不止於對抗病毒：mRNA技術推開醫療革命的希望之門_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-08-29 09:32
但mRNA技術的用武之地遠不止於製作傳染病疫苗。它解決了蛋白質藥物的製造難題，不僅讓我們有可能治癒癌症、治癒自體免疫性疾病，還能大大降低治療的價格，讓更多人負擔得起mRNA療法。
今年七月中旬，我國首個核酸產業園在上海破土動工。未來，基於mRNA技術開發的各種疫苗及藥物將會是生物醫藥產業的發展方向。
編譯 | 汪汪
來自病毒的啓示
對人類而言，病毒在很多層面上一直扮演着敵人的角色，但從敵人身上學習乃是人類十分擅長的事情，對病毒這個敵人也是如此。
當病毒侵入人體時，它可以挾持人類的細胞為它工作，生產它需要的遺傳物質及外衣，繼而產生更多的病毒。這一招很陰險，也很奏效，作為細胞的入侵者，它們可以利用人體細胞來快速積累自身實力，然後對免疫系統發起攻擊。
搞清楚這一點之後，科學家們開始思考，如果病毒可以將我們的細胞變成它的蛋白質加工廠，那為什麼人類不可以使用同樣的策略來製造蛋白質呢？
事實證明，我們也可以。這個富有遠見的設想被提出後，科學家們經過數十載的研究，最終在新冠疫情來臨時成功將設想化為現實——Pfizer/BioNtech疫苗（輝瑞疫苗）以及其他的新型新冠疫苗正是模仿了病毒的這一特點：它們使用mRNA（message RNA，信使RNA）去指示我們的細胞產生可被免疫系統識別的蛋白質片段，從而使免疫系統學會識別入侵者併產生免疫力。
這項技術的快速發展得益於新冠疫情大流行：疫情迅速擴散，引發對疫苗的迫切需求，促使新型疫苗研發一再加速。人們見證了mRNA疫苗研發速度快、成本低的潛在優勢。加拿大不列顛哥倫比亞大學（University of British Columbia）的生物學教授Pieter Cullis是這樣描述的：“新冠疫苗的迅速發展為我們揭示了人類研發新藥的速度可以達到什麼程度，mRNA疫苗從誕生到投入使用甚至只花費了三個月的時間。”[1]
新冠疫苗僅僅是一個開始，如果我們能採用這種方式去招募我們的身體——就像徵兵——主動對疾病發起反擊，那麼，小到細菌感染，大到自身免疫疾病，甚至是難以攻克的遺傳疾病和癌症，都逃不過這款武器的反擊。Cullis形容“這是一場藥物形式的革命，它的發展速度和檢測速度都非常快”。雖然我們才剛剛站在起點上，類似於mRNA疫苗這樣的突破才剛剛出現，但毫不誇張地説，mRNA技術必定會改變人類與疾病抗戰的局面。
近代以來，醫學一直在進步，但能稱之為“突破”的進展則少之又少，mRNA疫苗可以算其中之一。為何科學家對mRNA技術及相關療法展示出的潛力如此興奮？這需要從疫苗的歷史講起。
從活病毒到説明書
早期的疫苗一般由“活”病毒組成，這些病毒通常帶有令它們毒性減弱的突變，使它們的危險性低於野生病毒，同時又能夠讓人體產生免疫反應。活疫苗非常有效，曾一度讓人類免於大規模的災害，例如我們熟知的早期天花疫苗和狂犬疫苗。
但活疫苗也有缺點：首先，製造十分困難，因為病毒只能由活細胞產生；其次，減毒版的完整病毒也依然具有威脅性，可能會傷害那些免疫力較弱的人；最關鍵的是，用於製造活疫苗的病毒有變異的可能，這使得它們危險性倍增，就像脊髓灰質炎的減毒活疫苗口服後，病毒在接種者體內可能會發生回覆突變，恢復神經毒性，在排出後反而會導致病毒擴散，造成嚴重後果（詳見《拯救千萬人，卻不受同行待見：只有推動新技術，才算好的科學？| 喪鐘何時鳴響（4）》）。
