新冠疫苗讓mRNA技術(shù)一戰(zhàn)成名，在抗腫瘤上它也將大有作為
圖片來自mit.edu
在緊急應(yīng)對新冠疫情中，首批面世的疫苗都基于mRNA技術(shù)。近日，印度出現(xiàn)的“雙重突變”變異病毒，mRNA疫苗因研究周期短等優(yōu)點再次凸顯，開發(fā)者之一BioNTech4月29日對CNBC表示，BioNTech已針對“雙重突變”變異病毒展開相關(guān)疫苗測試，有信心能對抗此頑固病毒[1]。
而僅僅一年之前，mRNA并不是有公眾吸引力的科學(xué)術(shù)語，也沒有任何一個國家批準(zhǔn)過mRNA疫苗，可以說mRNA通過新冠疫情一戰(zhàn)成名。連傳奇人物埃隆·馬斯克繼太空探索、腦機接口等暢想后，也瞄準(zhǔn)了mRNA技術(shù)，認(rèn)為mRNA就好比人體的計算機程序，可以對其編程來執(zhí)行任何操作，比如停止衰老返老還童，再瘋狂點，甚至可以將一個人變成一只蝴蝶[2]，直接將“周莊夢蝶”升級為大變活蝶。面對如此有意思的未來科技，作為實干家的馬斯克已經(jīng)宣布，特斯拉將為總部位于德國的CureVac公司打造RNA微型工廠。
無疑，mRNA新冠疫苗的推出是一場重要的醫(yī)學(xué)革命，引發(fā)全球各大媒體爭相報道，但這種關(guān)注在某種意義上其實掩蓋了mRNA技術(shù)超越疫情本身的意義，其中便包括本文將介紹的mRNA癌癥疫苗。
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撰文 | 丁 零（科普作家、生物化學(xué)博士）
責(zé)編 | 葉水送
和大多重要科學(xué)突破一樣，mRNA一夜成名歸功于數(shù)十年的厚積薄發(fā)。
從上世紀(jì)70年代萌芽到2020年疫苗的緊急獲批，mRNA技術(shù)發(fā)展之路卻并非一帆風(fēng)順。歷史見證了科學(xué)家們職業(yè)生涯的重大抉擇和起起落落，以及代表企業(yè)的幾近破產(chǎn)，比如美國抗疫專家福奇在《科學(xué)》雜志上實名點贊的賓大研究人員卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）[3]，就在mRNA這個“冷板凳”坐了30多年，不斷收到各方拒信及質(zhì)疑，事業(yè)幾度進入死胡同。
卡塔琳·卡里科，圖片來源：[4]
卡里科出身于匈牙利一戶屠夫家庭，從小立志成為一名科學(xué)家。在匈牙利讀完博士后因為大學(xué)研究資金出現(xiàn)問題，卡里科和同為博士的丈夫決定移民美國。1985年，卡里科夫婦以及兩歲的女兒，帶著藏在泰迪熊的900英鎊踏上飛往美國的航班，開始了“美國夢”之旅[4]。
到美國后，為了生計和身份，丈夫不得已放棄學(xué)術(shù)，卡里科則在賓夕法尼亞大學(xué)找到了研究助理教授的職位，開始最早期的mRNA研究。在卡里科看來，mRNA可以引導(dǎo)細(xì)胞制造任何蛋白，簡直就是神一般的存在。
mRNA疫苗原理示意圖，圖片來自orleanscommunityhealth.org
事實上，mRNA早在上世紀(jì)60年代就被發(fā)現(xiàn)[5, 6]。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。因此，人體細(xì)胞本身就是自然界最完美的制藥廠，可以根據(jù)mRNA指令生產(chǎn)出任何想要的蛋白，不像傳統(tǒng)方法需要大費周折通過體外基因工程進行耗時耗力的蛋白表達(dá)及純化。
以新冠疫苗為例，新冠病毒基因組RNA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(xì)胞內(nèi)生產(chǎn)病毒蛋白，對免疫系統(tǒng)進行了“戰(zhàn)前演習(xí)”，誘導(dǎo)識別病毒蛋白，從而產(chǎn)生對新冠的免疫記憶。當(dāng)真正新冠病毒進入人體時，免疫細(xì)胞如同訓(xùn)練有素的軍人，快速識別病毒對其發(fā)動精準(zhǔn)攻擊。
