Nature特评mRNA疫苗发展史,数百位研究人员谁是最重要的贡献者?

2021-09-18 10:11:20 生辉

mRNA 疫苗巨大潜力的背后,是数百名研究人员 30 多年的工作成果积累。随着今年诺奖揭晓时刻即将到来,尽管 mRNA 技术能否在今年获奖尚不可知,但对于 mRNA 先驱的讨论已经十分广泛。

开创性技术的背后,有利益的争夺斗争,也有好奇和坚持,这是一个漫长的过程。正如图森市亚利桑那大学的发育生物学家保罗・克里格 (Paul Krieg) 说的,你永远不知道什么会有用。

在外媒的报道中,呼声最高的是考里科・卡塔林 (Karikó Katalin) 和德鲁・魏斯曼 (Drew Weissman)。两人已经获得了多个奖项,包括一个 “突破奖” 和西班牙享有盛誉的 “阿斯图里亚斯公主奖”。

在此之际,Nature 刊发了题为 “The tangled history of mRNA vaccines” 的文章,回顾了 mRNA 技术的发展历程,作者埃利・多金(Elie Dolgin)采访了大量的科学家。

考里科・卡塔林说:“每个人都渐进地添加了一些东西,包括我。”

那么,这些备受关注的科学家究竟做了哪些开创性的工作?

Paul Krieg 和 Douglas Melton:人工合成具有活性的 mRNA

1978 年,科学家们就已经在使用脂质体将 mRNA 转运到小鼠、人类细胞中以诱导蛋白质表达。但当时实验室中无法合成 DNA、RNA,大多数科学家都利用兔血、培养的小鼠细胞或者其它动物来源的 mRNA。

图 | Paul Krieg(左)和 Douglas Melton(右)

1984 年,情况才有所改变。学者保罗・克里格(Paul Krieg)和发育生物学家道格拉斯・梅尔顿(Douglas Melton)、分子生物学家汤姆・马尼亚蒂斯 (Tom Maniatis) 和迈克尔・格林 (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,这一方法至今仍在使用。

1987 年,梅尔顿发现 mRNA 可以激活或者抑制蛋白质的表达,为此成立了公司 Oligogen(吉利德前身),以探索使用合成 RNA 来抑制蛋白质表达的方式,目以治疗疾病。

Robert Malone:从先驱到反 mRNA 疫苗人士

1987 年底,罗伯特・马龙(Robert Malone)进行了一项里程碑式的实验。他将信使 RNA 链与脂肪滴混合,人体细胞可以吸收 mRNA 并产生蛋白质。

这让罗伯特意识到,如果细胞能够从传递给他们的 mRNA 中产生蛋白质,那么将 RNA 视为一种药物是可能的。随后,罗伯特证实了青蛙胚胎可以吸收 mRNA,这也是第一次有人使用脂肪滴来缓释 mRNA 进入生物体中,成为历史上浓墨重彩的一笔。

研究人员逐渐认识到 mRNA 不太稳定且价格昂贵,无法用作药物或者疫苗。在克里格和梅尔顿人工合成 mRNA 后,罗伯特在此基础上,添加了一种带正电荷的新型脂质体,这增强了材料与 mRNA 带负电荷的骨架结合能力。这些脂质体由加州大学疫苗研发中心负责人菲利普・费尔格纳(Philip Felgner)开发。

图 | Robert Malone

但罗伯特的学术之路并不顺利。因和其导师、Salk 基因治疗研究员因德尔・维尔马 (Inder Verma) 闹翻,他于 1989 年离开实验室成为圣地亚哥成立的初创公司 Vical 的员工,继续研究 mRNA 技术。

1989 年,Vical 和 Salk 开始申请相关专利,但很快 Salk 放弃主张专利。隔年,维尔马加入 Vical 的顾问委员会。尽管罗伯特被列为众多发明人之一,但他无法从之后的交易许可中获利。同年,罗伯特负气离开 Vical,理由是与其在 “科学判断” 和 “我的智力贡献的功劳” 上存在分歧。

离开 Vical 的罗伯特试图在学术上继续 mRNA 相关研究,但很难再获得资金支持。2001 年,罗伯特开始从事商业和咨询工作,但在前几个月,他开始抨击 mRNA 疫苗的安全性,成为了一名反 mRNA 疫苗人士。

尽管如此,罗伯特的研究极具参考价值,今天的 mRNA 技术极具创新,但这些创新都是在罗伯特实验室工作多年后发明的,包括化学修饰的 RNA 和不同类型的脂肪滴,以及将他们递送到体内细胞中。

