【疫苗简史】一战成名的mRNA技术会是疫苗开发的未来吗？_风闻

作者 | 王新宇

转载自公众号“华山感染”

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在新冠疫情暴发前，mRNA并不是有公众吸引力的科学术语，也从没有任何一个国家批准过mRNA疫苗，可以说mRNA就是通过新冠疫情一战成名的。

从疫苗的发展过程来看，如果把减毒活疫苗和灭活疫苗归类为第一代疫苗，把重组蛋白疫苗等组分疫苗归为第二代疫苗的话，第三代疫苗主要是指核酸疫苗。读过疫苗简史之前内容的读者知道，第一和第二代疫苗是目前正在人群中大规模使用的疫苗的主力，而在新冠疫情前尚无一款正式获批大规模用于临床的核酸疫苗。

核酸疫苗主要分为DNA型疫苗和RNA型疫苗。mRNA疫苗属于RNA型核酸疫苗。目前紧急授权获批的新冠核酸疫苗都是mRNA疫苗。

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埃弗里提出DNA是遗传的物质基础

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。

沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构

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地研究。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”。

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。

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。

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使用 mRNA 作为疫苗开发的技术路线比更传统的疫苗具有三个重要的优势：快速、安全和高效。

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。

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）和DNA疫苗相比，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。当然，这个DNA疫苗的这个风险也只是理论上存在，目前的研究中还没有发现。

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。

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。

值得注意的是，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。细胞质中免疫原的产生和积累可以被有效地处理，并且表位与细胞表面的MHC I类分子联合呈现。

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

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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，一个个将上述难题克服了。

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。

通过进一步的研究，科学家们发现虽然mRNA会被小鼠的免疫系统清除，但是和mRNA同属于RNA家族成员的tRNA（转运RNA）却能成功躲过免疫系统的追踪。反复比对mRNA和tRNA的组成后，科学家终于发现了两者的差别。

2005年美国国立卫生研究院（NIH） 宾夕法尼亚大学的研究人员卡里科（Katalin Kariko）和德鲁·维斯曼（Drew Weissman）通过mRNA修饰技术，成功解决了这一难题。两人联名发表论文，称找到mRNA的“致命弱点”。

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

论文证明，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。

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。

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。

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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。

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%。2020 年 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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新冠疫情暴发后，除了目前已经获批附条件上市或授权紧急使用的几款灭活疫苗，腺病毒载体疫苗和重组蛋白疫苗外，我国对于mRNA疫苗也早有部署，相关正在稳定推进中，并且获得了新的突破。

2020年7月23日，在国际顶级期刊《细胞》上，我国科学家报道了自主研发的首个针对新冠病毒的耐高温mRNA疫苗，该疫苗被称为ARCoV。

我国自主研发的mRNA疫苗ARCoV

相较于国外两款mRNA疫苗，ARCoV疫苗的差异在于可在2-8℃环境下保存，远低于国外mRNA疫苗-70℃（BioNTech）或-20℃（Moderna）储存的苛刻要求。

BioNTech的mRNA疫苗需要在-70℃储存

在《细胞》上公布的动物试验中，我国科学家发现ARCoV具有出色的热稳定性，将疫苗最长在常温中储存7天，然后将它注射到小鼠体内仍然有效。这使得原本mRNA疫苗对于超低温冷链配送的要求大大降低。

目前这款由中国自主研发的mRNA疫苗已进入III期临床。5月11日，墨西哥外长埃布拉德证实，中国公司研发的mRNA新冠疫苗ARCoV将于5月30日起在墨西哥开始III期试验，预计有6000名志愿者参加。这是中国首个进入III期临床试验的mRNA疫苗，临床试验的初步研究预计将于10月底完成。

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2019年11月，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。

参考文献

Thomas Kramps, Knut Elbers (ed.) RNA Vaccines(2017) Springer Science，New York

Igor S Lukashevich, Haval Shirwan (ed.) Novel Technologies for Vaccine Development (2014) Springer，Verlag Wien

David B. Weiner and Gary J. Nabel (2018) Development of Gene-Based Vectors for Immunization In:Plotkin’s Vaccines (7th ed) Elsevier， PA. USA

https://en.wikipedia.org/wiki/RNA_vaccine