諾獎風向標來了！mRNA技術獲拉斯克臨床醫(yī)學研究獎
2021年拉斯克獎揭曉，兩位mRNA技術的發(fā)現(xiàn)者獲得臨床醫(yī)學研究獎 | 圖源：laskerfoundation.org
當?shù)貢r間9月24日12時，2021年拉斯克獎（The Lasker Awards）公布了三大獎項獲獎名單。其中，基礎醫(yī)學研究獎由Dieter Oesterhelt、Peter Hegemann 和Karl Deisseroth獲得，以表彰他們對光遺傳學的貢獻；來自BioNTech的Katalin Karikó和賓夕法尼亞大學的Drew Weissman獲得臨床醫(yī)學研究獎，以表彰他們發(fā)現(xiàn)基于mRNA修飾的新治療技術；醫(yī)學科學特別成就獎則頒給了諾貝爾獎得主David Baltimore。
拉斯克獎被譽為諾貝爾獎 “風向標”，2020年因新冠疫情停頒一年。不久前，mRNA技術剛剛獲得了新一屆美國科學突破獎（Breakthrough Prize），關于卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）和德魯·魏斯曼（Drew Weissman）的故事也因為新冠mRNA疫苗的成功研發(fā)被越來越多的大眾知曉。
當?shù)貢r間9月24日12時，2021年拉斯克獎宣布將臨床醫(yī)學研究獎授予兩位科學家——來自BioNTech的卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）和她此前在賓夕法尼亞大學的同事、免疫學家德魯·魏斯曼（Drew Weissman），以表彰他們發(fā)現(xiàn)了基于mRNA修飾的新治療技術。
獲獎理由稱：兩位科學家的突破研究使得高效率的Covid-19疫苗得以被快速研發(fā)；除了為應對新冠大流行提供疫苗重要工具外，這項創(chuàng)新還推動了一系列不同疾病的治療和預防工作。
新冠疫情以來，輝瑞/BioNTech和Moderna的mRNA疫苗獲得廣泛應用，這種疫苗遞送的mRNA能指導細胞制造新冠病毒刺突蛋白，從而引發(fā)人體抗體表現(xiàn)。但曾有幾十年的時間里，mRNA疫苗被認為是不可行的，因為注射mRNA會誘發(fā)不必要的免疫反應，導致mRNA被即刻降解。而卡里科和魏斯曼在2005年前后發(fā)現(xiàn)，將mRNA中一種稱為尿苷（uridine）的分子替換成類似的分子假尿苷（pseudouridine），就能避免這種免疫反應的發(fā)生。
2020年4月，作為被寄予厚望、結束新冠大流行的關鍵工具，《紐約時報》發(fā)表長文介紹mRNA疫苗以及技術背后的卡里科， 65歲的卡里科才被公眾廣泛了解。
截至日前，卡里科已經(jīng)因為mRNA技術獲得了十多個大獎，但在此之前的學術研究生涯里，她始終未能獲得終身教職，并在后期選擇加入BioNTech從而步入工業(yè)界。
而同樣不可忽視的另一位mRNA技術重要貢獻者就是卡里科在賓夕法尼亞大學時的同事、免疫學家德魯·魏斯曼。
1997年，魏斯曼成為了賓夕法尼亞大學的一名新教員之后，二人在使用學校中的復印機時偶遇，兩人攀談起來并互相介紹自己的工作。
彼時，作為一位RNA生物學家，卡里科正在積極推動mRNA的應用，不過她的研究正陷入窘境，一方面多年申請基金未果，另一方面與多位科學家包括心臟病專家巴納森（Elliot Barnathan）和神經(jīng)外科專家蘭格（David Langer）合作，期待mRNA能在心臟和大腦等疾病治療中發(fā)揮作用，遺憾的是也毫無進展。
卡里科在mRNA研究中面臨的最大難題是：注射mRNA后可激發(fā)機體嚴重的天然免疫反應，有時會造成受試動物死亡。而魏斯曼恰好是一位免疫學家，精通免疫學基本原理和相關實驗操作，他當時在探索HIV疫苗制備方法，最初采用的是DNA疫苗策略，遺憾的是未獲成功。