理論上mRNA無所不能，但幾十年來mRNA臨床應(yīng)用并沒得到認(rèn)可，很大一個原因是mRNA非常脆弱，容易被周邊環(huán)境里無處不在的RNA酶降解。不夸張地說，在實驗室中研究mRNA簡直就是一場噩夢，稍不留神它就從你眼皮底下消失得無影無蹤，更別指望還能跨越重重阻礙抵達(dá)人體細(xì)胞。
因此，mRNA只是教科書被遵奉的學(xué)術(shù)名詞，在現(xiàn)實世界里并沒得到太多關(guān)注。一直到1990年，威斯康星大學(xué)Wolff等才首次報道肌內(nèi)注射mRNA到小鼠骨骼肌里，確實能如愿以償產(chǎn)生蛋白[7]。
同時期的卡里科經(jīng)過不計其數(shù)地嘗試后，也成功利用mRNA指導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生尿激酶受體蛋白。但mRNA還是擺脫不了冷門領(lǐng)域的標(biāo)簽，一直得不到資本的垂青。一次次經(jīng)費申請被拒后，卡里科收到學(xué)校降職通知，曾經(jīng)一度還被診斷出癌癥。
幸運的是，幾經(jīng)挫折的卡里科遇到了人生最重要的伯樂，德魯·魏斯曼（Drew Weissman）教授[4, 8]。
德魯·魏斯曼，圖片來源：維基百科
魏斯曼教授提議開啟艾滋病mRNA疫苗的課題。只要能有機會繼續(xù)研究mRNA，卡里科就不想放棄，因此很快加入了魏斯曼工作組。恰逢當(dāng)時陸續(xù)出現(xiàn)了脂質(zhì)體，脂質(zhì)納米顆粒等保護裝置[9]。這些裝置可將mRNA包裹起來，保駕護航送mRNA到指定目的地，因此mRNA研究第一個痛點有了初步的解決方案。
然而，mRNA技術(shù)第二個老大難問題出現(xiàn)了，卡里科成功利用mRNA在培養(yǎng)皿細(xì)胞中產(chǎn)生想要的蛋白，但這些mRNA在小白鼠身上卻沒有任何效果。通過反復(fù)調(diào)查才發(fā)現(xiàn)原來小白鼠免疫系統(tǒng)將mRNA定義為外來物，直接發(fā)起免疫反應(yīng)將mRNA給清理掉。這無疑基本宣判mRNA治療思路根本走不通。
但卡里科還是選擇迎難而上。功夫不負(fù)有心人，卡里科驚喜發(fā)現(xiàn)mRNA的胞兄tRNA能成功躲過免疫系統(tǒng)的追蹤。反復(fù)比對mRNA和tRNA后，其中端倪慢慢浮出水面：原來tRNA攜帶一種反免疫偵查功能的分子，名為偽尿苷。
于是，一個劃時代意義的想法在2005年誕生：將偽尿苷添加到mRNA中，修飾過的mRNA就可潛伏進入細(xì)胞，逃逸免疫系統(tǒng)攻擊[10]。卡里科和魏斯曼發(fā)表了論文的同時申請了專利。
卡里科和魏斯曼mRNA修飾專利，圖片來源：谷歌專利
這一發(fā)現(xiàn)為處于低谷的mRNA研究提供新的希望，也成為日后為沖刺新冠疫苗領(lǐng)域的奠基石。于是德國一家名為BioNtech的公司慧眼識珠，拿下mRNA修飾專利授權(quán)，繼續(xù)支持卡里科研究mRNA技術(shù)，2013年更是直接聘用卡里科為副總裁。
2020年新冠疫情爆發(fā)，mRNA技術(shù)剛好準(zhǔn)備就緒，成就了一次天時地利的歷史巧合。短短幾個小時內(nèi)，BioNTech根據(jù)新冠基因序列迅速設(shè)計出mRNA疫苗。11月8日，BioNTech開發(fā)的mRNA疫苗第一批臨床結(jié)果證實對新冠病毒具有強大免疫力。卡里科得到消息后，她吃了一整盒巧克力包裹的果仁，作為獨特的慶祝方式。
距離最早卡里科研究mRNA過去整整32年。32年中，卡里科個人年收入從來都沒有超過6萬美金，在冷門到幾乎無人問津的領(lǐng)域內(nèi)堅持耕耘，無數(shù)次被拒絕、甚至被降職。接受《紐約時報》采訪時，面對無數(shù)的榮耀和掌聲，卡里科只是輕描淡寫地說，“我實現(xiàn)了我的人生夢想”[4]。
