2023年诺贝尔生理学或医学奖表彰Katalin Karikó与Drew Weissman关于核苷碱基修饰的发现，该发现对于新冠mRNA疫苗研发至关重要。然而除此之外，新冠mRNA疫苗背后还有其他诸多重要的科研硕果值得关注。本文梳理了mRNA疫苗诞生过程中不可或缺的关键突破，如mRNA的发现、RNA的人工合成、RNA的碱基修饰、脂质体的创生和发展以及用于RNA递送的脂质纳米颗粒主要成分的确定等。新冠mRNA疫苗背后的重大科研突破凸显了坚守冷门而重要研究的难能可贵。指出了应正确认识热门学科与冷门学科的辩证关系，推动对冷门学科的倾斜支持，并关注学科发展的均衡配置。
接种疫苗是控制传染病最为行之有效的手段，在医学史上疫苗挽救的生命远多于其他任何医疗手段。人痘接种术在千年之前诞生于中国，之后逐步向亚欧大陆普及；Edward Jenner于1796年将挤牛奶女工的痘液接种到8岁男孩身上标志着牛痘接种法的诞生。19世纪末至20世纪上半叶，减毒疫苗、血清疗法、卡介苗、百日咳疫苗、流感疫苗等相继问世。
20世纪50年代，又有两项疫苗相关研究获得诺贝尔奖。1937年Max Theiler等开发出了黄热病减毒疫苗，于1951年获得诺贝尔生理学或医学奖。1949年John Enders、Thomas Weller和Frederick Robbins实现脊髓灰质炎病毒的组织培养，荣获1954年诺贝尔生理学或医学奖。1955年脊髓灰质炎疫苗研发成功。
20世纪下半叶，疫苗领域重大突破则与分子生物学息息相关，乙肝疫苗是历史上第一款基于分子生物学基因重组技术的疫苗。1965年Baruch Blumberg鉴定出血液中的乙肝抗原，于1976年获得诺贝尔生理学或医学奖。1979—1982年，William Rutter、Pablo Valenzuela与同事成功克隆出乙肝病毒表面抗原，为乙肝疫苗在1986年问世打下基础。
时至今日，疫苗开发仍是历久弥新的挑战，而疫苗研发的技术创新则不断书写出新的篇章。
2023年诺贝尔生理学或医学奖授予Katalin Karikó与Drew Weissman，以表彰他们在核苷碱基修饰方面的发现。正是这个关键发现扫清了新型冠状病毒感染mRNA疫苗开发的最大障碍，最终使新冠mRNA疫苗横空出世，全球新冠mRNA疫苗接种数量已超过130亿剂次。他们关于mRNA疫苗的发现历程与成果对mRNA疗法研发有深远影响。
1 初心未改：
mRNA的医学发展
从DNA到mRNA再到蛋白质的遗传信息传递链即奠定了“中心法则”的基础。自从mRNA在20世纪60年代初被发现以来，科学家们就开始思考宏大的医学应用场景：如果人体缺少或者需要获得某种蛋白质，例如酶、激素、受体、抗原或抗体等，只需将对应mRNA注射到人体内，经过翻译即可得到想要的蛋白质。而新冠mRNA疫苗的成功让我们看到了这个恢宏愿景在医学实践中的曙光。
1.1
石破天惊：
mRNA的发现
20世纪50年代，很多科学家都观察到了蛋白合成过程中出现存续时间短暂的水溶性RNA，然而当时并未引起足够重视与深入探究。
1960年4月，Sydney Brenner与Francis Crick提出应该存在一种不同于核糖体RNA的以DNA为模板合成的RNA。在Crick的启发下，1960年6月，Brenner、Jacob通过噬菌体侵染细菌实验，明确证实了mRNA的存在，并随后向Nature投稿。1961年2月，James Watson与Robert Risebrough领衔的团队也得出了类似的实验结果，Brenner同意延迟发表以便两篇文章同时刊出。1961年5月，两篇文章在Nature背靠背发表。
Crick和Watson因对DNA到蛋白质的表达过程有着更加深刻的洞察和直觉，从而更自然而然构建起有mRNA参与的基因表达理论。
1960年秋天，François Jacob和Jacques Monod首次将该RNA称为信使RNA（messenger RNA），并讨论了mRNA参与基因表达的调控机制。发现mRNA石破天惊的开创性工作在生物学史上的重要性毋庸置疑，很多人为Sydney Brenner未能因发现mRNA获得诺贝尔奖而鸣不平。直至2002年，Brenner才因对线虫器官发育的研究获得诺贝尔奖。
1.2
巧夺天工：
mRNA的人工合成
