生物技术公司宣告成立,Cullis教授曾经的员工Ian MacLachlan博士出任首席科学官。正是在后者团队的领导下,脂质纳米颗粒领域迎来了突破。

终成正果

MacLachlan博士等科学家的策略是使用可电离的脂质。它们在正常的血液中呈现中性,减少其毒性。而在酸性环境下,这些脂质又能带上正电荷。此外,这支团队还开发了一种全新的生产技术。他们将脂质溶解在乙醇里,核酸溶解在酸性缓冲液里,再用微流体技术进行混合。当两种液体一接触,就会自发产生纳米脂质颗粒。

与脂质体不同,这种纳米脂质颗粒里富含用脂质包裹起来的核酸,十分适合作为递送的载体。这一简洁而优雅的方法,也成了纳米脂质颗粒技术的核心。

当然这还没有完全解决问题。第一代可电离的脂质依旧有着不小的毒性,且这些纳米脂质颗粒的降解速度较慢。如果反复注射,就会在体内富集,引起潜在副作用。

于是,来自多家公司的科学家们进行了一系列的后续优化工作。他们先合成了超过300种不同的可电离脂质,再逐个优化其头部和连接区域。这是一项极为艰苦的工作,有科学家回忆说,在培养基中,他们能找到50种不同的可电离脂质,都能有效地递送进细胞。但在体内实验里,有49种都不会成功。

但最终,他们还是突破了最后的瓶颈。在合作之下,先是一家专注开发RNAi疗法的公司Alnylam(RNAi技术也斩获了2006年的诺贝尔生理学或医学奖)找到了一种优化的可电离脂质MC3,并以此开发出了第一款RNAi药物。然而这种脂质不适用于mRNA疫苗,于是Moderna与辉瑞/BioNTech各自进行了后续优化,用于其疫苗的递送。

一个脂质纳米颗粒的示意图,内含四种不同的脂类,以及核酸分子 图片来源:参考资料[5];Credit: Genevant Sciences

如今,这些用于mRNA疫苗的脂质纳米颗粒包含四种成分:首先是在特定环境下产生正电荷的可电离脂质,能与带有负电荷的mRNA紧密结合;其次是一类聚乙二醇化的脂质,负责稳定纳米颗粒的结构;最后两种分别是磷脂和胆固醇分子,填充纳米颗粒的结构。这四种简单的成分将mRNA包裹起来,不让它们进行降解,并将它们送到细胞之内。

在细胞里,脂质纳米颗粒通过内吞途径,会进入到一种叫做“内体”的细胞器中。在那里,酸性环境会让可电离的脂质带上正电荷。这些正电荷也会改变脂质纳米颗粒的形状,让它们能够离开内体,最终进入细胞质,指导蛋白质的合成。

至此,mRNA疫苗所需的技术已全部打通。

通往诺奖之路

之后的故事,大家都很熟悉了。随着新冠疫情的突然到来,mRNA技术成了快速开发新冠疫苗的重要工具。多款mRNA新冠疫苗在临床试验中取得了积极的数据,也为对抗新冠疫情贡献了属于自己的重要力量。有意思的是,在新冠疫苗之前,mRNA技术还尚未开发出一款上市的产品。面对新冠疫情,mRNA技术临危受命,交出了一份令人满意的答卷。

mRNA新冠疫苗中使用到的修饰 图片来源:参考资料[4]

可以肯定的是,mRNA技术不仅带来了多款新冠疫苗,本身在生物医药研究领域也有极其重要的应用价值。而如果没有Kariko的坚忍,这项技术势必难以如此顺利地问世,或许也将赶不上在疫情中发挥自己的作用。

在她最艰难的时刻,Kariko一年赚不到6万美元,要不断更换实验室,才能继续从事科研工作。她的丈夫说她在工作上投入了如此多的时间,时薪只有可怜的个位数。然而就是这样一名科学家在遇到合适的搭档后,她终于迎来了属于自己的时刻,做出了划时代的发现。

而最终让mRNA技术成为可能的纳米脂质颗粒,最初也几乎走进死胡同。直到科学家们做了辛苦卓绝的探索,才最终取得成功。

授予Kariko博士Weissman博士的诺贝尔奖,固然是对他们工作的一大嘉奖。但能在极短的时间里带来疫苗,为全球的公共卫生做出卓越贡献,才更能体现出他们所做工作的重大意义。

让我们再次祝贺这两位杰出的科学家,并向他们突出的贡献致以崇高敬意!

编辑/范辉

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