mRNA技術(shù)在美國高校孕育，德國生物技術(shù)公司卻當(dāng)仁不讓，在臨床上甚至沖在了前頭，比如上文提到的BioNTech以及另外一家CureVac。CureVac早在2009年就有產(chǎn)品進入臨床。那2010年才成立的Moderna為何更受追捧？這半路殺出的“程咬金”有什么來頭？又是憑借什么技能后來者居上？
故事的開始依舊和卡里科有關(guān)。
2005年，卡里科和魏斯曼發(fā)布重大研究時[10]，德里克·羅西（DerrickRossi）還是斯坦福大學(xué)的博士后。當(dāng)他讀到這篇論文，敏銳地意識到這一技術(shù)即將帶來深遠(yuǎn)影響，甚至預(yù)言這是諾貝爾獎級別的發(fā)現(xiàn)。
德里克·羅西，圖片來源：Stat News
2007年，羅西成為哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院助理教授，他如法炮制了卡里科的巧思，計劃利用經(jīng)過修飾的mRNA將體細(xì)胞重編程為胚胎樣干細(xì)胞，并在2010年在培養(yǎng)皿里成功培育出胚胎樣干細(xì)胞，比傳統(tǒng)方法效率提高了100倍[11, 12]。
年輕的羅西興奮不已，但作為哈佛的一名資歷尚淺的助理教授，他沒有足夠的社會資源能將自己的發(fā)現(xiàn)進行商業(yè)化，于是便在前輩蒂莫西·斯普林格（Timothy Springer）引薦下結(jié)識了鼎鼎大名的MIT教授羅伯特·蘭格（Robert Langer）。蘭格不光是最年輕的美國三院院士，桃李滿天下的導(dǎo)師，也是杰出的企業(yè)家，曾經(jīng)創(chuàng)辦了20余家公司。民間流行一句話：如果你想創(chuàng)立一家生物技術(shù)公司，必須得先見一見蘭格，其聲望可見一斑[8, 13]。
羅伯特·蘭格，圖片來源：維基百科
作為縱橫生命科學(xué)領(lǐng)域的資深玩家，蘭格聽完羅西報告，立即意識到mRNA技術(shù)用來改造干細(xì)胞只不過是冰山一角，它有治療所有疾病拯救成千上萬生命的潛力，也能創(chuàng)造不可限量的商業(yè)機會。面談結(jié)束后，蘭格當(dāng)機立斷決定利用自己人脈攢一個大局。兵馬未動，糧草先行，蘭格邀請入局的第一人就是金主爸爸，著名生物醫(yī)療風(fēng)投機構(gòu)Flagship Pioneering創(chuàng)始人兼CEO努巴·阿費揚（Noubar Afeyan）。
老朋友果然英雄所見略同，阿費揚也非常認(rèn)可mRNA技術(shù)，于是短短幾個月就毅然決然地和羅西、蘭格在2010年共同創(chuàng)立了Moderna。
公司成立后，頭等要事自然就是廣納人才。誰才有本事駕馭這未來mRNA領(lǐng)域的獨角獸？阿費揚一直都很欣賞斯蒂芬·班塞爾（Stéphane Bancel）的管理才能，之前也曾多次發(fā)出邀請函，但班塞爾眼光頗高，那些小格局的公司都入不了他的法眼。
阿費揚再次拋出橄欖枝時，班塞爾已是法國診斷公司BioMerieux的CEO。BioMerieux在診斷行業(yè)名聲在外，市值近30億美元，員工有6000多人，而Moderna才剛剛起步，全公司只有一名科學(xué)家，這次挖人確實不容易。
斯蒂芬·班塞爾，圖片來源：Stat News
出乎意料的是，在阿費揚各種表決心、畫大餅、聊情懷、推心置腹的攻勢下，班塞爾破釜沉舟放棄了光鮮亮麗的高薪職位，欣然加入了這家名不見經(jīng)傳的初創(chuàng)企業(yè)。之后靠著自己的個人魅力和聲望，班塞爾又吸引了一批科學(xué)界知名人士的加入，其中就包括2009年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主杰克·索斯塔克（Jack Szostak）。
背靠著Flagship Pioneering這座金山，班塞爾心無旁騖引領(lǐng)著Moderna往前飛奔，致力解決mRNA技術(shù)三大核心問題[13, 14]：
