2020年初开始的新冠大流行，至今日仍然余波犹存。在缺乏特效药的情况下，接种疫苗预防几乎成为人们（尤其是高危易感人群）抵抗新冠病毒的唯一方法。卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）和德鲁·韦斯曼（Drew Weissman）这两位诺贝尔奖获得者的发现，使我们加深了对mRNA（messenger RNA，信使核糖核酸）的理解，并且以创纪录的速度开发出有效的mRNA疫苗。
mRNA疫苗属于核酸疫苗，是在第1代减毒活疫苗或灭活疫苗和第2代亚单位疫苗或重组蛋白疫苗的基础上，发展起来的第3代疫苗。
他们的获奖可以理解为他们在mRNA技术应用上的突破嘉奖，而且该技术上的突破很快在2019年爆发的全球新冠疫情防控上得到了很好的应用，也就是让mRNA疫苗的研发、量产成为现实中的一种可能。不得不承认，从技术瓶颈突破到临床应用，速度如此之快，源于全球新冠疫情危机的需求。
关于他们做到的突破主要有两点：mRNA的碱基修饰避开了宿主免疫系统的攻击，mRNA的碱基修饰同样可以提高目标蛋白表达。
对人类而言，病毒在很多层面上一直扮演着敌人的角色。当病毒侵入人体时，它可以挟持人类的细胞为它工作，生产它需要的遗传物质及外衣，继而产生更多的病毒。
这一招很阴险，也很奏效，作为细胞的入侵者，它们可以利用人体细胞来快速积累自身实力，然后对免疫系统发起攻击。
作为生命体，我们身体的免疫系统会识别一切外源性物质，比如常见的病原体病毒、细菌和真菌等，免疫系统识别了这些外来物之后，就要为了保护宿主去*伤杀**和清除这些外源性物质，也就是激活我们自身的免疫细胞。这些存在免疫系统内的不同免疫细胞，会按照一系列先后而又明确分工的固定程序来干活，它们互相配合工作的目的就一个，*伤杀**或者说是清除那些外来物质保证我们身体组织健康。这就是所谓的保护机体的免疫反应。
早期的疫苗一般由“活”病毒组成，这些病毒通常带有令它们毒性减弱的突变，使它们的危险性低于野生病毒，同时又能够让人体产生免疫反应。活疫苗非常有效，曾一度让人类免于大规模的灾害，例如我们熟知的早期天花疫苗和狂犬疫苗。
但活疫苗也有缺点：首先，制造十分困难，因为病毒只能由活细胞产生；其次，减毒版的完整病毒也依然具有威胁性，可能会伤害那些免疫力较弱的人；最关键的是，用于制造活疫苗的病毒有变异的可能，这使得它们危险性倍增。
因此，随着科学的进步，很多现代疫苗放弃了早期使用的“活病毒”，开始采用灭活病毒来生产疫苗。现在，不少亚单位疫苗甚至不需要使用完整的病毒（无论死活），只需采用可以被免疫系统识别的病毒片段，比如蛋白质或者多糖等，就能起到免疫的作用。但生产这样的疫苗依然十分困难，因为任何基于蛋白质的药物都受限于一点：它们必须在活细胞中生产。传统的疫苗开发被这一点缚住了手脚，从为初始测试准备剂量到后期大规模生产，每个阶段都需要解决产能问题。如果候选疫苗效果不佳，也很难调整它的生产路线。
不过，就在几十年前，生物学家们借鉴病毒的繁殖模式，悟到了一条潜在的捷径：与其向体内注射病毒或病毒的部分蛋白，不如向我们的身体提供制造病毒蛋白的基因配方，让身体自己制造这些抗原。我们的身体是天然的蛋白质加工工厂，但通常只会按照特定的模板生产人体所需的蛋白质，这些蛋白质配方一般永久存储在我们的细胞核DNA中。当细胞需要制造蛋白质时，会以mRNA的形式制造RNA副本。这些mRNA将指令传递给细胞的蛋白质制造工厂——核糖体，这个过程将会持续几小时或几天，直到mRNA分解，蛋白质生产停止。
如果我们的免疫细胞需要识别病毒或者癌变细胞的话，我们的免疫细胞就需要接触到一些病毒或者是癌细胞所表达的特有蛋白，这些是免疫细胞识别它们的必备基础，所以如果我们能把编码这些特异蛋白的mRNA找到，然后我们直接把它们传送到我们的细胞内，那样我们体内的某些细胞在获得这些mRNA后就会开始翻译、合成我们想要细胞表达的蛋白。
mRNA工作过程示意图