mRNA疫苗的研发以mRNA序列的人工合成为技术基础，只有人工合成才能保证mRNA疫苗研发所需序列的可及性和准确性。Michael Green、Tom Maniatis与Douglas Melton于1983年使用SP6体外转录体系成功合成了人β球蛋白的前体mRNA。哈佛大学的Paul Krieg与Douglas Melton进一步表明，将人工合成的前体mRNA注射进卵母细胞，可在3'末端发生准确剪接形成成熟mRNA。至此，体外合成mRNA的体系构建成功。
1984年，Paul Krieg与Douglas Melton报道了SP6体外转录体系可以人工合成微克量级的β球蛋白mRNA。将这些mRNA注入体外卵母细胞，可观察到β球蛋白的合成。
Paul Krieg与Douglas Melton等在人工合成mRNA早期体系构建过程中发挥了重要的作用。20世纪80年代后期，在SP6体系之外又诞生了T7人工合成体系。人工合成mRNA体系的建立堪称巧夺天工，使人们能够合成几乎任何序列的mRNA序列，为多年后mRNA疫苗生产奠定了基础。
1.3
初试牛刀：
mRNA合成蛋白质及医学应用早期尝试
1969年辛辛那提大学的Raymond Lockard与Jerry Lingrel从小鼠体内分离纯化得到mRNA，置于体外兔网织红细胞破碎裂解液中，得到了以血红蛋白mRNA为模板合成的血红蛋白β链。Lingrel在本科时同时修读生物学与化学专业，在博士期间对蛋白质合成过程中mRNA的鉴定与功能这个新兴领域表现出浓厚兴趣。Lingrel在加州理工学院博士后期间关于兔网织红细胞的体系构建训练则打下了技术基础。类似地，科学家将从网织红细胞中分离出的血红蛋白mRNA注射到爪蟾卵母细胞与卵细胞，翻译得到血红蛋白。1990年Philip Felgner与Robert Malone团队将DNA与mRNA直接注射至活体小鼠肌肉中，观察到相应蛋白质的表达。
1992年，斯克利普斯研究所的Gustav Jirikowski课题组将抗利尿激素mRNA注射到患有尿崩症大鼠的下丘脑细胞中，观察到暂时性症状缓解。从下丘脑组织提取的mRNA与人工体外合成的mRNA两者都有类似的治疗效果。本实验将人工合成的mRNA导入活体哺乳动物细胞，合成所需蛋白质（抗利尿激素）用于疾病治疗，堪称mRNA医学实践的初试牛刀。
1.4
突破瓶颈：
mRNA修饰碱基可逃过免疫系统的攻击
2023年诺贝尔生理学或医学奖获得者Katalin Karikó与 Drew Weissman 发现，将体外人工合成 mRNA 注入活体动物细胞会引发强烈免疫反应。他们进行系统性研究：第一步，推测哪种碱基引发免疫反应，通过文献推测可能是尿嘧啶；第二步，以树突状细胞为研究系统，设置tRNA对照组，提出大胆假设并小心求证，将修饰碱基替换常规碱基，结果免疫反应大幅降低或消除，对尿嘧啶替换效果最显著，突破了mRNA疫苗研发瓶颈；第三步，发现伪尿嘧啶替换尿嘧啶后，mRNA翻译效率大幅提高，有一石二鸟之功。他们的系统性研究体现问题导向连贯性，遵循假设演绎法逻辑，体现出专注课题、深入挖掘、抽丝剥茧、层层递进的研究特点。
2 步步为营：
脂质递送系统的演进
mRNA疫苗脂质递送系统研究肇始于20世纪60年代，经历了从脂质体到脂质纳米颗粒步步为营的演进。在mRNA疫苗的生产过程中，mRNA的人工合成与脂质递送系统的制备是独立的过程，最终将mRNA成功装入脂质递送系统，才完成两者的珠联璧合。
2.1
概念肇始：
脂质体的发现与描述
脂质体研究始于20世纪60年代，Alec Bangham由病理解剖学转向脂质体研究。脂质体为封闭囊泡状膜结构，由Gerald Weissmann命名为“脂质体”。1965年，Bangham及其同事指出脂质体的脂质双分子层类似生物膜。Bangham的奠基性工作开启了药物递送领域新篇章，脂质体也广泛应用于化妆品产业。
2.2
承上启下：
mRNA的早期递送实践
1978年8月31日，Nature同时刊载的两篇论文具有相似的分析思路、实验方法和研究结论。他们都将脂质体包裹的mRNA成功运送到细胞中，并顺利完成了相应蛋白质的表达。英国国家医学研究所Giorgos Dimitriadis用脂质体包裹兔球蛋白mRNA，导入鼠脾淋巴细胞，在放射性氨基酸培养基中完成mRNA翻译过程，检测到带有放射性兔球蛋白的生成。伊利诺伊大学芝加哥分校的Sheldon Dray团队将从兔网织红细胞提取的兔球蛋白mRNA包裹在脂质体中，将其导入细胞系，观察到兔球蛋白的表达。这两个开创性实验成果在mRNA疫苗发展历程中具有承上启下的意义，标志着脂质体包裹mRNA在导入动物细胞实践中的可行性。
2.3
别具匠心：
阳离子脂质的引入