因此，隨着科學的進步，很多現代疫苗放棄了早期使用的“活病毒”，開始採用滅活病毒來生產疫苗。現在，不少亞單位疫苗甚至不需要使用完整的病毒（無論死活），只需採用可以被免疫系統識別的病毒片段，比如蛋白質或者多糖等，就能起到免疫的作用。但生產這樣的疫苗依然十分困難，因為任何基於蛋白質的藥物都受限於一點：它們必須在活細胞中生產。傳統的疫苗開發被這一點縛住了手腳，從為初始測試準備劑量到後期大規模生產，每個階段都需要解決產能問題。如果候選疫苗效果不佳，也很難調整它的生產路線。
不過，就在幾十年前，生物學家們借鑑病毒的繁殖模式，悟到了一條潛在的捷徑：與其向體內注射病毒或病毒的部分蛋白，不如向我們的身體提供製造病毒蛋白的基因配方，讓身體自己製造這些抗原。我們的身體是天然的蛋白質加工工廠，但通常只會按照特定的模板生產人體所需的蛋白質，這些蛋白質配方一般永久存儲在我們的細胞核DNA中。當細胞需要製造蛋白質時，會以mRNA的形式製造RNA副本。這些mRNA將指令傳遞給細胞的蛋白質製造工廠——核糖體，這個過程將會持續幾小時或幾天，直到mRNA分解，蛋白質生產停止。
mRNA技術的發展
1990年，生物學家利用小鼠實驗證明，將編碼蛋白質的DNA或mRNA添加到活細胞中，可以讓小鼠大量生產這種蛋白質。這個發現令人雀躍，因為比起生產蛋白質，在實驗室中生產 DNA 和 RNA要容易得多[2]。這個實驗為我們證明了“捷徑”的可行性：如果我們能準確解析引發免疫反應的蛋白質所對應的mRNA序列，那我們就能夠以非常快的速度製造出原型疫苗。而且在製造這種疫苗的過程中不需要依賴任何生物過程，因此生產速度比之傳統疫苗將大大提升。
但理論和實踐之間永遠都存在着距離。摸清了原理，又如何將這種“捷徑”落到實處？科學家們遇到的第一個障礙就是人體對外源RNA的防禦措施。由於很多病毒和寄生蟲都會使用RNA來挾持細胞、以生產它們繁殖所需的營養物質，所以人體不可能毫無應對措施——在我們的血液、汗水和眼淚中存在着一種叫做“RNA 酶”的物質，這種酶可以迅速分解細胞外發現的任何 RNA。即使外源RNA突破了這道防線，成功侵入細胞，它們還是會觸發一系列來自細胞的防禦反應。不列顛哥倫比亞大學的生物工程專家Anna Blakney 這樣形容：“在不斷的進化中，人類的身體已經學會使用各種手段來檢測和防禦 RNA 病毒。”[1]
也許有人會問，疫苗不正是需要引發人體的免疫反應嗎？確實，疫苗需要拉響免疫系統的警鐘，令其對病毒採取措施。但如果人體對引入的 RNA的反應如此強烈，以至於它們還未來得及表達所需的蛋白質就被破壞了，那我們想要得到的抵禦病毒的免疫反應也就無從説起了。因此，之前大多數生物學家都對 mRNA 疫苗技術持消極態度，更多研究人員將目光集中在基於DNA的疫苗研發上。但到目前為止，DNA 疫苗的各項試驗都令人失望，並沒有疫苗可以引發強烈的免疫反應。
mRNA技術後期的高歌猛進得益於兩個關鍵突破，第一個出現在2005年，賓夕法尼亞大學的Katalin Karikó和Drew Weissman成功對mRNA進行化學修飾，使其可以躲避細胞內的免疫檢測。由於被細胞防禦機制破壞的mRNA數目大大減少，蛋白質產量增加了近1000倍[3]。（詳見《中年失業、患癌，她用四十年逆襲拯救全人類，還培養了一個奧運冠軍》）