與卡里科交談，魏斯曼獲得的信息是可嘗試采用mRNA策略，因為相對于DNA疫苗，mRNA疫苗具有更大優(yōu)勢。就這樣卡里科以初級研究員的身份加入魏斯曼的實驗室。如果當時沒有這場邂逅，卡里科很有可能在接下來的幾年被掃地出門，此前她就因為沒有申請到經(jīng)費，被降薪降職。
至于mRNA疫苗為何比DNA疫苗有優(yōu)勢？首先簡便，DNA需首先跨過細胞膜，然后再跨過細胞核膜進入細胞核，而mRNA只需跨過細胞膜進入細胞質(zhì)即可，困難程度大大降低；其次安全，DNA是遺傳物質(zhì)，在細胞核具有插入宿主DNA引發(fā)突變的風險，而mRNA則不會。如此美好的前景下，兩人立即達成合作協(xié)議，啟動mRNA疫苗研發(fā)。
魏斯曼和卡里科合作是一個非常成功的典范。疫苗是mRNA最佳應用方向，盡管mRNA提供無限可能，而疫苗無疑是最成功的，如果不是疫苗而是藥物的話，可能還要等上幾年甚至幾十年。
然而，“現(xiàn)在每個人都明白mRNA技術的重要性，可惜那時候卻沒有，” 卡里科曾在接受采訪時感嘆道。
1955年，卡里科出生于匈牙利東部小鎮(zhèn)小新薩拉什，從小就對自然科學感興趣。1972年，卡里科進入匈牙利最著名的大學之一塞格德大學就讀，并于1977年遇見了自己未來的丈夫貝拉·弗朗西亞（Béla Francia）。1978年，卡里科在塞格德大學拿到了博士學位，隨后進入塞格德生物研究中心工作，主要研究RNA。
1985年，塞格德生物研究中心因缺少經(jīng)費開始減員，卡里科被裁后申請到了美國天普大學的博士后職位，便離開了匈牙利。
1989年，她以助理研究員的身份從天普大學來到賓夕法尼亞大學醫(yī)學院埃利奧特·巴納森（Elliot Barnathan）實驗室。當時她與巴納森一起嘗試將mRNA注射到細胞中，看是否能產(chǎn)生蛋白質(zhì)，然后利用同位素技術看這些蛋白質(zhì)在細胞中哪個位置以及如何發(fā)揮作用。然而當時RNA技術不被外界接受，后來巴納森離開學術界去了一家制藥公司，卡里科失去了依靠，就此徹底地失去了研究經(jīng)費來源。
1997年是卡里科研究生涯的重要轉(zhuǎn)折點，她在賓夕法尼亞大學醫(yī)學院偶然碰見剛加入醫(yī)學院的新教員魏斯曼。魏斯曼向她介紹自己是研究艾滋病病毒疫苗的，而卡里科則介紹說，“我是一個RNA科學家，可以做有關mRNA的任何事?！?/span>
當時魏斯曼一心想研制出艾滋病疫苗，他覺得也許可以試試卡里科的mRNA技術，就這樣魏斯曼將卡里科引入到自己的實驗室。
于是，卡里科和魏斯曼開始專注于利用mRNA技術進行疫苗開發(fā)。后來，他們關于如何抑制mRNA疫苗引起的過度免疫的相關文章發(fā)表在Immunity 雜志上。
2005年，斯坦福大學讀博士后德約克·羅西（Derrick Rossi）注意到了卡里科和魏斯曼發(fā)表在Immunity 上的論文，他認為這篇文章很有開創(chuàng)性，當時他主要從事干細胞方面研究，希望通過這種修飾后的mRNA來讓成熟的細胞重編程，重新回到干細胞的狀態(tài)。
2009年，羅西的研究頗有進展，于是他告訴哈佛醫(yī)學院的蒂莫西·斯普里格（Timothy Springer）這一結果，斯普里格同時是一位醫(yī)藥企業(yè)家。隨后，斯普里格告訴了更資深的學者羅伯特·蘭格（Robert Langer），蘭格建議羅西可以用“這個技術來研發(fā)藥物、疫苗，以及其他所有的可能”。
2010年，羅西、蘭格、斯普里格以及 Kenneth Chien，一起成立了Moderna公司。2014年，羅西從Moderna公司退休，目前他在Moderna公司沒有任何職務。
而在2006年，卡里科和魏斯曼也創(chuàng)立了一家公司RNARx，卡里科擔任這家公司的CEO，此后RNARx獲得了來自政府的90萬美元的資助。然而，2010年，賓夕法尼亞大學將卡里科和魏斯曼的專利賣給了實驗室供應商Cellscript的老板Gary Dahl。RNARx公司尚未進入臨床的項目就此夭折了。