1978年的实验尽管成功地将包裹mRNA的脂质体导入细胞，然而导入效率不高。1987年Philip Felgner敏锐指出：如果在脂质体中掺入阳离子脂质，则可能大幅提高脂质体导入细胞的效率。带有正电荷的阳离子脂质更容易包裹带负电荷的核酸，更容易与表面带负电的细胞膜融合，提高转染导入效率。1987年他率领团队将含有阳离子脂质的脂质体与DNA混合，发现两者快速融合，几乎100%的DNA都包裹在脂质体中，脂质体导入小鼠细胞也十分顺利。
受到上述包裹DNA实验的启发，1989年索尔克研究所的Robert Malone与Philip Felgner等合作，尝试让含有阳离子脂质的脂质体包裹RNA：将萤光素酶mRNA装入含有阳离子脂质的脂质体，并导入细胞中，细胞顺利表达出萤光素酶蛋白。含有阳离子脂质的脂质体包裹mRNA并导入细胞成为适用于不同种类细胞的通用型实验技术。正电荷脂质别具匠心的应用，在mRNA疫苗诞生路径上是重大的阶段性创新。Philip Felgner与Robert Malone在这个环节贡献突出。
2.4
初露锋芒：
mRNA疫苗的雏形
20世纪90年代初，脂质体包裹DNA的早期疫苗研究率先取得进展。在此启发下，1993年，法国国家健康与医学研究院的Frédéric Martinon与在业界推动疫苗研发的Pierre Meulien等在体外转录得到流感病毒核蛋白mRNA，将包裹有该mRNA的脂质体注射到小鼠体内。流感病毒核蛋白在小鼠体内产生，引发免疫应答。此后模拟流感病毒感染，将流感病毒血凝素注入小鼠，小鼠体内免疫反应强烈，产生大量细胞毒性T淋巴细胞。1995年，阿拉巴马大学伯明翰分校的David Curiel团队在体外合成了癌胚抗原mRNA，将该mRNA包裹在脂质体中，分多次注射至小鼠细胞，使小鼠产生免疫能力。之后对小鼠模拟抗原入侵，向小鼠体内注射能产生癌胚抗原的肿瘤细胞。检测表明实验组小鼠大多产生癌胚抗原抗体。以上2个实验是mRNA疫苗的早期初露锋芒的研发尝试，针对流感与肿瘤，分别显现出预防性mRNA疫苗与治疗性mRNA疫苗的雏形。
2.5
柳暗花明：
脂质递送系统4种成分的确定
尽管阳离子脂质体通过静电作用促进对mRNA的包裹，然而时刻携带正电荷的脂质体存在严重副作用和细胞毒性。Pieter Cullis在2001年首次创造性地采用了可电离阳离子脂质构建脂质体。可电离阳离子脂质具有特殊性质：在酸性环境下结合氢离子而带有正电荷，在中性环境下失去氢离子而不带电荷。Cullis还确定了脂质递送系统4种主要成分：可电离阳离子脂质、聚乙二醇脂质、胆固醇和辅助脂质。20世纪90年代末，随着纳米技术的兴起，脂质体被性能更加优良的脂质纳米颗粒代替，沿袭了以上4种组分，并最终被用于新冠mRNA疫苗。至此，脂质递送系统迎来了柳暗花明的成熟路径。
近年来，诸多国际奖项同时授予Katalin Karikó、Drew Weissman与Pieter Cullis三位科学家。Cullis虽未获诺贝尔奖，但mRNA疫苗的成功离不开他的贡献。近年来，mRNA疫苗及药物产业加速发展。
3
结论
新冠mRNA疫苗的诞生体现了学科交叉的深度融合与协同创新，展示出基础科研的产业转化与临床应用。然而，最值得深思的则是学者对冷门学科的专注坚守与深耕不辍。
Katalin Karikó在RNA研究冷门领域坚守30年，屡遭经费拒绝与职业挫折。脂质体研究也曾冷门，由Alec Bangham发现，经Philip Felgner、Robert Malone及Pieter Cullis团队研究推动，成为mRNA疫苗关键。
由上可知，学术热点固然值得关注，然而对冷门研究的坚守亦同等重要。其一，应正确认识热门与冷门的辩证关系，两者互相依存，协同发展。专注与坚持可以将冷门领域逐渐推动成为热门学科。其二，Karikó早期对RNA的研究实属冷门，申请经费屡次受挫导致科研曾一度陷入停顿。建议可推动对冷门学科适度的资金倾斜支持。其三，应关注热点学科与小众学科的均衡配置，鼓励引导冷门方向的拓展，进而推动整体学科体系的良性互动与均衡发展。
本文作者：李泉秀、宋潇达、甄橙
作者简介：李泉秀，北京大学医学人文学院，博士研究生，研究方向为医学史；甄橙（通信作者），北京大学医学人文学院，北京大学医史学研究中心，教授，研究方向为中西医学比较史、医学专门史、女性与医学的历史、医学博物馆文化。
论文全文发表于《科技导报》2024年第18期，原标题为《冷门学科的坚持与坚守——2023年诺贝尔生理学或医学奖的启示》，本文有删减，欢迎订阅查看。
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