2023年10月2日,北京时间17:45,本年度诺贝尔生理学或医学奖被授予了美国科学家卡塔琳·考里科(Katalin Karikó)以及德鲁·韦斯曼(Drew Weissman)。
两位科学家获奖原因是,他们在核苷碱基修饰方面的发现助力针对新冠病毒有效 mRNA疫苗的开发。
换句通俗一点的话说,本年度诺贝尔生理学或医学奖奖励的是mRNA疫苗技术的基础性研究。
mRNA疫苗技术的优势
进入本世纪之前,给人类健康造成最大威胁的一直是传染(感染)性疾病,而不是当前面临的心血管病、癌症等为代表的慢性病。
人类得以有效控制传染性疾病实现这一转变,包括广泛的疫苗接种在内的公共卫生体系的建立健全贡献最大。
换句话说,如果没有针对高危传染性疾病的有效疫苗的普遍接种,人类仍然会处在平均预期寿命低于50岁的“黑暗”时代。
人类最早使用的疫苗是基于灭活或减毒活病毒的全病毒疫苗。人类早期用来对付天花、脊髓灰质炎、麻疹和黄热病等传染病性强、病死率高的恶性传染病的都是这类全病毒疫苗。
后来,也就是最近的几十年,随着分子生物学和生物技术的进步,已经开发出基于单个病毒成分而不是全病毒的“成分疫苗”,这包括蛋白质疫苗和载体疫苗。
然而,生产以上三种疫苗生产全病毒、蛋白质和载体疫苗最大的缺点是需要大规模的细胞培养。
我们知道,细胞培养是一种既需要消耗大量资源,又受培养过程限制而耗时的生物技术,这种技术不仅成本高,而且难以对突然出现的疫情,尤其是像新冠这样的大流行产生快速反应,在短时间内生产出针对性的有效疫苗。
因此,长期以来,科学家一直试图开发不依赖于细胞培养的疫苗技术,其中就包括本次获奖的mRNA疫苗技术。
mRNA疫苗技术的优势解决的正是传统疫苗的上述两种劣势,即不需要细胞培养,成本低;可以做出快速反应。
大流行之初的3月16日,美国Moderna与美国国立卫生研究院(NIH)下属的国家过敏和传染病研究所(NIAID)疫苗研究中心(VRC)就合作生产出了首批实验性新冠疫苗,并打进了一名43岁的西雅图女子詹妮弗·哈勒体内。
我国的一位官员在回答相关问题是曾闹笑话说,美国新冠疫苗开发速度快,说明美国早就存在新冠流行,才能在更早时间难道新冠病毒颗粒,用于疫苗开发。
事实上,美国Moderna的实验性疫苗正是基于mRNA疫苗技术开发生产的,这并不需要完整的病毒,仅需要知道目标病毒的基因序列就可以。
早在1月11日,我国疾控中心张永振团队就已经向全球公布了新冠病毒的全基因组序列。
获得这一信息的Moderna在2天后的1月13日就确定与NIH合作进行新冠mRNA疫苗的开发。
1个多月后的2月24日,Moderna就宣布已经交付了实验性疫苗用于1期临床试验。
到3月16日,也就是项目确立的第63天,第一针mRNA疫苗就正式注射进入第一位志愿者,标志着临床试验的开始。
mRNA疫苗技术之所以可以快速反应,是因为,只要知道了病毒的基因序列,就可以设计用于开发疫苗的基因片段,不需要任何病毒实体,就可以使用机器合成出所需要的mRNA序列,在经过简单的质粒包装,就完成了疫苗的生产。
更重要的是,目标mRNA序列的机器合成和包装都可以进行流水线机械性操作,因而其成本大大低于需要用活细胞培养病毒颗粒的传统疫苗技术。
当然了,看到有人说,“mRNA疫苗技术使得疫苗开发的周期从10~15年缩短到了11个月内”,这也并非事实。
mRNA新冠疫苗得以在1年内开发成功并上市,主要是因为应对大流行,监管机构开放了疫苗开发的快速通道,给予了应急使用“特权”。
比如,我国使用传统技术开发的新冠疫苗也在3月17日,仅比Moderna的mRNA疫苗晚1天开始进入了临床试验;德国BioNTech公司和辉瑞合作的mRNA疫苗也紧跟着在4月进入了临床试验。
最终,不管是基于传统还是mRNA技术的几种疫苗都被授予紧急使用权,在1年左右成功上市。
由此可见,新冠疫苗开发周期从传统的10年以上压缩到1年,主要来自监管的加速,而不是基于技术的流程决定。
mRNA疫苗的技术突破
说mRNA疫苗技术的基础研究获得本年度诺贝尔生理学或医学奖,并不是说这一研究配不上这一奖项。
这项技术的思路不复杂。
疫苗可以刺激人体产生抗原抗体免疫反应,诱导获得性免疫保护的抗原是目标病原体的特定关键蛋白质。