此后，Moderna的投資公司之一 Flagship Pioneering 曾找到卡里科，只可惜當時這個專利已經(jīng)被賣掉了。沒有專利授權，Moderna只好自己來修飾核酸，并能重復卡里科的結果，2014年，Moderna獲得了自己的專利。與此同時，Gary Dahl 也將卡里科和魏斯曼的核心專利轉(zhuǎn)讓給了Moderna和BioNTech了。
2013年，賓夕法尼亞大學不再續(xù)聘卡里科，于是她順勢加入了BioNTech公司擔任公司的副總裁，當時BioNTech是一家連自己網(wǎng)站還沒有的小公司。
進入公司后，卡里科繼續(xù)她的研究，以改進mRNA 技術。如保護mRNA分子，使其能保存更長時間，因為mRNA很不穩(wěn)定，通常情況下需要超低溫下才能保存下來。2015 年，卡里科發(fā)現(xiàn)用脂質(zhì)納米顆粒包裹它們，可防止它們過快降解并促進它們進入細胞。
此后mRNA真的開始在人體進行試驗，有7-8個mRNA疫苗的試驗項目在開展，但沒有一個mRNA疫苗成功獲批上市，人們不太相信這個技術能發(fā)揮很大的價值。
沒想到新冠疫情加快了mRNA疫苗的臨床進展，并且被逐漸證明是一款高效率的疫苗工具，成為遏制新冠疫情的重要工具。
mRNA 技術大熱讓卡里科和魏斯曼成為諾獎的熱門人選。此前羅西在媒體采訪時表示，卡里科和魏斯曼應該獲諾貝爾獎，“如果有一天誰讓我推薦諾貝爾獎推薦人選的話，我會推薦他們，因為這是一個將基礎科學研究推向臨床并挽救了整個世界的故事”。
Moderna聯(lián)合創(chuàng)始人Chien也表示，“包括 Moderna 在內(nèi)的所有mRNA 公司都歸功于卡里科和魏斯曼的原創(chuàng)工作。如果沒有他們的發(fā)現(xiàn)，RNA疫苗將不會像現(xiàn)在這樣先進?！?/span>
1959年8月31日，魏斯曼出生于美國馬薩諸塞州列克星敦（Lexington），兒時就顯現(xiàn)出較好科學天賦，最喜歡的事情就是拆解，超強動手能力也促使魏斯曼更傾向于自然科學的學習。
1981年，魏斯曼從布蘭迪斯大學（Brandeis University）畢業(yè)，獲得學士和碩士學位，專業(yè)為生物化學/酶學。隨后進入波士頓大學醫(yī)學院，最終于1987年獲得醫(yī)學學位和免疫學/微生物博士學位，魏斯曼在貝斯以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心（Beth Israel Deaconess Medical Center, BIDMC）完成住院醫(yī)師培訓。
1989年，魏斯曼放棄了成為一名醫(yī)生而選擇加入美國國立衛(wèi)生研究院福奇（Anthony Fauci）實驗室從事博士后研究，重點是傳染性疾病。1997年，38歲的魏斯曼加入賓夕法尼亞大學，正式開啟自己獨立的職業(yè)生涯，結識了科研摯友卡里科。
魏斯曼和卡里科合作是一個非常成功的典范，源于兩個原因，首先知識互補，其實選擇爭取。疫苗是mRNA最佳應用方向，盡管mRNA提供無限可能，而疫苗無疑是最成功的，如果不是疫苗而是藥物的話，可能還要等上幾年甚至幾十年。
此外，他們合作的時機也剛剛好。1996年，科學家發(fā)現(xiàn)固有免疫作用機制，這為避免mRNA免疫反應提供必要的理論支持，意味著如果他們合作時間提前將很難解決mRNA應用難題，而太晚別人就可能捷足先登。
盡管合作計劃達成，但真正實施起來仍是困難重重，消除炎癥反應當仁不讓成為解決mRNA疫苗開發(fā)的重中之重?？ɡ锟聘嘭撠焟RNA改進，而魏斯曼則負責免疫性檢測。
先補充一點基礎知識。免疫系統(tǒng)具有識別“自我”和“非我”的能力，而體外合成的mRNA可被固有免疫系統(tǒng)作為“非我”的外界入侵物對待將其破壞，因此無法到達細胞內(nèi)發(fā)揮作用。mRNA是一種由4種核苷酸按照不同排列順序形成的單鏈結構，四種核苷酸差別在于堿基不同，分別對應腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）。魏斯曼和克里克研究的向就轉(zhuǎn)化為如何能操作RNA以逃過免疫系統(tǒng)的監(jiān)視。