第二個是包裝技術的突破。研究人員成功地將mRNA包裝在脂質納米顆粒中，以保護它們免受血液中的RNA酶的分解，並將它們遞送入細胞內[4]。這種方法必須克服一個巨大的挑戰：RNA帶負電荷，因此只會與帶正電荷的脂質結合，但帶正電荷的脂質是有毒的，它們傾向於將細胞撕裂。科學家們巧妙地解決了這個難題：他們開發了一種初始帶正電荷的脂質，可以成功封裝 RNA，等這種脂質進入體內後，會失去正電荷，從而失去毒性。經過多年的逐步完善，直到 2010 年代，一款名為 patisiran 的藥物使用這種關鍵技術，在人體試驗中證明了這項技術是對人體是安全的，為 mRNA 疫苗的快速研發和使用鋪平了道路[5]。
在這兩個關鍵突破出現後，mRNA技術的前景開始變得清晰而喜人。2013年3月， H7N9禽流感在中國暴發，約有100人感染。病毒的基因序列發佈到網上後，諾華製藥的一個團隊在短短八天內就從頭研製出了一種mRNA候選疫苗。幾周內，候選疫苗就在小鼠身上被證明可以產生良好的效果[6]。相比於傳統疫苗一年或更長的研發時間，mRNA疫苗的研發速度創造了驚人的歷史記錄。但因為H7N9疫情很快結束，這項工作沒有繼續下去。此後，由於新技術的前景和利潤存在很大的未知性，大型製藥公司都放棄了繼續跟進，將機會留給了 BioNTech 和 Moderna 等較小的公司。
在2020年全球新冠病毒大流行之前，許多mRNA 療法就已經在試驗中了。這些小型試驗主要是通過誘導免疫系統靶向腫瘤中的突變蛋白來治療癌症，但還沒有一種療法被批准用於人類。新冠疫情全球暴發後，mRNA技術恰逢其會，市場的迫切需求大大推動了它的研發速度。它也沒有辜負人們的期待——2020年8 月，輝瑞和BioNTech 聯合研製的疫苗BNT162b2成為第一個獲得FDA全面批准的mRNA 疫苗。
mRNA技術的可行性在疫情中得到充分證明後，獲得了眾多投資者的青睞。Cullis説：“這像是一場淘金熱……mRNA技術顯然有廣闊的應用前景，你可以表達任何你想要的蛋白質。”
低價才是王道
近些年來，隨着技術的發展，製藥格局發生了改變，一些基於蛋白質的大分子藥物紛紛獲批上市，它們比傳統的小分子藥物靶向性更強，治療效果也更好。在這些大分子藥物中，大部分是經過精確設計以對抗特定疾病的抗體。抗體正是一類特殊的蛋白質大分子，是人體免疫系統針對引起疾病的入侵者（例如抗原）而產生的一類具有保護作用的蛋白質。經過科學家們設計加工的抗體可用於多種目的：除了常常提到的治療癌症之外，它們還可以幫助治療自身免疫性疾病，一系列傳染性疾病，甚至是難纏的偏頭痛。
這些經過精心設計的藥物一般都具有很好的療效，但也有着顯而易見的缺點：它們的生產困難且耗時，因此成本高得令人難以置信。對於一些需要長期定期注射抗體的患者來説，這將是一筆難以承受的鉅款。例如，一種致命腎臟疾病aHUS （Atypical hemolytic uremic syndrome）可以用一種名為 eculizumab 的抗體藥物進行治療，但那是世界上最昂貴的藥物之一，患者每年需花費約300,000英鎊（約合243萬元人民幣）文[7]。
為什麼會如此昂貴？如果我們瞭解在工廠中製造蛋白質有多困難，也許就能理解了。我們知道，蛋白質的功能不光取決於氨基酸的精確排列，也取決於它們摺疊形成的三維結構，而這種摺疊的每一步都只能發生在活細胞中。這意味着，不僅是在製造過程需要精確產生這種三維結構，在後續的純化、儲存、運輸過程中都需要去保護這種結構不受破壞，並且所有這些步驟都必須針對每種不同的蛋白質進行定製。
