Nature:诺奖级mRNA疫苗发展史中,数百位研究人员谁是最重要的贡献者?

2021-09-25 网络 网络

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。

作为科学领域最重要的奖项,诺贝尔奖一直以来受人关注。历史上,诺贝尔委员会在肯定杰出科学家的贡献同时,也会遗漏部分有卓越成就的学者,如2018年在肿瘤免疫领域做出重要贡献的华人学者陈列平与其失之交臂,以前也发生过多次,所以厘定不同科学家的贡献非常重要。

在每年诺贝尔奖周即将来临之际,适当地为诺奖委员会评委提供有价值的信息,对他们最后能客观地评定获奖人会有帮助。

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”。

《自然》(Nature)刊发了一篇长文“The tangled history of mRNA vaccines”,回顾了mRNA技术的发展历程,从发现mRNA,到人工合成mRNA,到如何修饰mRNA降低免疫反应,再到mRNA递送系统的开发,均有涉及。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,Melton觉得人工合成的mRNA可用来生产促进或抑制蛋白质的表达,并创立了一家公司,名为Oligogen(后更名为Gilead Sciences),他们做的工作是,通过利用人工合成的mRNA抑制基因表达,从而来治疗眼疾。他们从来没有想过利用mRNA来制备疫苗。

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,无法用做药物或者疫苗。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

据《自然》杂志的这篇文章介绍,也许是看到了Krieg和Melton的结果,这时候的Malone如梦初醒,利用二人的方法也人工合成了mRNA,并与合作者Philip Felgner开发的脂质体,将人工合成的mRNA递送到人体以及青蛙细胞中,进行蛋白质的表达。

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。

值得一提的是,Malone没有获得博士学位,他的导师的顶顶大名的因德尔·维尔马(Inder Verma),他是知名的美籍印度裔分子生物学家、癌症学家。相信很多人对维尔马并不陌生,2018年他因为性骚扰被Salk研究所开除。

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。

mRNA技术在肿瘤领域试水

实际上,早在上世纪90年代初,Vical公司就与Merck合作,通过mRNA技术来生产流感疫苗,只是后来因为因为费用和可行性放弃了这一方法。

此后,肿瘤领域也开始热炒mRNA技术,率先进行这一尝试的是David Curiel等人,他们看mRNA是否可以用来抗击肿瘤,主要基于这一理论:如果肿瘤细胞可以通过mRNA来表达蛋白,那么就可以注射这类mRNA,从而训练免疫系统对它们进行识别,进而杀死肿瘤细胞。这种方法在小鼠身上初步有所成效,后来Curiel就想能否商业化这一技术,得到的反馈是,“我们看不到这个技术的任何商业潜力”

此后,来自杜克大学医学院的Eli Gilboa改进了这一方法,他们从血液中提取出免疫细胞,然后注入合成的mRNA,使其表达出肿瘤蛋白,然后再将它们植入体内,从而训练免疫系统能很好地识别肿瘤。

尽管Curiel等人后来也将该方法推向临床,但终究以失败告终。

不过Curiel的尝试是值得的,间接导致了两家mRNA领域巨头公司的诞生,它们分别为CureVac 和BioNTech,两家公司在推动mRNA技术应用方面,扮演了重要的作用。

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,由于卡里科无法通过mRNA研究项目申请到经费,宾西法尼亚大学医学院给她两个选择:要么离开,要么降职降薪,她选择了后者。此后,卡里科使用Malone的方法,先将mRNA导入细胞,让其生成蛋白质,只是这些蛋白质分子量大、且结构复杂,自然而然没有太大的应用潜力。

1997年,走投无路的卡里科意外地遇到了同一学院的德鲁魏斯曼 (Drew Weissman),那时候魏斯曼刚成立实验室不久,于是二人准备合作,用mRNA技术来生产HIV疫苗。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。此后他们通过对mRNA中的尿苷酸进行修饰,即用假尿苷酸替代尿苷酸,从而较好地解决了mRNA引起的免疫应答,相关研究于2005年发表在Immunity杂志上。

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。

图 | Drew Weissman

 

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。

最新拉斯克奖也给了这两位:2021年拉斯克奖出炉,mRNA疫苗两位先驱获奖,也基本敲定诺贝尔生理与医学奖

Derrick Rossi洞见mRNA的价值,共同创立Moderna公司

2005年,还在斯坦福大学读博士后德约克·罗西(Derrick Rossi)看到了这项技术的应用价值,他当时是一名干细胞学者,希望通过利用mRNA技术让成熟的细胞重编程,他也没有想到这个技术在疫苗制备上有何价值。

2010 年,Derrick Rossi)领导的一个团队开发了 RNA 诱导的多能干细胞技术,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。

Flagship Pioneering创始人Noubar Afeyan

罗西的贡献是看到mRNA的应用价值,并通过与资深学者Robert Langer以及Flagship Pioneering创始人Noubar Afeyan交流,才真正地意识到了mRNA技术在医药领域的价值。

此后,罗西与这些资深学者共同创立了Moderna公司,在推动mRNA技术应用上也发挥了独特的价值。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。

新冠疫情初期,Moderna抓住这个“风口”,率先进行mRNA新冠疫苗开发,从而让公司的市值一度逼近2000亿美元。

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。

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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  1. 2021-09-25 谭桂峰

    提高科研能力

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