結果幾年試錯和改進完善，二人終于在2005年發(fā)現(xiàn)mRNA引發(fā)免疫應答的問題所在，那就是尿嘧啶（U）惹的禍，它與核糖有兩種連接方式，正常情況下形成尿苷（下圖左），但特殊情況下還形成假尿苷（Ψ）（下圖右），恰恰就是這個微小差別則產(chǎn)生不同后果。魏斯曼和克里克發(fā)現(xiàn)使用Ψ代替U后形成的修飾mRNA，可有效躲避免疫系統(tǒng)的識別而不再出現(xiàn)炎癥反應。
這一發(fā)明在著名的《Immunity》 雜志發(fā)表，同時申請專利，對推動mRNA應用具有里程碑意義。
卡里科在獲獎感言中說：今天，在接受拉斯克獎的時候，我反思了我卑微的開始和我走過的漫長曲折的道路。
在高中時，我的老師遞給我一本名為《生活壓力》的書，漢斯·塞利在書中寫道：“采取正確的態(tài)度可以將消極的壓力轉(zhuǎn)化為積極的態(tài)度。” 這本書是我多年來繼續(xù)成為科學家旅程的向?qū)А?/span>
當我經(jīng)歷失敗時，我記得塞利的話——作為一名學生，或者在實驗室——所以我采取了正確的態(tài)度，尋找提高自己、更努力工作、更有創(chuàng)造力和表現(xiàn)更好的方法。我總是試圖專注于我能做的事情，而不是把任何時間浪費在我不能做的事情上。
卡里科還說：我和同事們一起，在前人的發(fā)現(xiàn)的基礎上，慢慢地找到了解決方案，并創(chuàng)造出了適合治療的最佳RNA。我從來沒有想過它會被用來制造對抗全球流行病的疫苗。
“當我接受拉斯克獎時，我想起了所有和我一樣辛勤工作的科學家們，他們對工作充滿熱情，為新冠病毒mRNA疫苗的成功做出了巨大貢獻?！?/span>
卡里科想到了所有可能會受到她的故事啟發(fā)，想成為科學家的年輕女孩，想對他們說:“保持好奇心，采取正確的態(tài)度，堅持在正軌上，不管這條路有多長，有多曲折。”
魏斯曼則在獲獎感言視頻中說：盡管我們二十多年前開始的研究最終取得了重大發(fā)現(xiàn)并成功應用于疫苗來預防導致大流行的病毒感染，這項工作仍將繼續(xù)下去。“我很高興地說，我的實驗室正在尋求新的mRNA疫苗，以防止流感和艾滋病毒等多種傳染病，甚至一種泛冠狀病毒疫苗，可以提供冠狀病毒類別中所有病毒的保護?！?/span>
魏斯曼還開玩笑地說，他的妻子和孩子經(jīng)常因為他對慶祝成功不感興趣而感到沮喪?！爱斞芯勘砻鱩RNA疫苗在預防新冠病毒有效率超過90%，在預防住院幾乎超過100%時，我的家人想做一些特別的事情。但在接種完疫苗后，他們只是簡單地吃了一頓晚餐，原因是魏斯曼只想回到實驗室繼續(xù)工作。
迄今為止，mRNA技術已經(jīng)獲得了許多重要的獎項，也被視為今年諾貝爾獎的有力競爭者。但同時mRNA的歷史也錯綜復雜。9月初，《自然》（Nature）刊發(fā)了一篇長文 “The tangled history of mRNA vaccines ”，回顧了mRNA技術的發(fā)展歷程，從發(fā)現(xiàn)mRNA，到人工合成mRNA，到如何修飾mRNA降低免疫反應，再到mRNA遞送系統(tǒng)的開發(fā)，均有涉及。
作者 Elie Dolgin 采訪了大量的科學家，給我們展現(xiàn)了在mRNA疫苗領域，除了呼聲很高的卡里科和魏斯曼，還有很多其他的人做出了重要貢獻。
文章寫到，首先被忽視的是一位名叫 Robert Malone 的學者，他在社交平臺上以mRNA疫苗和RNA藥物發(fā)明人自居。如今他已離開學術界，離奇的是，他現(xiàn)在成為一名反mRNA新冠疫苗人士。
早在1987年，Malone還在美國Salk研究所做研究生時就發(fā)現(xiàn)，通過將mRNA片段包裹在油脂中，然后將它們放置人體細胞，油脂釋放出mRNA，同時mRNA會在細胞中表達蛋白質(zhì)。根據(jù)《自然》這篇文章介紹，當時Malone在實驗記錄本上寫到，RNA可被視為一種藥物。此后也有人重復出他的結果。