相較之下，製造mRNA就簡單很多，因為它們編碼的最重要的信息——鹼基序列——可以使用化學工藝製造，無需活細胞，而且不同的mRNA可以使用相同的生產過程進行製造。如果我們可以使用mRNA 技術將藥物製造步驟轉移到我們的身體中，即，讓我們的身體來根據mRNA的指示主動生產所需的蛋白質（就像mRNA疫苗做的那樣），那產生相同療效所需的成本將會大大壓縮。相較於蛋白質類藥物，這是一個巨大的優勢，新療法也會更快、更容易出現。在理想的情況下，我們可以用mRNA藥物治療任何疾病。
不過，在實際操作上，mRNA藥物和mRNA疫苗還是有區別的：前者讓身體直接生產大量的抗體，後者是通過注入病毒的mRNA來誘導人體產生抗體。疫苗發揮作用只需要極少量的病毒蛋白，而且因為外來蛋白會引發炎症，所以病毒蛋白的生產必須限制在身體的一小部分，比如像疫苗注射一般會選擇上臂肌肉。而如果想要人體生產大量抗體的話，需要將大量的mRNA注入血液中。它們幾乎全部被肝細胞吸收，從而產生特定的蛋白質（抗體），並將其釋放到血液中。從本質上講，這個過程將肝臟變成了一個生物反應器，用於生產各種蛋白質藥物[8]。
這一設想直到 2017 年才得到驗證。賓夕法尼亞大學的微生物學教授Norbert Pardi 在小鼠身上證明，這種設想是可能成真的[9]。這也意味着此類 mRNA 療法仍處於早期階段。在眾多積極研發mRNA療法的公司中，Moderna 走得相當靠前，2019 年，該公司首次報告了可以在人體內直接編碼抗體的mRNA陽性實驗結果，該療法針對基孔肯雅病毒（chikungunya virus）抗體直接進行編碼[10]。
可以預見的是，mRNA技術不僅僅可以用於生產抗體，還可以生產各種其他蛋白質。2021年8月，Moderna 開始對一款新型mRNA進行實驗，該 mRNA 可以同時編碼兩種信號蛋白，一種用於治療自身免疫性疾病，另一種則通過替換有缺陷的酶來治療遺傳性疾病。如果這類試驗成功，基於mRNA技術的治療方法可能會出現爆炸式增長。這將為患者帶來極大的福音——不僅藥價會變得低廉（相比於蛋白質類藥物），所需劑量也會少於直接注射蛋白質給藥的劑量。另外，單劑量的 mRNA 可以持續生產蛋白質數天，我們還可以人工修飾 mRNA，使其發揮效果的時間更長。
與直接注射抗體相比，用 mRNA生產抗體會有輕微的延遲。一些科學家曾經對mRNA療法可能存在的滯後抱有疑慮，但研究發現，這些微小的滯後可能無關緊要，即使面對中毒等需要緊急治療的情況也是如此。例如，最近在實驗鼠身上進行的一項研究就發現，面對致命劑量的肉毒桿菌毒素時，注射mRNA與直接注射抗體一樣有效[11]。
未來可期
隨着問題一個個解決，mRNA療法也一步步走進現實，目前亟待解決的是靶向性問題——如果我們能夠設法將藥物遞送到特定的器官或組織，比如大腦或者骨髓，那麼mRNA 技術的用途將會更廣。
雖然當下來看，現有的藥物遞送水平已經能用、夠用了，比如Moderna 的 AZD8601 已經在開展人體試驗，它可以在無法癒合的傷口處或因心臟病發作而受損的組織中刺激血管生長。但是，許多遺傳疾病是由某些組織中缺乏功能性蛋白質引起的，除非直接注射到該組織，否則很難將mRNA遞送到肝臟以外的其他部位。
對此，科學家們提出了幾種解決方案，其中一種策略是將 mRNA 放入已知以特定細胞類型為目標的病毒空殼內，以病毒為載體，將mRNA傳遞到特定的組織中。但是，免疫系統具有記憶性，會攻擊曾經出現過的病毒，所以這種方法用過一次，就沒法再用了。2021年8月，有團隊報告，他們成功地基於一種人類蛋白質製造出了可以作為載體的外殼，從而有望解決這個問題[12]。不過Blakney認為，“這不失為一種可行的策略，但還有很多需要完善和檢驗的地方。