1. 專利：生物技術(shù)公司長期發(fā)展的立身之本就是擁有穩(wěn)定的專利。和BioNtech一樣，Moderna最初也是拿到卡里科專利授權(quán)進行研究。如果未來要一直依靠別人專利來支撐，難免會受制于人，不是長久之計。通過不懈努力，Moderna 終于成功找到替代偽尿苷/5-甲基胞苷修飾的化合物1-甲基假尿嘧啶，拿下專利解除隱憂，為建立mRNA王國打下了堅實根基。
2. mRNA傳遞：mRNA藥物傳遞一直是阻礙發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。裸露的mRNA很容易被細(xì)胞外RNA酶降解，哪怕進入細(xì)胞也容易在溶酶體聚集，抵達(dá)不了發(fā)揮作用的地方。對于短小RNA分子（如siRNA，大約20個堿基大?。?/span>來說，脂質(zhì)納米顆粒是有力的遞送工具，但mRNA身材過于修長，動輒長達(dá)幾百上千個堿基，可想而知難度系數(shù)大非常多。
初創(chuàng)階段的Moderna開發(fā)自己的遞藥技術(shù)平臺實在困難，不僅是人力上的，還有資金層面的限制，所以只能外部引進。當(dāng)時Moderna大概看了十幾個遞藥平臺，最后選擇了Arbutus/Acuitas。
隨著內(nèi)部研究人員持續(xù)發(fā)力，Moderna最終擁有了屬于自己的遞送技術(shù)，與傳統(tǒng)方法比，逃離溶酶體聚集的效率要高25倍[15]。相比之下，CureVac和BioNTech還是分別依賴Genevant和Arcturus/Acuitas。
3. 調(diào)控蛋白產(chǎn)量：mRNA不管是作為疫苗還是藥物，直接發(fā)揮作用的歸根結(jié)底還是蛋白，因此蛋白量需要嚴(yán)格把控，多了有毒，少了沒用。但多少mRNA能產(chǎn)生合適水平的蛋白，是一個全新的議題。為了解決這個問題，Moderna正在利用機器學(xué)習(xí)，對mRNA序列如何控制蛋白產(chǎn)量進行建模，為之后的精準(zhǔn)調(diào)控鋪路[16]。
從2010年低調(diào)創(chuàng)辦，2012年對外曝光，2018年首次公開募股創(chuàng)下了生物科技史上最高紀(jì)錄，再到2020年新冠疫情高調(diào)出圈，Moderna僅用了10年時間就成為了市值千億人民幣的獨角獸企業(yè)，創(chuàng)造了繼基因泰克后的又一傳奇。
毋庸置疑，Moderna幾位創(chuàng)始人的背景讓Moderna贏在起跑線上，但也離不開管理層對技術(shù)的無限執(zhí)著以及堅持掌握主動權(quán)的理念，而新冠疫情爆發(fā)也給了一個Moderna向世界展示的機會，要知道Moderna多年來一直處在輿論的風(fēng)口浪尖上。畢竟在還沒有任何一款臨床產(chǎn)品的情況下，就輕易收獲幾十億美元的估值，難免落人口實。
mRNA新冠疫苗讓 Moderna和BioNTech等順利出圈，但mRNA疫苗遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只限于新冠或其他病毒，癌癥疫苗其實在新冠爆發(fā)前也是各大公司全力火拼的賽道。
mRNA癌癥疫苗和大家熟知的宮頸癌疫苗不同，宮頸癌疫苗是預(yù)防性疫苗，顧名思義就是起到防范于未然的目的，目前正在開發(fā)的mRNA癌癥疫苗則為治療性疫苗。
何為治療性疫苗？先來了解一下抗原這個概念：癌細(xì)胞攜帶很多基因突變的特異性蛋白（抗原）。按理說，這些特異性蛋白應(yīng)該被人體自帶的抗癌神器免疫細(xì)胞及時識別一鍵清除。然而，腫瘤細(xì)胞有非常高深的偽裝術(shù)，裝作良民逃過免疫細(xì)胞的火眼金睛。
治療性mRNA疫苗則是通過注入mRNA生產(chǎn)大量癌細(xì)胞抗原，將這些抗原暴露在免疫細(xì)胞眼前，誘導(dǎo)免疫細(xì)胞擦亮眼睛看清楚，攜帶這些抗原的都是入侵者，需要一網(wǎng)打盡。接受過集訓(xùn)的免疫細(xì)胞這下自然就學(xué)聰明了，癌細(xì)胞再如何有心機地藏著狐貍尾巴（抗原），也能敏銳發(fā)現(xiàn)。