1985年，卡里科才剛從匈牙利移民美國，直到1989年，她才來到賓夕法尼亞大學醫(yī)學院埃利奧特·巴納森（Elliot Barnathan）實驗室，她做得事情跟數(shù)年前Malone的工作類似，即“將mRNA注射到細胞中，看是否能產(chǎn)生蛋白質(zhì)，然后利用同位素技術看這些蛋白質(zhì)在細胞中哪個位置以及如何發(fā)揮作用。” 卡里科在一次采訪時表示。
在當時，雖然Malone認為用mRNA技術來開發(fā)疫苗價值很大，但mRNA很容易降解，穩(wěn)定性很差，這讓Malone左右為難。
事實上，早在1978年，就有學者通過脂質(zhì)體將mRNA輸送到小鼠和人體細胞中，從而進行蛋白質(zhì)的表達實驗。
不過，當時沒有人將它看成一個有潛力的藥物，主要因為mRNA在實驗室難以生產(chǎn)，科學家們只希望通過它來了解細胞的分子特征。當時他們使用的mRNA主要來自兔子的血，小鼠以及其他動物。
直到1984年，情況才有所改觀。學者 Paul Krieg 和 Douglas Melton、Tom Maniatis 以及 Michael Green 等人用RNA合成酶和其他材料，人工合成了具有活性的mRNA，這一方法至今仍在使用。
研究者還驗證了新合成的mRNA的功能，Krieg將人工合成的mRNA注射到青蛙的卵中，被證實它的確發(fā)揮了作用。然而，Krieg和Melton只是將其視為一種研究基因調(diào)控的工具。
1987年，Melton覺得人工合成的mRNA可用來生產(chǎn)促進或抑制蛋白質(zhì)的表達，并創(chuàng)立了一家公司，名為Oligogen（后更名為Gilead Sciences），他們做的工作是，通過利用人工合成的mRNA抑制基因表達，從而來治療眼疾。他們從來沒有想過利用mRNA來制備疫苗。
據(jù)《自然》雜志的這篇文章介紹，也許是看到了Krieg和Melton的結果，這時候的Malone如夢初醒，利用二人的方法也人工合成了mRNA，并與合作者Philip Felgner開發(fā)的脂質(zhì)體，將人工合成的mRNA遞送到人體以及青蛙細胞中，進行蛋白質(zhì)的表達。
值得一提的是，Malone沒有獲得博士學位，他的導師是鼎鼎大名的因德爾·維爾馬（Inder Verma），他是知名的美籍印度裔分子生物學家、癌癥學家。相信很多人對維爾馬并不陌生，2018年他因為性騷擾被Salk研究所開除。
由于Malone與維爾馬發(fā)生了爭吵，提前離開了實驗室，他后來在Philip Felgner的公司進行工作，繼續(xù)mRNA研究方面的研究。
經(jīng)歷同卡里科一樣，有些坎坷，通過mRNA研究很難申請到經(jīng)費，于是他開始專注于DNA疫苗和遞送系統(tǒng)方面研究。
2001年，Malone離開學術界，開始在做一些商業(yè)和顧問方面的工作。
由于沒有獲得充分的認可，Malone不僅不擁護mRNA疫苗，倒成為一名反疫苗人士，他認為現(xiàn)在的mRNA疫苗會對兒童和青少年帶來危害，而他有辦法可以解決這個問題。不過，這一說法被很多研究者以及健康方面的專家駁斥了。
《自然》這篇文章也采訪到了一些持有不同意見的學者，他們質(zhì)疑卡里科和魏斯曼的貢獻。
在上述質(zhì)疑者看來，即使不用修飾的mRNA，只需將mRNA中的雜質(zhì)清除干凈，同樣不會引起強烈的免疫應答，這主要取決于mRNA的質(zhì)量。Translate bio的臨床結果顯示，mRNA不會引起人體強烈的免疫應答，而另一家公司Curevac則是通過修飾mRNA，減少尿苷酸的量，減少免疫反應。
如果這樣的質(zhì)疑最終被證實，那么會讓假尿苷酸的修飾在這項技術的重要性上大打折扣，也將動搖卡里科和魏斯曼在mRNA技術上的貢獻。
因此，文章作者認為，目前還不清楚到底誰的貢獻大：是合成mRNA的人，還是讓mRNA減少免疫反應的學者。
mRNA技術能否摘得諾貝爾獎桂冠，以及由誰摘取，一個多星期后即將在瑞典斯德哥爾摩揭曉。
致謝：感謝上海市免疫治療創(chuàng)新研究院院長、中科院院士、免疫學專家董晨對本文的審閱。
制版編輯 | 盧卡斯