Katalin Karikó 和 Drew Weissman :减少了 mRNA 的免疫反应

整个 90 年代,考里科・卡塔林 (Karikó Katalin) 一直在实验室辛勤工作,目标是将 mRNA 转化为药物平台,但相关机构一直拒绝其申请,1995 年,宾夕法尼亚大学让考里科离开或者接受降级减薪。考里科选择继续留下,基于罗伯特的研究,她设法诱导细胞产生具有治疗作用的蛋白质。

1997 年,考里科遇到了德鲁・魏斯曼 (Drew Weissman),后者刚刚在宾夕法尼亚大学成立了实验室。他们计划共同开发一种基于 mRNA 的 HIV/AIDS 疫苗,但 mRNA 注射到小鼠体内后,会引发大规模的炎症反应。

他们很快找到了原因:合成的 mRNA 会激发一系列称为 Toll 样受体的免疫传感器,他们会充当病原体危险信号第一反应者。2005 年,两人发表论文,结果表明重新排列 mRNA 核苷酸之一鸟苷上的化学键,可以产生一种假鸟苷的类似物,可以组织身体将 mRNA 识别为敌人。

图 | Karikó Katalin

2007 年,两人成立了一家名为 RNARx 的 mRNA 初创公司,并获得了 100 万美元的资助,以 RNA 修饰技术为基础开发药物。遗憾的是,当资金用完的时候,研究并未取得很⼤的进展。更严重的是,考利科、魏斯曼和宾夕法尼亚大学对该技术的知识产权产生了分歧,最终宾夕法尼亚大学将专利权转让给了麦迪逊一家小型实验室试剂供应商 Cellscript,RNARx 的商业化之路就此结束。

但科学界也意识到了这些修饰核苷酸的价值。2010 年,时任马萨诸塞州波士顿儿童医院的干细胞生物学家德里克・罗西 (Derrick Rossi) 领导的一个团队开发了 RNA 诱导的多功能干细胞技术,这一发现引起了轰动。罗西被《时代》杂志评为 2010 年 “重要人物” 之一。

图 | Drew Weissman

这间接影响了 Moderna 的诞生。尽管业内人士仍在争论考利科和魏斯曼的发现是否对 mRNA 疫苗的成功至关重要,但 Moderna 和 BioNTech 一直在使用经过修饰的 mRNA。

CureVac 曾使用自己的技术最大限度减少疫苗中的鸟苷含量。尽管该公司针对狂犬病和 COVID-19 的早期试验是成功的,但 6 月的试验数据显示,CureVac 的冠状病毒候选疫苗的保护作用远不如 Moderna 或 BioNTech 的。

鉴于这些结果,一些 mRNA 专家现在认为假尿苷是该技术的重要组成部分 —— 因此,他们说,考利科和魏斯曼的发现是值得认可和奖励的关键促成贡献之一。

Pieter Cullis:解决 mRNA 的递送问题

递送是另一项对 mRNA 技术至关重要的创新,而 mRNA 疫苗正是依靠了脂质纳米颗粒。

这项技术由加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的生物化学家彼得・卡利斯 (Pieter Cullis) 及其团队开发。自 90 年代后期开始,他们率先将 LNP 用于递送沉默基因活动的核酸链,后来发明了一种叫做 patisiran 的药物,现在被批准用于治疗家族性淀粉样多发性神经病变。

图 | Pieter Cullis

在基因沉默疗法开始在临床试验中显示出前景后,卡利斯创办的两家公司开始转向探索基于 mRNA 的药物中使用 LNP 传递系统的机会。

由首席执行官托马斯·马登(Thomas Madden) 领导的 Acuitas Therapeutics 与魏斯曼在宾夕法尼亚大学的团队以及几家 mRNA 公司建立了合作伙伴关系,以测试不同的 mRNA-LNP 制剂。现在 BioNTech、CureVac、Moderna 的 COVID-19 疫苗的 mRNA-LNP 均来自于此。

纳米粒子是四种脂肪分子的混合物:三种有助于结构和稳定性,第四种称为可电离脂质,是 LNP 成功的关键。这种物质在实验室条件下带正电荷,与 80 年代后期费尔格纳开发和罗伯特测试的脂质体具有相似的优势。


但是,卡利斯和他的商业伙伴提出的可电离脂质在生理条件下(例如血液中的条件)转化为中性电荷,这减少了对人体的毒性作用,并且这种可电离脂质可使 mRNA 存放更长的时间并保持其稳定性。

2000 年左右,科学家设计出了一种混合和制造这些纳米粒子的新方法。它涉及使用 “T-connector” 的装置,该装置将脂肪(溶解在酒精中)与核酸(溶解在酸性缓冲液中)结合起来,当两种溶液的流合并时,组分自发形成密集的 LNP。事实证明,这是一种更可靠的技术。

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