一針疫苗下去腫瘤就被打得灰飛煙滅，想想就激動，因此癌癥疫苗一直是抗癌領(lǐng)域的夢想。然而幾十年嘗試下來，只有一款名為Provenge的疫苗獲批，后來還因為高昂成本等因素銷售慘淡，原研企業(yè)Dendreon破產(chǎn)后也是像皮球一樣被踢來踢去，最后兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)被中國三胞集團收購。
難道癌癥疫苗終究只是黃粱一夢？不盡然。起初癌癥疫苗的開發(fā)基本都集中在“共享”腫瘤抗原，也就是說從不同病人癌細(xì)胞抗原里頭挑選幾個出現(xiàn)頻率高的，寄希望某種特定的廣譜（通用）疫苗能發(fā)揮神力以不變應(yīng)萬變。然而癌細(xì)胞最煩人的德性就是善變，不同病人癌細(xì)胞抗原大相徑庭，同一病人不同階段也是變化無常，哪有那么容易對付。
因此近幾年又有了“個性化疫苗”這個新的概念，也就是說先比對患者癌細(xì)胞和健康細(xì)胞DNA，鑒定出特異性抗原，然后定制化生產(chǎn)針對特異性抗原的疫苗，注射到患者體內(nèi)，訓(xùn)練免疫系統(tǒng)去干掉攜帶抗原的癌細(xì)胞。
個性化癌癥疫苗治療流程，圖片來源：[17]
此等頂尖技術(shù)理論上沒毛病，實際操作起來沒那么容易，最大的關(guān)卡就是“時不患者待”。如果疫苗制備時間太長，一來晚期患者可能等不了，二來癌細(xì)胞指不定又突變出新幺蛾子（抗原），之前的疫苗不一定有效。
和時間賽跑這檔子事，mRNA已經(jīng)在新冠疫情中充分證明了自己的實力，完全有信心在和其他癌癥疫苗選手競爭中脫穎而出。畢竟基于細(xì)胞、病毒、細(xì)菌、蛋白/多肽的癌癥疫苗不比mRNA機智，能利用人體細(xì)胞這蛋白生產(chǎn)的全天然工廠，大大降低合成復(fù)雜性，縮短耗時。
那mRNA癌癥疫苗的戰(zhàn)績?nèi)绾危?/span>
BioNTech可謂是一鳴驚人。2017年發(fā)布結(jié)果顯示，首批接受個性化mRNA癌癥疫苗的13名晚期黑色素瘤患者中，所有患者都出現(xiàn)了針對疫苗的免疫反應(yīng)，8人腫瘤已經(jīng)消失且23個月內(nèi)無復(fù)發(fā)，其余5名患者由于接種疫苗時腫瘤已經(jīng)擴散，有2人腫瘤縮小，其中1人接受輔助治療后腫瘤完全消退[18]。
Moderna自然也不甘落后，正在和默克強強聯(lián)合共同開發(fā)個性化的癌癥疫苗，2020年公布的中期數(shù)據(jù)也可圈可點：10例HPV的頭頸部鱗狀細(xì)胞癌患者中，一半病人病情得到了緩解。
經(jīng)過約40年的上下求索后，mRNA技術(shù)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(shù)可能如蘭格和卡里科等所期待的那樣，逐步涉足更多疾病領(lǐng)域。
現(xiàn)階段mRNA技術(shù)還有很長的路要走，疫苗獲批完全得益于新冠疫情大背景下的緊急使用授權(quán)，個性化癌癥疫苗在更大規(guī)模臨床中交出的答卷也差強人意：108例可評估的實體瘤患者中只有9例有反應(yīng)[19]。再說了，疫苗其實是mRNA療法的low-hanging fruit，畢竟只需要生產(chǎn)少量蛋白就可誘導(dǎo)免疫，如何利用細(xì)胞工廠生產(chǎn)更大量的蛋白依舊懸而未決。
好在mRNA新冠疫苗獲得成功之后，政府和投資者可能會更熱衷支持mRNA技術(shù)，加速釋放其更大潛力，成為真正的規(guī)則改變者占據(jù)主導(dǎo)地位。
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作者簡介
丁零
生物化學(xué)博士，青年寫作者。曾就職霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所及MD安德森癌癥中心，現(xiàn)從事咨詢行業(yè)。
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參考文獻
制版編輯 | Morgan