细胞在表达这些外源性蛋白后，免疫细胞就能识别它们，也就是我们的免疫细胞就很快被“驯化”，这里说的意思是免疫细胞就像是随时准备作战的士兵，它们识别了蛋白之后就已经存储为自身记忆，一部分识别后的免疫细胞也作为记忆细胞长期保留在我们组织内，而它们也记住了哪些蛋白表达的细胞是潜在敌人。等到真的病毒感染我们或者说是癌变细胞产生的话，被病毒感染后的机体细胞，或者说是癌变细胞就会表达类似的蛋白，此时我们的免疫细胞就能更快更迅速地识别出它们，然后更大程度地攻击它们，这样就能在更短时间内更大效率去清除外来物质，这就是通常我们打疫苗所要达到的一个效果。
mRNA疫苗利用抗原编码信使RNA，通过特定的递送系统使细胞摄取并表达编码的抗原，从而引起体液和细胞介导免疫反应的疫苗。以辉瑞/比昂泰克（BioTechde）的mRNA疫苗为例，该疫苗编码新冠病毒的刺突蛋白。当接种这种疫苗后，mRNA会指导人们身体内的细胞产生刺突蛋白的拷贝，这些刺突蛋白并不会引起疾病，但会触发免疫系统产生针对新冠病毒刺突蛋白的免疫反应。
mRNA疫苗有两种类型，一种是可以自我扩增（self-amplifying或者replicon），另一种是非复制型（non-replicating）。前者的编码RNA复制机制的基因是完整的，用编码抗原蛋白的mRNA代替了原病毒的结构蛋白编码基因，因此这类RNA疫苗能够在体内自我扩增，很少的量就可以引起较强的免疫反应。后者是在体外转录好的一段编码抗原蛋白的完整mRNA，用多种修饰技术来修饰mRNA的稳定性，最后利用纳米脂质体等递送技术将mRNA递送至细胞内，从而翻译抗原蛋白，引发免疫反应。
近代以来，医学一直在进步，但能称之为“突破”的进展则少之又少，mRNA疫苗可以算其中之一。为何科学家对mRNA技术及相关疗法展示出的潜力如此兴奋？这需要从疫苗的历史讲起。
但想法虽好，真正实践起来却很难，一开始mRNA被提出可以应用到临床上的这种设想，好多科学家并不看好。因为他们发现，若合成的mRNA被直接注射到生物体内的话，还没等它们进入细胞发挥作用的时候，它们会被当作异物被免疫细胞识别攻击，然后就引发了免疫反应，造成炎症引起机体损伤。另外，外源mRNA本身就是不太稳定，容易在细胞外的时候被快速降解，所以现实就是，它们还在被传送到细胞内合成蛋白前，在引起机体自身不适的同时也就被清理干净了，根本达不到预期的那个完美效果。
天然mRNA（左）和修饰mRNA（右）
所以，如何规避被识别为外源物就是一个很关键的问题。而今年的这两位科学家他们的工作就原创性解决了这个难题。
他们起初发现，mRNA碱基修饰可以让其不再被免疫细胞识别攻击。还有就是，他们发现碱基修饰后的mRNA也可以更多地表达靶标蛋白，也就是在细胞内可以更多表达靶标蛋白然后用于后续的识别，这样在量级上引起的免疫反应会更强，也就是疫苗会达到更好的免疫效果，也就是保护力被增强了。
不的不说，他们的工作促使mRNA疫苗应用成为了可能，且不止是这种应用的可能，好多普通疾病治疗或者是癌症治疗，如果依赖蛋白药物的话，mRNA技术都可以使之成为可能，应用范围也会很广泛。
从最初研发到真正市场化应用，mRNA用了40年，相关技术才迎来全新篇章。
1990年，生物学家利用小鼠实验证明，将编码蛋白质的DNA或mRNA添加到活细胞中，可以让小鼠大量生产这种蛋白质。这个发现令人雀跃，因为比起生产蛋白质，在实验室中生产RNA要容易得多。这个实验为我们证明了“捷径”的可行性：如果我们能准确解析引发免疫反应的蛋白质所对应的mRNA序列，那我们就能够以非常快的速度制造出原型疫苗。而且在制造这种疫苗的过程中不需要依赖任何生物过程，因此生产速度比之传统疫苗将大大提升。
但理论和实践之间永远都存在着距离。摸清了原理，又如何将这种“捷径”落到实处？科学家们遇到的第一个障碍就是人体对外源RNA的防御措施。由于很多病毒和寄生虫都会使用RNA来挟持细胞、以生产它们繁殖所需的营养物质，所以人体不可能毫无应对措施——在我们的血液、汗水和眼泪中存在着一种叫做“RNA酶”的物质，这种酶可以迅速分解细胞外发现的任何RNA。即使外源RNA突破了这道防线，成功侵入细胞，它们还是会触发一系列来自细胞的防御反应。
也许有人会问，疫苗不正是需要引发人体的免疫反应吗？确实，疫苗需要拉响免疫系统的警钟，令其对病毒采取措施。但如果人体对引入的RNA的反应如此强烈，以至于它们还未来得及表达所需的蛋白质就被破坏了，那我们想要得到的抵御病毒的免疫反应也就无从说起了。