mRNA疫苗技术的思路就是在确定需要的抗原蛋白作为疫苗成分后,根据病毒的相应的基因序列来合成mRNA,将合成的mRNA作为疫苗注射进入人体,人体细胞在其指导下利用自身的细胞设备合成蛋白质,合成的蛋白质作为抗原刺激人体免疫系统产生应答,诱导保护性免疫力的产生。
但是,思路很简单,研究的道路很曲折,期间遭遇到了系列严峻的挑战。
第一获奖人,匈牙利裔科学家卡塔琳·考里科早在于1985年移民美国之前,就在不被学界看好的情况下执着地致力于mRNA疫苗的研究。
尽管早在1990年就已经有研究确认mRNA被注射入人体后可以产生目标蛋白质,表明了这一技术具有基本的可行性的。
但是,mRNA疫苗归根结底是在模拟病毒的生物学行为,本质上是一种大大简化的病毒颗粒,因而,它们进入身体后,可以像病毒感染一样激发机体先天免疫系统,引起严重的炎症反应,甚至可以导致死亡。
问题是,彼时科学家尚不知道病毒感染是如何刺激机体免疫反应而导致疾病的,对mRNA疫苗这一根本性缺陷自然也就无从改进。
直到1998年,美国免疫学家巴特勒(Bruce Beutler)研究发现,免疫系统的树突细胞表面存在被称为Toll样受体 (TLR) 家族的系列受体,是识别细菌成分(如脂多糖)为病原体的监视系统。
基于这一研究的启发,卡里科认为,mRNA注射进入体内诱发炎症,也可能是被TLR分子受体识别为外源性病原体,从而引发免疫炎症反应。
为验证自己的这一假说,卡里科建立了一个体外系统模拟炎症反应模型,应用人工合成的mRNA直接处理细胞,证明的确激活了免疫应答,释放出大量免疫因子。
到目前,研究已经确认,免疫系统对病毒的识别也主要由TLR分子受体完成。
找到了问题等于解决了问题的一半。
进一步的研究中,卡里科发现,经过碱基修饰的mRNA可以避开TLR分子受体的监视,避免刺激产生致病性炎症反应。
通过反复的实验,卡里科最终获得了可以免于被TLR分子受体系统识别为“外来入侵者”的核苷碱基修饰的mRNA,从而避免了mRNA在体内诱导致病性炎症反应,即mRNA疫苗的安全性问题。
这也正是mRNA疫苗研究最为关键性的技术突破,也是诺尔奖官方将授理由设定为“核苷碱基修饰方面的发现助力针对新冠病毒有效 mRNA疫苗的开发”的原因。
大流行前不受待见的mRNA疫苗
卡里科发表上述关键突破的时间是2005年,这一技术随后催化了2家创业性生物技术公司,一家就是Moderna,另一家是获得了卡里科专利转让的德国BioNTech公司。
随着研究的深入,mRNA疫苗技术在大流行前已趋于成熟,并着力于产品的转化,即进入市场的推动。
到2017年,Moderna就开发出了针对寨卡病毒的mRNA疫苗;2018年,BioNTech与辉瑞公司合作开发了更具有市场潜力的流感mRNA疫苗。
但是,鉴于“传统”疫苗技术的成熟和市场的饱和,市场对mRNA疫苗并不买张,几乎看不到上市成为有利可图的商品的机会。
如果不是新冠大流行,这两家创业公司未必不会步卡里科自己曾经创立的,致力于从事mRNA疫苗技术转化的“RNARx”公司的后尘,落得个关门大吉的下场。
新冠大流行的到来从根本上改变了mRNA疫苗技术的命运,突显了这种技术可以快速反应的优势,得到了美国NIH和辉瑞等大资本的青睐,从而转化出了被认为“抗击新冠大流行最有效疫苗”“拯救百万生命”的抗疫神器。。
即便有新冠mRNA疫苗巨大成功光环的笼罩,BioNTech与辉瑞公司合作从2018年就开始开发的流感mRNA疫苗直到2022年4月才开始了其三期临床试验。
大流行催生的诺贝尔奖
综上可见,尽管mRNA疫苗技术是一种非常有前景的生物技术,相关基础研究完全配得上一个诺贝尔奖。
但是,如果没有新冠大流行,以及mRNA新冠疫苗的抗疫中的巨大成功,这种技术的潜力也不会这么快被世界看到,从而受到诺贝尔奖的褒奖。
没有新冠大流行,这一技术至少不可能在可预见的很多年内获得诺贝尔奖。
大流行不仅催生了一个诺贝尔奖,也成就了40年来执着于这一研究的女性科学家卡塔琳·考里科,这一奖项是对她40年百折不回研究的最好回报。
当然了,新冠大流行成就更有Moderna和BioNTech这两家创业公司,加上“干地拾鱼”的辉瑞,大流行让它们赚得不是钵满盆满,而是缸满瓮满!