用mRNA技術對抗癌症則是通過一種叫做“癌症疫苗”（cancer vaccine）的法療來實現的。癌症疫苗的總體思路是讓一個人的免疫系統可以精準區分腫瘤細胞和正常細胞，通過將腫瘤抗原以多種形式（如核酸、蛋白多肽等）導入患者體內，來刺激患者體內自身免疫系統的反應從而對腫瘤細胞進行清除。由於不同癌症患者的腫瘤細胞突變不同，所以癌症疫苗一般是個性化定製的，需要對個體的腫瘤細胞進行基因測序以識別靶標，這種靶標通常是腫瘤細胞中出現的突變蛋白。使用mRNA技術來定製癌症疫苗的一大優勢在於: 一旦確定了這些靶標，就可以快速且相對便宜地生產癌症疫苗，疫苗價格還可能會下降。
不過，癌症疫苗的難點不在於技術，而在於弄清楚腫瘤細胞的特性。北卡羅來納州杜克大學（Duke University in North Carolina）的 Smita Nair就認為：尋找腫瘤特異性靶點非常具有挑戰性，讓身體主動攻擊腫瘤細胞也不是一件容易的事情，因為腫瘤細胞非常狡猾，它們表面的蛋白質與正常細胞的蛋白質很相似，很難被免疫系統檢測到。針對癌症的疫苗研發比傳染病要困難得多，這項工作值得期待，但十分具有挑戰性。
據統計，目前全球共有六款針對癌症的 mRNA 療法正在進行 II 期臨牀試驗，其中四款是個性化疫苗。2021年，共有71項mRNA 疫苗試驗獲批開展，而 2018 年只有兩項。雖然絕大多數實驗仍然是針對傳染病的，但人們對mRNA療法還是抱有相當高的期待。
毫無疑問，mRNA 疫苗和相關療法具有廣闊的前景，但我們仍需要保持謹慎的態度。基孔肯雅病毒（chikungunya virus）抗體的實驗仍然是迄今為止唯一一項在人體進行治療性蛋白質產生的實驗，其完整的結果尚未公佈，因此我們還不能肯定這種方法是既安全又有效的，我們仍需要對其可能產生的毒性高度關注，並在後期進行毒性測試相關的實驗。
目前其他相關的動物試驗，特別是非人類靈長類動物實驗的結果都是積極的，而且表現出了mRNA療法驚人的潛力。雖然前路充滿挑戰，但如果我們能夠克服剩下的一個個難關，比如前文説到的靶向性和儲存問題（現有的 mRNA 疫苗必須保持冷凍狀態），我們就可以運用這種從病毒身上學到的策略來治療幾乎所有疾病。
從某種意義上説，mRNA疫苗和療法實際上並沒有太多革命性的東西，因為最終發揮作用的都是蛋白質，只不過傳統療法是直接將這些蛋白質遞送到人體內，而mRNA 疫苗則是利用人體這個天然的蛋白質製造工廠，輸送指令以達成相同的結果。但如果就研發和生產以及測試的成本和速度來説，mRNA 技術具有徹底的變革性和絕對的優勢。在這次新冠疫情中，mRNA疫苗首次推出後不到一年，就已經挽救了數十萬人的生命。因此我們可以毫不誇張地將mRNA疫苗和之後將隨之而來的各種療法稱之為醫學革命。它的未來以及人類的未來依然充滿希望。
參考文獻
[1] Le Page M. The future of medicine unlocked. New Sci. 2021; 251(3356):38–42. 10.1016/S0262-4079(21)01851-0 PMID:34690400
[2] Schlake T, Thess A, Fotin-Mleczek M, Kallen KJ. Developing mRNA-vaccine technologies. RNA Biol. 2012 Nov;9(11):1319-30. doi: 10.4161/rna.22269. Epub 2012 Oct 12. PMID: 23064118; PMCID: PMC3597572.