mRNA技术后期的高歌猛进得益于两个关键突破：
第一个关键突破出现在2005年，卡塔琳·卡里科和德鲁·韦斯曼成功对mRNA进行化学修饰，使其可以躲避细胞内的免疫检测。由于被细胞防御机制破坏的mRNA数目大大减少，蛋白质产量增加了近1000倍。假尿苷（Pseudouridine）是RNA上最丰富的修饰核苷，又被称为RNA的“第五种核苷”。
获奖者德鲁·韦斯曼
获奖者卡塔琳·卡里科
2005年，卡塔琳·卡里科和德鲁·韦斯曼等人发现将假尿苷引入RNA中能降低其免疫原性，并且RNA的免疫原性随着假尿苷引入比例的增高而降低。2008年，卡塔琳·卡里科和德鲁·韦斯曼等人还发现用假尿苷完全替代尿苷的mRNA不仅能极大地降低mRNA的免疫原性，还能提高mRNA的稳定性并增强其翻译能力。2015年，奥利维亚·安德烈斯（Oliwia Andries）等人发现用N1-甲基假尿苷完全替代尿苷比用假尿苷完全替代尿苷更能降低mRNA的免疫原性，且更能增强mRNA的蛋白表达能力。这些研究提示，将假尿苷或N1-甲基假尿苷引入mRNA或许能有效降低mRNA疫苗的免疫原性，增强mRNA的稳定性，且增强其蛋白表达能力。
第二个关键突破是包装技术的突破。研究人员成功地将mRNA包装在脂质纳米颗粒中，以保护它们免受血液中的RNA酶的分解，并将它们递送入细胞内。这种方法必须克服一个巨大的挑战：RNA带负电荷，因此只会与带正电荷的脂质结合，但带正电荷的脂质是有毒的，它们倾向于将细胞撕裂。科学家们巧妙地解决了这个难题：他们开发了一种初始带正电荷的脂质，可以成功封装RNA，等这种脂质进入体内后，会失去正电荷，从而失去毒性。这项技术是对人体是安全的，为mRNA疫苗的快速研发和使用铺平了道路。
在这两个关键突破出现后，mRNA技术的前景开始变得清晰而喜人。
2013年3月，H7N9禽流感在中国暴发，约有100人感染。病毒的基因序列发布到网上后，诺华制药的一个团队在短短八天内就从头研制出了一种mRNA候选疫苗。几周内，候选疫苗就在小鼠身上被证明可以产生良好的效果。相比于传统疫苗一年或更长的研发时间，mRNA疫苗的研发速度创造了惊人的历史记录。但因为H7N9疫情很快结束，这项工作没有继续下去。
此后，由于新技术的前景和利润存在很大的未知性，大型制药公司都放弃了继续跟进，将机会留给了德国的比昂泰克（BioNTech）和美国莫德纳（Moderna）等较小的公司。
在2020年全球新冠病毒大流行之前，许多mRNA疗法就已经在试验中了。这些小型试验主要是通过诱导免疫系统靶向肿瘤中的突变蛋白来治疗癌症，但还没有一种疗法被批准用于人类。新冠疫情全球爆发后，mRNA技术恰逢其时，市场的迫切需求大大推动了它的研发速度。它也没有辜负人们的期待——2020年8月，辉瑞和比昂泰克联合研制的疫苗BNT162b2成为第一个获得FDA全面批准的mRNA疫苗。
mRNA疫苗开发需要解决的重点是解决递送技术，裸露的RNA很容易受到体内RNA切割酶的攻击，我们看到，无论是辉瑞/比昂泰克还是莫德纳，他们疫苗的运输都需要极其苛刻的条件。mRNA递送的体内行为高度依赖于所用的材料，即使用相同的材料，其和核酸复合/包封后形成的脂质纳米颗粒的粒径、结构特征、表面性质对体内行为均有重要的影响。
mRNA疫苗递送载体可以分为病毒载体和非病毒载体。其中，病毒载体以慢病毒、腺相关病毒、仙台病毒等为主。病毒载体虽然可以进行核酸递送，但也可能会引起免疫反应，从而影响疫苗本身的效果。
非病毒载体主要包括脂质体、树突细胞（dendritic，DC）、无机纳米粒子、阳离子细胞穿膜肽等。其中，由于具有易与受体细胞融合、转染效率高、抵御核酸酶的作用、不受宿主限制等独特优势，脂质载体是目前实际应用中最常用的mRNA非病毒载体。纳米脂球（LNP）是目前唯一经过工业界验证的核酸递送技术。
（本期内容到此结束，未完待续，下期更精彩！）
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