[3] Karikó K, Buckstein M, Ni H, Weissman D. Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors: the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA. Immunity. 2005 Aug;23(2):165-75. doi: 10.1016/j.immuni.2005.06.008. PMID: 16111635.
[4] Tenchov R, Bird R, Curtze AE, Zhou Q. Lipid Nanoparticles-From Liposomes to mRNA Vaccine Delivery, a Landscape of Research Diversity and Advancement. ACS Nano. 2021 Jun 28. doi: 10.1021/acsnano.1c04996. Epub ahead of print. PMID: 34181394.
[5] Yang J. Patisiran for the treatment of hereditary transthyretin-mediated amyloidosis. Expert Rev Clin Pharmacol. 2019 Feb;12(2):95-99. doi: 10.1080/17512433.2019.1567326. Epub 2019 Jan 18. PMID: 30644768.
[6] Hekele A, Bertholet S, Archer J, Gibson DG, Palladino G, Brito LA, Otten GR, Brazzoli M, Buccato S, Bonci A, Casini D, Maione D, Qi ZQ, Gill JE, Caiazza NC, Urano J, Hubby B, Gao GF, Shu Y, De Gregorio E, Mandl CW, Mason PW, Settembre EC, Ulmer JB, Craig Venter J, Dormitzer PR, Rappuoli R, Geall AJ. Rapidly produced SAM(®) vaccine against H7N9 influenza is immunogenic in mice. Emerg Microbes Infect. 2013 Aug;2(8):e52. doi: 10.1038/emi.2013.54. Epub 2013 Aug 14. PMID: 26038486; PMCID: PMC3821287.
[7] Dhillon S. Eculizumab: A Review in Generalized Myasthenia Gravis. Drugs. 2018 Mar;78(3):367-376. doi: 10.1007/s40265-018-0875-9. Erratum in: Drugs. 2018 Mar 9;: PMID: 29435915; PMCID: PMC5845078.
[8] Van Hoecke L, Roose K. How mRNA therapeutics are entering the monoclonal antibody field. J Transl Med. 2019 Feb 22;17(1):54. doi: 10.1186/s12967-019-1804-8. PMID: 30795778; PMCID: PMC6387507.
[9] Pardi, N., Secreto, A., Shan, X. et al. Administration of nucleoside-modified mRNA encoding broadly neutralizing antibody protects humanized mice from HIV-1 challenge. Nat Commun 8, 14630 (2017). https://doi.org/10.1038/ncomms14630
[10] August A, Attarwala HZ, Himansu S, Kalidindi S, Lu S, Pajon R, Han S, Lecerf JM, Tomassini JE, Hard M, Ptaszek LM, Crowe JE, Zaks T. A phase 1 trial of lipid-encapsulated mRNA encoding a monoclonal antibody with neutralizing activity against Chikungunya virus. Nat Med. 2021 Dec;27(12):2224-2233. doi: 10.1038/s41591-021-01573-6. Epub 2021 Dec 9. Erratum in: Nat Med. 2022 May;28(5):1095-1096. PMID: 34887572; PMCID: PMC8674127.
[11] Schlake T, Thran M, Fiedler K, Heidenreich R, Petsch B, Fotin-Mleczek M. mRNA: A Novel Avenue to Antibody Therapy? Mol Ther. 2019 Apr 10;27(4):773-784. doi: 10.1016/j.ymthe.2019.03.002. Epub 2019 Mar 6. PMID: 30885573; PMCID: PMC6453519.
[12] https://www.newscientist.com/article/2287676-delivering-mrna-inside-a-human-protein-could-help-treat-many-diseases/
來源：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0262407921018510
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